单层工业厂房设计经验总结

单层工业厂房总体方案1概述单层工业厂房主要由横向和纵向结构系统组成。横向结构系统是排架，它承受屋面荷载、风荷载、吊车荷载或地震作用。纵向结构系统由厂房柱、托架（托梁）、柱间支撑、墙梁、吊车梁、吊车制动梁以及辅助桁架等组成，它的作用是保证厂房结构纵向的几何不变性和构件的稳定性，以及承受山墙风载、吊车纵向刹车力、温度作用或地震作用等。图1单层工业厂房透视图单层工业厂房柱网布置一般由工艺确定。柱的位置应与生产流程及设备布置（包括设备基础、地下管沟、工业炉基础）相协调，有时还需要考虑厂房扩建和设备更新的要求。另外，厂房应具有必要的横向刚度，尽可能将柱布置在同一横向轴线上，以便与屋架（屋面梁）形成横向排架。为了便于设计、制作与安装，柱距应尽量统一，但这一点往往与工艺要求相冲突，另外还有经济柱距的问题，在下文做初步探讨。另外，工业厂房为了满足工艺要求，有时需要局部抽柱，一般抽柱后柱距大于30m时，为了不设托架（托梁）减小用钢量，通常在吊车梁系统上设置摇摆柱支撑屋架（屋面梁），将屋盖荷载传到吊车梁上，最终通过柱子传到基础。在排架柱的几何尺寸中，应注意上柱边缘距吊车端部净尺寸C值，当上柱不设人孔，需要从柱子侧边通行时，C≥550mm（应根据吊车实际端距尺寸校核）；当上柱设人孔，穿柱通行时，C≥100mm，同时，柱截面高度需要≥800mm，一般取900mm，人孔400mm宽，2000mm高。另外，吊车顶部距屋架（屋面梁）下边净距h一般大于等于400mm。这里需注意，有时屋面梁的高度较小，屋面检修葫芦的轨底标高按照上面h=400mm确定后，葫芦钢丝绳的起吊高度不够，这时可以通过缩短葫芦运行范围或抬高柱顶标高来提升葫芦的轨底标高，需与工艺、建筑专业协商解决。图2排架局部几何尺寸在厂房墙皮系统中，厂房纵墙皮柱利用吊车梁辅助桁架本身刚度和承载力大的特点通常支撑在辅助桁架上，下端与地坪用卡键固定，地坪只承担水平荷载，没有竖向荷载。山墙柱一般落地，但对于淤泥等软弱土地基，考虑到山墙柱下基础需要打桩，桩身较长，基础造价偏高、施工工期等因素，通常设置山墙垂直桁架，类似纵墙的做法，将山墙柱支撑在垂直桁架上，下端对地坪没有竖向力，只有水平力。在冶金工业厂房中，对于中级和重级工作级制的桥式吊车，应设置宽度不小于800mm的双面安全走道，两边走道均应设置钢梯。对直爬钢梯来说，梯段高度一般不宜大于9m，超过9m时，应设梯间平台并分段交错设梯；攀登高度在15m以下时，梯间平台间距5～8m，超过5m时，每5m设一个梯间平台。对斜梯来说，梯宽宜700mm，不宜大于1100mm，不应小于600mm，梯高不宜大于5m，大于5m时，宜设休息平台并分段交错设梯；斜梯水平倾角不宜超过60度，一般取45度，对参观平台一般取30～35度。栏杆高度一般为1050mm，对离地高度大于或等于20m的平台栏杆，高度取1200mm。2、温度伸缩缝为了避免对厂房柱产生过大的温度应力，应根据厂房的纵、横向长度划分温度区段，设置伸缩缝。在有些情况下，比如厂房柱网平面局布突变处、某一轴线两侧吊车轨顶标高、厂房跨度、屋面形状改变处以及工艺要求厂房断开，需要设置伸缩缝。2.1温度区段长度在一般情况下，当不超过表1的数值时，可不考虑温度应力和温度变形。表1温度区段长度值（m）结构情况纵向温度区段（垂直屋架或构构架跨度方向）横向温度区段（沿屋架或构架架跨度方向向）柱顶为刚接柱顶为铰接采暖房屋和非采采暖地区的的房屋220120150热车间和采暖地地区的非采采暖房屋180100125露天结构120注：无桥式吊车房屋的柱间支撑和有桥式吊车房屋吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑，宜对称布置于温度区段中部。当不对称布置时，上述柱间支撑的中点（两道柱间支撑时为两支撑距离的中点）至温度区段端部的距离不宜大于表1纵向温度区段长度的60％。2.2温度伸缩缝做法少弹簧板做法少弹簧板做法纵向温度伸缩缝一般采用设置双柱的方法，根据柱子断面的大小，双柱间距可以取750＋750mm、1000＋1000mm或1500+1500mm。其中，吊车吨位不大，柱距小于或等于18m的一般轧钢厂房，双柱间距通常取750＋750mm或1000＋1000mm；对于一般炼钢连铸厂房，柱距24m，吊车吨位较大，双柱间距通常取1500＋1500mm。横向温度伸缩缝是否讲反了？需与建筑沟通，建筑在此处应考虑屋面板的伸缩构造。对于厂房钢结构来说，一般采用以下两种方法：是否讲反了？（1）摇摆柱方式，见图3。摇摆柱方式是通过摇摆柱（两端铰接柱）将横向温度伸缩缝一侧屋架（屋面梁）支撑在柱子或吊车梁上。这里需要注意，摇摆柱应有一定的长度，一般应大于2m，为的是减小局部构造（卡键）对摇摆柱侧倾转动的附加约束，使伸缩缝两侧排架具有良好的“脱开”性能。另外，摇摆柱下的牛腿应注意不与吊车相碰，当摇摆柱支撑在吊车梁上时，摇摆柱边与吊车间应留有安全距离，且要考虑该吊车梁走台上的人员通行。图3摇摆柱方式（2）聚四氟乙烯滑动支座方式，见图4。聚四氟乙烯滑动支座方式是依靠聚四氟乙烯板较低的滑动摩擦系数（可取0.1）来保证横向伸缩缝两侧排架的“脱开”，在不宜设置摇摆柱的厂房伸缩缝处采用，原先多用在设置滑动支座的管托中。实际使用时，聚四氟乙烯板不易清理和难以更换。对于材料老化问题，生产厂家宣称没有问题，可以放心使用。实际上，聚四氟乙烯在工业厂房伸缩缝设置中采用时间也不是很长，更没有经过50年的实例证明。所以，若没有充分的材料试验、工程使用的证明，可以考虑将聚四氟乙烯滑动支座改为滚轴滑动支座。一般来说，摇摆柱方式和聚四氟乙烯滑动支座方式一般均先支撑横向伸缩缝一侧屋架（屋面梁），当有托架（托梁）时，托架（托梁）再支撑在屋架（屋面梁）上。另外，在柱子牛腿处宜设置纵向系杆与柱间支撑连接，以保证该处柱子的平面外稳定。图4聚四氟乙烯滑动支座方式3.柱间支撑柱间支撑的作用是保证厂房纵向的稳定性和纵向刚度；确定柱子在排架平面外的计算长度；承受厂房端部山墙风载、吊车纵向刹车力、温度应力或地震作用，并将这些作用力传于基础。3.1柱间支撑布置原则（1）满足工艺要求工业厂房柱间支撑布置需要与工艺协商确定，一般布置在不影响工艺使用的柱间，满足工艺要求。这样做，有时会影响厂房纵向受力性能，即柱间支撑不能放在较好符合结构要求的柱间。在这种情况下，需要与工艺详细沟通，了解不能设置柱间支撑的原因，有时只是因为有过跨小车或小操作室影响，我们可以采用另外的柱间支撑形式，在达到工艺要求的净空和使用范围的情况下，在原不允许设柱间支撑的柱间设置支撑，不仅满足了工艺要求，结构良好的受力性能也能够得到保证。（2）满足厂房纵向刚度的要求。对于设有A6、A7、A8工作级制吊车的厂房柱，由一台最大吊车水平荷载标准值（按荷载规范取值，不考虑动力系数）引起柱在吊车梁或吊车桁架顶面标高处的纵向位移值不得（A6为“不宜”）超过该标高的1/4000。柱间支撑设置应与屋盖支撑布置相协调，一般与屋盖上、下弦横向水平支撑及垂直支撑设在同一柱间。（3）温度变形及温度应力的考虑厂房下柱的柱间支撑一般布置在温度区段的中部，使厂房结构在温度变化时能从支撑向两侧伸缩，以减小温度应力。在短而高的厂房内，下柱柱间支撑亦可布置在厂房两端，因为这时温度应力不大却可提高厂房的纵向刚度，多在门式刚架轻钢厂房中采用。下柱柱间支撑在温度区段的位置，应满足表2的规定。表2温度区段和下柱柱间支撑的尺寸限值，m结构情况一道支撑时，其其中心至本温度区段端部部最大距离离同一温度区段内内设两道支支撑时，支支撑之间的的最大距离离支撑设在温度段中心支撑偏离温度段中心采暖房屋和非采暖地区的房房屋150与温度伸缩缝长度矛盾与温度伸缩缝长度矛盾13272热车间和采暖地地区的非采采暖房屋12010860露天结构907248（4）抗震要求一般情况下，应在厂房单元中部设置上、下柱间支撑，且下柱支撑应与上柱支撑配套使用；有吊车或8度、9度时，宜在厂房单元两端增设上柱支撑；厂房单元较长或8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，可在厂房单元中部1/3区段内设置两道柱间支撑。在厂房中部设置上下柱间支撑，仅适用于有吊车的厂房，其目的是避免吊车梁等纵向构件产生的温度应力，无吊车厂房的柱间支撑不一定必须设在中部。当厂房设置柱间交叉支撑时，7度结构单元长度大于120m，8、9度结构单元长度大于90m，宜在单元中部1/3区段内设置两道柱间支撑。3.2柱间支撑类型(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)图5柱间支撑形式1—八字形支撑；2—空腹式门形支撑；3—十字形交叉支撑；4—人字形支撑5—K形支撑；6—倒人字形支撑；7—实腹式门形支撑；8—倒八字形支撑十字形交叉支撑—————传力直接、构造简单、用料省、刚度大，应优先选用，交叉杆件按单拉杆设计，斜撑与水平面交角不宜大于55o，不宜小于35o；空（实）腹式门形支撑——用料多、刚度较差，只在特殊情况下采用，例如该处要设置门洞或设备时；八字形（倒八字形）支撑——当柱距与柱间支撑高度之比大于2.5时，采用这种支撑；人字形（倒人字形）支撑—当柱距与柱间支撑高度之比大于2时，采用这种支撑；K形支撑————————刚度较大，横杆受压，斜杆一拉、一压，实际均按压杆设计，比十字形交叉支撑用钢量多；4.铰接、刚接排架结构方案的选择排架柱通常与基础固接，根据柱子和屋架（屋面梁）连接形式的不同，排架分为铰接排架和刚接排架两种。柱子和屋架（屋面梁）是铰接的，称为铰接排架；柱子和屋架（屋面梁）是刚接的，称为刚接排架。铰接排架由于是静定结构，对柱基础的不均匀沉降适应性较强，安装方便，计算简单，受力明确，由于柱顶没有屋面梁传来的弯矩，上柱主要承受轴压力，当厂房跨度较大（＞30m）时，边柱的上柱断面会比刚接排架小很多，缺点是厂房横向刚度比刚接排架稍差。从结构受力上来说，在多跨厂房中铰接排架优点远大于缺点，所以在一般轧钢厂房排架结构方案选择时，通常首选铰接排架。刚接排架的柱子与屋架（屋面梁）刚接，为超静定结构体系，对柱基础的不均匀沉降比较敏感，且屋架与柱刚接节点构造、施工相对复杂。但是，它的横向刚度较大，在跨度不大、高度较高的厂房中下柱弯矩比铰接排架要小。在对横向刚度要求较高的厂房中，比如高跨比大于1.5倍、跨度大于30m，单跨、轨面大于15m、硬钩吊车（例如夹钳）的厂房，一般采用刚接排架。从用钢量的角度来看，一般铰接排架比刚接排架要省，尤其现在刚接排架屋面梁通常为实腹式工字型截面，用钢量大于屋架至少10％以上，且边柱由于受到较大的柱顶弯矩，在厂房跨度较大时刚接排架的边柱断面会远大于铰接排架。所以，从经济指标上来看，铰接排架通常要优于刚接排架。从外观、建筑美学的角度来看，刚接排架屋面梁高度较小，一般36m跨屋面梁高度在1.4m左右，而屋架通常做成倒梯形，端高3m，跨中高3.6m，屋架高度是屋面梁的2倍以上，尤其在厂房轨面不高（＜12m），檐口高度较低（＜18m），柱距较小（≤12m）时，屋架杆件多，加上隅撑长，显得错乱繁杂，不及屋面梁简洁明快、美观大方。现在刚接排架屋面梁一般做成楔形变截面型式，类似门式刚架横梁的做法，同时屋面梁的腹板考虑屈曲后强度设计，腹板可以做得较薄，这些措施有效降低了刚接排架屋面梁的用钢量，在柱距＜15m，跨度＜30m时，采用刚接排架的用钢量比铰接排架不会大很多。在进行方案选择时，应综合考虑外观和用钢量之间的关系，在可能的情况下，可以适当考虑采用刚接排架的方案。5.排架柱的截面型式方案根据结构型式的不同，柱子可分为等截面柱、阶形柱和分离式柱三大类。等截面柱有实腹式和格构式柱两种。格构式柱从缀件类型来看，分为缀条式和缀板式两种，通常采用缀条式格构柱；从分肢柱的截面类型来看，一般分为工字型截面格构柱和钢管砼格构柱。排架柱截面型式的选择，应根据柱的总高度、轨面标高、荷载情况、所需截面大小，选择构造简单、便于施工和安装的结构型式。当实腹式等截面柱高度大于1m时，一般应考虑采用格构式柱。分离式柱具有构造简单、计算和施工简便的优点，通常在下列情况下采用：厂房同一跨间设有双层吊车，而下层吊车轨顶标高又不高（10m）时；厂房边列柱在纵墙墙皮外紧贴设有轨顶标高相同的露天吊车梁，柱距较大或吊车起重量较大不宜设置牛腿时；厂房横向扩建并增设吊车时；厂房边列纵向很长，但局部小范围内设有小披屋时，为了保证边列绝大多数柱子（例如格构柱）截面统一、柱间支撑设置方便，在小披屋范围内设置分离肢；工业厂房设有吊车荷载时，一般多采用阶形柱（即有上段柱和下段柱，有时还有中段柱），上段柱常采用实腹式工字型截面，下段柱常采用工字型截面或钢管砼截面格构式柱。这两种截面的格构柱各有优缺点，从以下几个方面来说明：（1）钢材材料方面工字型截面格构式柱分肢由轧制H型钢或焊接工字钢制作，适用范围广泛，焊接工字钢截面可以根据实际计算需要灵活采用各种规格的板宽和板厚，以取得较好的经济性。相比这方面，钢管砼截面会受到钢管规格的限制。从钢材订货来看，工字型截面更为方便。建筑结构用钢管可采用无缝钢管、螺旋焊接钢管和直缝焊接钢管。无缝钢管质量当然最好，但价格较焊接钢管贵20％以上，所以，从经济角度尽量采用焊接钢管。焊接钢管是用钢板或钢带经过卷曲成型后焊接制成的钢管，由于制作过程中钢板的弯曲、扭曲，焊接产生的残余应力等不利因素，焊接钢管强度一般来说低于无缝钢管，但在规范里强度取同样的数值，对设计人来说没有区别。另外，随着优质带钢连轧生产的发展以及焊接和检验技术的进步，焊缝质量不断提高，焊接钢管的品种规格日益增多，并在越来越多的领域代替了无缝钢管。在焊接钢管中，螺旋焊管的实际强度一般比直缝焊管高，但这一点对设计人强度取值时没有区别。通常，较小口径的焊管大都采用直缝焊管，大口径焊管则大多采用螺旋焊管。（2）制作和安装方面工字型截面制作需要钢板的下料、焊接、校正等工序，而钢管砼截面由于钢管一般为成品采购，虽然在肩梁和柱脚处需要局部加厚，但工字型截面相比，构造相对简单、焊缝少，制作方便。钢管内砼一般采用现场浇筑，存在现场湿法作业，这一点不及工字型截面工厂化程度高。而且，混凝土浇筑后，由于砼需要一定时间的养护，在达到设计承载能力之前，不能承受较大的荷载。在砼养护期间，吊车无法使用，而现场通常需要吊车来配合土建施工和设备安装，在这方面不及工字型截面柱在安装后可以立即投入使用。同时，由于需要现场浇筑砼，存在冬季施工的问题，虽然可以采取一些冬季施工措施，但考虑到厂房柱结构的重要性，还是应尽量避免。（3）结构性能在钢管混凝土柱中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度；钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲。钢管混凝土柱的承载力高于相应的钢管柱和混凝土柱承载力之和。另外，钢管混凝土柱耐撞击能力、抗震性能及耐火性能要好于工字型柱。（4）经济性能根据钢管混凝土设计规范的说法，钢管砼柱要比一般钢结构柱节省钢材50％左右。对于厂房阶形柱来说，由于上段柱均采用工字型截面，下段格构柱可以分别采用钢管砼柱或工字型截面柱，因而节省用钢量的部分只是下段柱。通过一些工程的比较，采用钢管砼柱的厂房柱子系统总体用钢量可以比采用工字型截面柱节省15％以上。但是，按现在钢材市场行情，焊接钢管的价格要比钢板贵10％以上，同时，钢管砼需要现场浇筑砼，砼的材料、施工成本也应该计入造价。从钢结构涂装成本来说，由于钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受腐蚀面积比工字型柱少得多，防腐费用也要相对节省。总体上来说，钢管砼柱经济性相对较好。6.柱脚固定方案厂房柱脚通常采用锚栓固定或插杯口方式，相比较而言，锚栓方式更易于柱子的就位和调整。对于轻型刚接柱脚（例如门式刚架），锚栓方式的柱脚构造并不复杂，但用钢量相对节省，所以通常采用锚栓固定方式；对于重型刚接柱脚（普通工业厂房），柱子断面一般较大，插杯口方式相比带有靴梁靴脚的锚栓固定方式，设计和构造简单、受力性能好、节省钢材，在柱子的安装调整方面并没有很大影响。以前，在宝钢项目中，也曾采用过锚栓套筒方式，即锚栓可以在套筒里调整，它的造价要高于普通直埋锚栓方式。这样设计主要考虑宝钢地区是淤泥质土，地基条件很差，厂房使用一些时间以后，可能发生柱子不均匀沉降进而影响吊车运行，所以考虑通过锚栓的上提或下降来调整柱底标高，将锚栓设计成可活动，即锚栓套筒方式。实际上，宝钢建厂二三十年来，从未发生过调整柱底标高的情况，所以在2006年设计宝钢UOE工程时，宝钢针对锚栓套筒专门发来会议纪要，明确要求在UOE设计时，不采用锚栓套筒方案，而采用直埋锚栓方案。7.厂房用钢量优化设计问题工业钢结构厂房房设计时，经经常要考虑虑优化设计计问题。优化化设计，从从广义上说说，应该是是在钢材订订货、结构构制造、构构件运输、现现场安装、外外观效果和和经济节约约等各种指指标之间达达到一个最最优化的平平衡点；一一般来说，就就是追求经经济节约，即即用钢量最最省。怎样做到用钢量量最省呢？？仅靠“抠”结构应力力，“抠”荷载数值值是不够的的。从规范范角度来说说，我国规规范的特点是法法规不多，基基本为强制制性规范，指指南性规定定较少，满满足规范要要求是最低低标准；从从制造施工工角度来说说，难免存存在疏漏与与偏差。因因此，一般般在设计上上应留有余余地，国外外很少有完完全仅满足足规范要求求的设计，把一切潜力都“抠”得经不起一点风浪。所以，一个经济合理的设计，不是靠“抠”设计来取得，而是在吃透规范来龙去脉的基础上，在方案上先进，从大处节省，具体到杆件、节点设计应留有余地。对单单层工业厂厂房来说，由由于厂房跨跨度，轨面面标高等重重要参数均均由工艺确确定，可能能的话可以以与工艺协协调经济柱柱距、大吨位吊吊车的行驶驶范围或者者重级工作作制时最大大吊车轮压压（验算疲劳劳用，小于于工艺提的的最大轮压压）等，降低低用钢量。另另外，在由由强度控制制时，由于于Q345钢比Q235钢强度高30％以上，但但价格不超超过10％，这时材材料应采取取Q3455钢