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文档简介
1、第2章我国既有工业建筑结构体系调查工业建筑是我国建筑产业中的一大类, 与民用建筑相对应,是指用于工业生 产及直接服务于工业生产的房屋。工业建筑为工业生产提供了必不可少的物质基 础,随着工业产业的发展和科学技术的进步, 工业建筑的类型越来越多,工业生 产技术对工业建筑的质量要求也越来越高,未来的工业建筑形式依然会有新的发 展。2.1我国既有工业建筑类型对于我国既有工业建筑,可以从不同角度来划分类型。按工业种类划分,有 钢铁厂建筑、机械制造厂建筑、精密仪表厂建筑、航空航天工厂建筑、造船厂建 筑、水泥厂建筑、化工厂建筑、纺织厂建筑、食品加工厂建筑、火力发电厂建筑、 水电站建筑、核电站建筑、高新技术产
2、业建筑等等。按工业建筑用途划分,可分为以下六类:第一类是生产厂房,生产厂房中进 行主要的工业生产流程,如产品的备料、加工、装配等,是最主要的厂房;第二 类是生产辅助厂房,生产辅助厂房是为生产厂房服务的厂房, 有修理车间、工具 车间等;第三类是动力厂房,动力厂房是为全厂提供能源服务的厂房,如发电站、 变电所、锅炉房等;第四类是仓储建筑,仓储建筑是用于储存工业生产的原材料、 半成品和成品的厂房;第五类是运输用建筑,运输用建筑是工厂中停放、检修和 管理交通运输工具的厂房。第六类是其他建筑,如污水处理建筑等。按生产状况划分,可分为以下五类:第一类是冷加工车间,冷加工车间是在 常温状态下加工非燃烧物质和
3、材料的生产车间,如机械装配、修理等;第二类是热加工车间,热加工车间是在高温和融化状态进行生产,可能产生大量烟雾、灰 尘和有害气体的生产车间,如钢铁铸造、锻压和热处理车间等;第三类是恒温恒 湿车问,为保证产品质量,恒温恒湿车间内部要求保证恒定的温度和湿度条件, 如精密仪器制造车间和纺织车间等; 第四类是洁净车间,为保证产品质量,洁净 车间内要求高度清洁,要消除空气中的灰尘和细菌,如制药车间和集成电路车间 等;第五类是其他特种状况车间,如放射性车间和防电磁波干扰车间等。按层数划分,可分为以下三类:第一类是单层厂房,单层厂房只有一层,其 高度根据生产需要可灵活调整,且便于沿地面水平方向来组织生产流程
4、, 布置生 产设备,多用于冶金、重型及中型机械工业;第二类似是多层厂房,多层厂房的 层数在二层以上,适用于组织生产关系和工艺流程在垂直方向上的工业,多用于食品、电子和精密仪器工业等;第三类是层次混合厂房,层次混合厂房是多层和 单层混合在一幢建筑中,多用于化学工业、热电站的主厂房等。按跨度的数量和方向划分,可分为以下三大类:第一类是单跨厂房,单跨厂 房只有一个跨度;第二类是多跨厂房,多跨厂房在一个方向上由几个跨度组合而成,车间内彼此相通;第三类是纵横相交厂房,纵横相交厂房由两方向的跨度组 合而成,车间内彼此相通。按跨度尺寸划分,可分为以下两类:第一类是小跨度厂房,指跨度小于等于 12m的单层厂房
5、,以砌体结构为主;第二类是大跨度厂房,大跨度厂房跨度一般 超过15m,以混凝土结构和钢结构为主。以上对我国既有工业建筑的分类是多维度的,可以包含各类工业建筑,但这些分类大多侧重于建筑外表和使用功能的角度,很少从结构体系角度出发。对于 我国的大多数既有工业建筑,因为长期使用过程中在荷载作用和外部环境作用下 受到破坏,安全性和耐久性无法满足要求,如今正面临着维修加固和非工业化改 造的问题,因而我们需要对各种既有工业建筑的结构体系加以深入的调研和分类, 以便于实际检测加固工程的应用,本文在后面将从结构设计角度出发,立足于结 构体系对我国既有工业建筑进行调研分析。2我国既有工业建筑发展及规模调查我国现
6、代工业开始于清朝末年的“洋务运动”,工业建筑也从那时候开始出 现,由于当时中国处于半殖民地状态, 工业建筑大多由西方国家设计修建, 主要 是一批西式的老工业厂房和仓库。1953年以前我国的厂房和仓库面积总共约4000万m2,非常之少。在东北地区遗留的解放前的工业建筑,以日、俄式厂房 为主,中部和南部地区的工业建筑,美、英、德、日、法国等各种形式的厂房都 存在。这些厂房多数规模不大,其中砖木、砖墙柱、钢屋架结构占一半以上,规 模较大的厂房屈指可数,厂房中混凝土结构比例不大。这些厂房至今服役已超过 60年,由于生产工艺过时,损坏严重等原因,很多已拆除或改作他用,正在使 用的也几乎全部经过挖潜改造和
7、加固。19531957年是我国“一五计划”,这期间建设了许多新中国的工业建筑。 其中厂房建筑面积2240万m2、仓库2680万m2,这些工业建筑绝大多数仿照前 苏联模式,是典型的苏式厂房。直到现在,这时期建设的厂房大部分都在使用中。 其中单层厂房主要为混凝土结构,构件主要包括大型混凝土屋面板、密肋混凝土板和槽型板,混凝土薄腹梁(跨度015m),混凝土柱,混凝土基础。多层厂房大都为钢框架、现浇混凝土(梁)板结构,也有全混凝土框架或砖墙承重梁板 结构的。由于当时我国钢产量很低,钢材质量很差,所以在这一时期开始的混凝 土结构中大量使用对结构耐久性非常不利的细主筋、低强度等级混凝土、低配筋 率以及薄壁
8、构件。1957年我国开始推广预应力混凝土结构,当时的主要问题是混凝土强度等 级低、保护层薄,突出的是薄壁结构。19761994年底,我国建造工业厂房4. 08 亿m2,仓库1.57亿m2,合计5. 655亿m2。由于混凝土强度的提高,这期间的结构强度由C14C20为主提高到C30C40为主,同时预应力结构开始普及, 结构的设计和施工水平的提高,构件耐久性有所提高。19952015年底,我国建造工业建筑总面积为 61.44亿m;其中19952000 年建筑面积较少,在1亿m2以下,在2001年达到1.15亿m2,从2008年开始, 我国工业建筑快速发展,每年的工业建筑总面积超过 4亿m2,201
9、4年最多为5.74 亿m2。经过文献调研,我国由建筑业企业所建造的房屋建筑面积和工业建筑面积, 1911年至1994年底见表1, 1995年至2015年底见表2。表1我国1911年-1994年房屋建筑及工业建筑面积统计表年份1911-19521953-19571958-19621963-19651966-19701971-19751976-19801981-19851986-19901991-1994合计房屋建 筑竣工 面积(亿 m2)19.262.663.811.092.023.835.007.159.6410.5465.00工业建 筑竣工 面积(亿 m2)0.600.802.510.501
10、.042.061.831.403.442.7216.90厂房0.200.221.050.190.400.870.810.571.511.207.02仓库0.200.270.460.130.240.440.420.280.480.403.32其他工业建筑0.200.311.000.180.400.750.600.551.451.126.56表2我国1995年-2015年房屋建筑及工业建筑面积统计表年份房屋建筑竣工面积(亿m2)工业建筑竣工面积(亿m2)厂房仓库其他工业建筑19953.570.36/19966.000.730.73/19976.220.700.70/19986.570.640.64
11、/19997.390.690.69/20008.070.740.74/20019.771.151.15/200211.021.501.50/200312.281.98/200414.742.62/200515.942.96/200617.973.34/200720.403.90/200822.364.18/200924.544.13/201027.754.72/201131.645.113.530.221.36201235.875.383.570.251.56201340.155.613.650.261.70201442.315.74/201542.085.26/我国既有工业建筑面积统计OOO
12、OOOOOOO 987654321 米平内积面筑建业工图1我国既有工业建筑规模发展趋势目前我国正处于向工业化、城镇化发展的转型期,建设规模和固定资产投资 规模巨大,由上图也可以看出,近几年来我国工业建筑规模发展越来越快。 除了 规模庞大,我国工业建筑的种类也越来越多样, 除了工业厂房和仓库外,其他结 构形式复杂的工业建筑也不断出现,如烟囱、水塔、水池、沉淀池、冷却塔、电 视塔、输电塔、运输通廊、管线、窑炉、高炉、煤气柜、储油罐等。我国既有工 业建筑具有种类多、结构形式复杂、荷载工况复杂、所处环境复杂的特点。我国既有工业建筑结构形式调查我国既有工业建筑中建筑面积最大的是工业厂房, 所以本文主要对
13、工业厂房 加以重点研究,其他形式的工业建筑选择一些典型案例加以说明。 对于工业厂房 分为单层工业厂房和多层工业厂房两类。单层工业厂房结构形式单层工业厂房的结构形式主要有排架结构和门式刚架结构两种。排架结构由 于其构造简单,施工方便易行,是最基本、最常用的结构形式,这种结构由屋盖 系统、柱和基础组成,柱与屋架为较接,柱与基础为刚接。因为厂房的生产工艺 和使用要求不一样,排架结构可以有等高、不等高和锯齿形等多种形式。单层厂房中的门式刚架结构是柱与横梁刚性连接,柱与基础一般采用较接, 当厂房有5t以上桥式吊车时,宜将柱脚设计成刚接。根据建筑结构材料的不同, 单层厂房分为钢筋混凝土厂房、钢结构厂房、砖
14、混厂房等。单层厂房主要的结构 特点是构成空间大,中间不设承重柱或少设承重柱。为提高建筑工业化的水平, 降低综合造价、提高结构质量,上部结构应尽量选择定型设计和标准化生产。单层厂房门式刚架轻钢结构,按跨度可分为单跨、双跨和多跨,按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。门式刚架的跨度宜为9-36m,当边柱宽度不等时,其外侧应对齐。高度应根据使用要求的室内净高确定,一般取4.5-9m 门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、 荷载条件及使用要求等因素一般宜取 6 m、7.5m、9m。对于变截面门式刚架,应采用弹性分析方法确定各种内力,变 截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法进行计算。门
15、式刚架的梁、柱多采用变截面实腹焊接 H型钢截面,单跨刚架的梁柱节点采用刚接,多跨刚架 中柱与刚架梁的连接可采用较接;刚架柱柱脚与钢筋混凝土基础的连接,当厂房 内设有桥式起重机时按刚接连接,其他情况按钱接连接。门式刚架轻钢厂房的伸 缩缝间距,纵向长度不大于3 0 m,横向长度不大于150 m。在每个温度伸缩单元 应分别同时设置横向水平支撑和竖向柱间支撑以形成几何不变、稳定的空间结构体系。屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二个开间,当端部支撑设在第二个开问时,在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。 柱间支撑之间的距 离要根据房屋纵向受力分布情况来确定,通常控制在30-45m范围内,如果配置
16、了吊车,最大至60 m,当房屋高度相对于柱间距较大时,柱间支撑宜分层设置。 在刚架转折处应沿房屋全长设置刚性系杆。墙梁和楝条一般采用冷弯卷边槽钢或 卷边Z形钢。多层工业厂房结构形式多层工业厂房的结构形式主要有框架结构、框架一一支撑结构和框架一一剪 力墙结构等。多层厂房一般是轻工业厂房,为了保证工业厂房的空间足够大, 通 常采用框架结构,把厂房纵横两个方向都设计成刚接框架, 不设置柱间支撑,其 优点是使用空间不受影响,缺点是柱子要采用两个方向惯性矩差别不大的矩形截 面,这会使用钢量增加。框架一一支撑结构一般是在层数比较多、 工艺条件允许的条件下使用,横向 设计成刚接框架,纵向设计成柱一一支撑体系
17、,用柱间支撑抵抗水平荷载。这种 体系经济节约,但柱问支撑可能会影响使用。这种形式特别适用于纵向较长,横 向较短的厂房。框架一一支撑体系对楼面的刚度要求较大, 否则将出现柱子间的 变形,致使柱间支撑的作用无法充分发挥。框架一一剪力墙结构具有较高的抗侧向承载力,但剪力墙会对使用空间形成 限制,一般适用于层数较多,高度和侧向荷载较大的厂房。烟囱烟囱是一种高耸结构,是火电厂和锅炉房必不可少的组成部分,因而存在于大多数与能源相关的工业中。从材料来看,一般有砖烟囱、钢筋混凝土烟囱和钢 烟囱三类,早期多采用砖烟囱,高度较低,钢筋混凝土烟囱最为普遍,而现在多 采用钢烟囱来达到很高的高度,其高度可达几百米以上。
18、工业建筑中的烟囱有单 筒式烟囱、自立式钢烟囱、塔架式钢烟囱、套筒式烟囱和多管式烟囱等。以某电厂的双管自立式钢结构烟囱为例。该双管自立式烟囱由2根直径7.3m、 高240m的主管及侧向钢结构析架支撑体系组成,两主管在98.%m标高以上为直 段,98.%m标高以下为斜段,斜段的坡度约为 1.436%。钢析架支撑体系的主弦 杆在98.%m以下分开为树权形,以便炉后上煤方案的布置,输煤栈桥也可借此 空间从烟囱的两个排烟筒之间通过。 烟囱共设有8层检修、信号灯平台,检修直 爬梯可直达烟囱顶部240.0m。该烟囱的三维外形如图1所示。双管自立式烟囱 的2根主管既作为烟气排放的工具,又是结构受力体系的一部分
19、。为确保双钢排 烟筒能有效地抵抗风及地震等水平荷载的作用,2根主管每隔一定高度设置了 1 圈环梁,以增加结构在2主管平面内的整体刚度。在2主管平面外,侧向钢管支 撑体系可协同主管共同抵抗水平荷载的作用。整个结构上部截面较小、下部截面 较大,更有利于抵抗水平荷载。钢管断面的选用使得整个结构受风力相对较小, 钢管构件同时具有较大的回转半径以及各向同性的优点,其抗扭性能也较开口截面高,使得该结构具有更好的受力性能。贮仓贮仓作为生产调节、运转、贮存物料的设施由于其结构具有容量大、占地少、 贮卸料通畅等优点,已成为工业及公共建筑中一项不可缺少的构筑物。贮仓有钢 筋混凝土贮仓和钢贮仓,一般有矩形和筒体两种
20、。其中矩形钢仓一般分为无钢竖 壁的漏斗仓和带钢竖壁的浅仓两种形式。 漏斗仓一般吊挂在梁或钢筋混凝土竖壁 下作为小型贮仓单独使用,或作为钢筋混凝土深仓的仓底部使用。矩形钢仓结构 布置主要是对钢仓壁的水平及垂直加劲肋的布置,仓壁水平加劲肋的垂直间距一 般取700 mm800 mm。由于矩形钢仓水平及垂直加劲肋结构布置的不同,从而对钢仓各结构构件的受力状态也不尽相同, 主要受力状态有以下几种情况:对于 无加劲肋的小型漏斗仓,仓壁板在贮料法向压力作用下双向受弯, 并承受相邻斜 壁传来的水平拉力和竖向荷载在该壁板上产生的斜向拉力。对于有水平加劲肋的钢仓,相邻斜壁传来的水平拉力由水平加劲肋承受, 水平加劲
21、肋还承受壁板传来 的法向压力引起的弯矩,壁板在法向压力作用下单向或双向受弯, 并承受竖向荷 载引起的全部斜向拉力。对于有水平加劲肋和垂直加劲肋的钢仓,可按主次梁体 系计算壁板和垂直加劲肋的弯矩。 壁板双向受弯并承受斜向拉力,垂直加劲肋仅 承受壁板传来的法向荷载引起的弯矩,水平加劲肋除承受相邻壁板传来的水平拉力外,还承受壁板和垂直加劲肋传来的法向荷载引起的弯矩。对于钢竖壁贮仓, 坐式仓的钢竖壁承受贮料水平拉力作用下的平面外弯矩和相邻竖壁传来的水平 拉力,吊式仓的钢竖壁还将承受下部漏斗传来的竖向拉力,一般吊式仓钢竖壁上方的吊点很密,不用考虑竖壁平面内弯曲。水塔水塔是很多工厂生产工艺的一个重要组成部
22、分,是一种用于储水和配水的高 耸结构,用来保持和调节给水管网中的水量和水压。水塔主要由水柜、基础和连接两者的支筒或支架组成。按建筑材料分为钢筋混凝土水塔、钢水塔、砖石支筒 与钢筋混凝土水柜组合的水塔。按水柜形式分为圆柱壳式和倒锥壳式,在我国这 两种形式应用最多,此外还有球形、箱形、碗形和水珠形等多种。支筒一般用钢 筋混凝土或砖石做成圆筒形。支架多数用钢筋混凝土刚架或钢构架。水塔基础有 钢筋混凝土圆板基础、环板基础、单个锥壳与组合锥壳基础和桩基础。当水塔容 量较小、高度不大时,也可用砖石材料砌筑的刚性基础。我国既有工业建筑荷载作用调查工业建筑荷载一般包括恒载、活载、风荷载、设备工作荷载等,不同使
23、用状 态下的荷载也不同。工业建筑荷载最突出的一点是楼面活荷载大, 比一般民用建 筑大很多,活荷载在整个结构总重量中的占比也很大,楼面活荷载取值的准确性 尤为重要,设计时应按荷载规范或相关的行业标准进行确定 ,也可结合甲方的要 求进行确定。当楼面有较大的集中荷载时,应当根据工艺的设备布置图和设备的 重量,按荷载规范等效荷载的计算方法得出楼面等效均布荷载。目前建筑结构设计中,产生浪费的主要原因之一,就是对实际作用在结构上 的荷载缺乏准确的估计。在结构设计中往往以臆断的方式来规定额外的附加荷载, 使得所设计的结构物过分笨重,从而引起建设资金的无谓浪费。 例如,在设计某 热工车间时,对该热工车间的使用
24、情况进行观测的结果说明,在这些车间内,屋面温度可达到0C,有的甚至达到250C,因而屋顶上不可能存在积雪。 在这种 情况下使得我们有理由降低荷载值。有时亦可能由于对实际使用情况了解不够, 所采用的荷载值偏低,这使得所设计结构物不安全或影响使用。 如某玻璃熔化车 问,设计时采用的楼面荷载为 8KN/m2,在实际熔炉检修时,附近堆积的耐火砖 很高,一般可达到520KN/ m2,个别情况甚至超过了 20KN/ m2,因而影响了安 全使用。我国既有工业建筑环境作用调查工业建筑的环境作用与民用建筑有很大差别,一般环境作用对工业建筑产生 的影响远大于民用建筑。一方面是外部自然环境的影响,一些工厂为了工业生
25、产便利而建在地质条件不利于建筑耐久性的地方,比如建在海边的金属冶炼厂和海 上采油平台,这些工业建筑容易受到海盐侵蚀和干湿循环,损伤了其耐久性;另一方面是工业生产过程中产生的不良环境,比如一些重工业厂房需要承受巨大的设备恒载和活载,炼钢厂和机械铸造车间的吊车承重高达几百吨之重;化工厂房内的化学腐蚀非常严重,酸洗车间长期处于氯离子、硫酸根离子等酸性腐蚀环境, 化肥生产车间则长期处于钱根离子等碱性腐蚀环境;一些机械制造厂的生产设备 会产生强烈的振动,对建筑结构形成长期反复冲击荷载, 导致疲劳破坏;一些密 封的油气贮仓内部会形成高压环境, 对建筑结构产生很大的压力;还有一些厂房 在生产过程中会产生大量
26、余热、烟尘、废水和辐射等,这些都会对建筑结构的耐 久性产生影响。可以看到,在复杂的外部环境因素和使用条件的长期作用下,工业建筑的结构构件会出现损伤,结构性能会受到影响,由此则会带来工业建筑结 构的强度降低、疲劳破坏和耐久性破坏等问题。我国既有工业建筑设计规范调查我国工业建筑在不同的时期,所采用的规范和技术标准也是不一样的。 以混 凝土设计规范为例,从上世纪50年代全盘照搬苏联到自主编制,至今已经历74、 89、02、10版几次较大变动。总体而言我国早期建设的工业建筑安全度水准相 对较低,且较多处于超负荷使用或超期服役状态。建国后至20世纪60年代,受前苏联影响,我国建造了大量的苏式以钢筋混凝土
27、结构为主的工业建筑。在“大跃进”和“设计革命”阶段出现了很多受力性能、抗震性、耐久性很差的结构, 造成了很多安全隐患。1974年,我国系列国家规范颁布,俗称 74规范,工业建 筑开始进入正轨有秩序建设阶段。这版规范采用“ K值”安全系数表达方式,结 构可靠度指标较低。1978年以前量大面广的结构是不考虑抗震的。1978年改革 开放后,工业生产产量急剧增加,我国工业基础设施严重落后,无法满足国民经 济快速发展的需求。由于当时无资金进行大规模的改扩建, 各工业行业对现有设 施的挖潜和改造成为发展生产、提高产能的首要选择。就钢铁行业而言,在工业 建筑面积仅增加20%的条件下,钢铁产量从3000万吨/
28、年增长到6000万吨/年, 主要依靠的就是对企业的技术改造与挖潜实现的,但这种结果是在行政命令和缺 乏标准规范依据的条件下取得的,为随后的长期安全使用带来了隐患。1989年89规范出台,安全控制表达式改为分项系数法,可靠度指标比74规范略有提高, 但比发达国家水准值略低。2002年,又有新的一代规范颁布,安全控制原理和 表达式没有变化,但安全控制指标进一步提高。现行规范在此基础上又进行过一 些修编。我国工业建筑结构安全控制经历了一个马鞍型的变化过程。止匕外,由于工业建筑独具的特点,除与民用建筑通用的设计标准之外, 各行 业、各种类型结构还有一些专用的设计规范,见表1、表2。这是由于我国以前建设
29、管理模式条块分割,各个行业独立垄断,几乎每个行业都有自己的标准规范, 然而其中有很多类似内容,在原理上是一样的,可以将其合并统一,未来我国需 要一本规定工业建筑结构建设中通用的基本原则和最低要求的统一规范,来降低学习成本,提高设计效率。表1部分行业工业建筑现行相关设计规范工业行业标准编号标准名称发布部门GB 51055-2014有色金属工业厂房结构设计规范住房和城乡建设部GB 50421-2007有色金属矿山排土场设计规范GB 50988-2014有色金属工业环境保护工程设计规范GB 50915-2013有色金属矿山井巷工程设计规范GB 50919-2013有色金属冶炼厂节能设计规范GB 50
30、771-2012有色金属采矿设计规范GB 50758-2012有色金属加工厂节能设计规范有色金属工业GB 50753-2012有色金属冶炼厂收尘设计规范GB 51030-2014再生铜冶炼厂工艺设计规范GB 50985-2014铅锌冶炼厂工艺设计规范GB 50962-2014铜加工厂工艺设计规范GB 50530-2010氧化铝厂工艺设计规范GB 50482-2009铝加工厂工艺设计规范GB 50850-2013铝电解厂工艺设计规范GB 50616-2010铜冶炼厂工艺设计规范GB 51119-2015冶金矿山排土场设计规范GB 51128-2015钢铁企业煤气储存和输配系统设计规范冶金工业GB
31、 50427-2015高炉炼铁工程设计规范GB 50930-2013冷轧带钢工厂设计规范GB 50541-2009钢铁企业原料场工艺设计规范GB 50672-2011钢铁企业综合污水处理厂工艺设计规范机械工业GB 50906-2013机械工业厂房结构设计规范住房和城乡建设部JBJ 8-1997机械工厂结构设计规范GB 51115-2015固相缩聚工厂设计规范GB 50031-1991乙快站设计规范GB 50177-2005氢气站设计规范GB 50030-2013底气站设计规范GB 50529-2009锥纶工厂设计规范化学工业GB 50492-2009聚酯工厂设计规范GB 50488-2009睛
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