轻钢结构仓库在物流业的应用

轻钢结构建筑在仓库物流行业的使用近十几年来，门式刚架轻型房屋钢结构作为一种结构形式简单，加工，运输，安装方便，建设速度快的建筑形式，在很多行业得到了大量的使用，本文主要是对于我们公司在物流运输行业的钢结构设计方面的作一个介绍和探讨。对于一般的单层物流仓库而言，业主一般都希望跨度大，柱距大，货架或货物能够放置得多；另外目前一般货架都是由专业生产厂商提供的标准货架，这样对于门式刚架轻型钢结构房屋来说，就有跨度和柱距布置灵活的优势；另外建设周期短，施工现场环境好，同时由于结构自重轻又减少了建筑物的基础处理费用。因此在造价价上，功能上，环境等方面综合考虑，轻型钢结构的优势就显得非常突出。目前这类建筑的钢结构设计必须满足的规范标准主要有：建筑结构设计统一标准GB500688建筑结构荷载规范GB50009钢结构设计规范GB50017冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018建筑抗震设计规范GB50011门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102钢结构高强度螺栓连接技术规程JGJ82建筑钢结构焊接技术规程JGJ81钢结构工程施工质量验收规范GB50205建筑设计防火规范

GBJ50016钢结构工程施工质量验收规范

GB

50205钢结构工程质量检验评定标准

GB

50221（所列规范中没有写修订年份主要是规范的更新处于常态化，结构工程师需要随时了解最新动态；）设计中首先必须了解业主和建筑设计及相关专业设计的意图，以满足建筑工艺要求为前提，安全第一，把经济性和结构方案和材料配置相结合，同时要考虑到加工，运输，安装的费用和便利性。在所设计的这些仓储物流项目中，建筑上一般建筑设计已经确定了跨度柱距，净高等，但也有不少项目我们在前期就已介入，特别是技术支持那一方面，这样便于我们提前了解项目的工艺物流情况，特别需要了解目前的货架的尺寸，按货架标准提出经济跨度和柱距的参考意见，特别需注意的是如果不按货架的模数尺寸，反而造成浪费；另外作为仓储物流建筑一般都有较多的大门，用于货物进出，门的形式有平开门，提升门和推拉门，还有人员进出的小门，雨篷等；一般物流仓储都会有一个大雨蓬，便于雨天也能进出货物，同时还会有一些高窗，有的也有通风器楼等。这些方面在结构设计时有不少针对性的做法需要注意，比如提升门和推拉门是否会和雨篷结构相碰，比如大雨蓬的内天沟和墙面围梁布置，高窗结构是否会有冲突，是否会影响墙面防水；转角雨篷的结构是否合理；雨篷上的高低屋面的局部积雪是否考虑；通风气楼的位置下是否有结构件影响，等等的综合问题需要仔细考虑后在难以结构专业自行解决时同建筑设计和业主进行有效的沟通找到合理的解决办法。在与相关水，电，通风专业的协调中，主要是要了解悬挂在钢结构上的荷载状况，详细的数据及如何连接的节点详图，了解所有的进出水管，落水管，排水天沟，落水管的要求，有没有消防喷淋，喷淋次管一般可以直接挂在檩条上，只要檩条的设计荷载考虑到使用情况，喷淋主管一般直径较大，重量也要每米几百公斤，要了解最大悬挂间距多大，是否要设悬挂架，还是局部檩条特殊加强，但这样就要做到让现场容易识别，哪些是加大的檩条可以悬挂主管；另外净高的取值是否满足相关工艺要求；天沟要了解是否有虹吸要求，如有虹吸要求是否和专业厂家已经协调，关键要了解天沟大小尺寸，特别是天沟的深和宽，溢水口位置大小数量，落水斗的尺寸，设置数量情况，很重要的事是有虹吸的排水管一般尺寸较大，结构设计时要考虑悬挂荷载；电缆桥架一般比较重，按照相关工艺要求，特别在桥架的进出口位置，可能电缆集中局部荷载很大，需要结构设计特别关注如何处理，同时要了解桥架本身要求的悬挂点的间距，位置等；通风设备主要要了解是否有屋面悬挂空调机，排风机，屋面上是否有空调设备，通风机是否需要特别的支座，这些设备的荷载数据，特别是运行时的荷载数据，要考虑设备震动影响，设备安装时的路径是否影响其他位置的结构，安装时一般采取临时措施保证结构安全，同时结合建筑专业，是否有采光板，通风采光天窗等，是否需要设置支座梁，要同相关专业厂家配合，分工明确，避免扯皮；上述所有相关专业的荷载资料中也要了解是否已经包括挂架，支座等的结构自重，这一点也非常重要。目前我们所设计的这类建筑结构中，跨度一般在18米~30米、比较经济常用，柱距在6~9米比较常用；檐高9~12米。在横向刚架结构设计计算时应该考虑建筑设计选用的各种材料的自重，特别是墙体材料，要考虑到一般彩板墙和砌体墙的侧移控制不一样，砌体墙侧移控制要严格一点，防止墙体开裂，影响美观并容易漏水；在结构计算时还需要考虑墙体质量的抗震作用；在钢架梁的设计中除考虑强度，稳定外还要特别注意挠度控制，特别是在有屋面设备的位置，要了解和考虑设备本身对屋面梁的挠度要求；同时对剖度平缓的屋面要考虑产生挠度后的排水积雪影响；在纵向结构设计时，要设置合理的支撑系统，计算时除了考虑风荷载的同时，也要考虑到抗震，特别是砌体墙（包括内墙和外墙）的质量对抗震的影响，除控制合理的强度稳定变形外，也需要考虑砌体的变形控制，防止砌体开裂。在屋面梁设计时，按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102》隅撑可以作为屋面梁平面外的侧向支点，这在一般情况是没有问题的，但是在有屋脊气楼开口大于一般的隅撑间距时，屋面梁这个部位的平面外计算长度需要另外设置平面外计算长度；同时如果跨度较小，荷载较小，这种情况下可能梁截面也很小，如果檩条和屋面梁的连接是用梁翼缘开孔方式时，需要考虑强度设计时的净孔削弱；同时设计时还要考虑到工厂的加工便利和运输条件，考虑合适的分段，分段点尽量选择在受力较小部位，还要注意拼点位置不要和檩条，系杆相碰。关于隅撑设计，一般设计院的设计习惯用一个标准的角钢作为隅撑，这在一般项目的情况下问题不大，但在某些梁截面大的项目中是不一定能满足的；按门式刚架标准的公式6.1.6-1隅撑按轴心受压构件设计；N=Af/(60COSθ)(fy/235)-1成对布置时每根隅撑的计算压力可以减半；在我们公司的设计标准中有具体设计指导文件参考。关于钢柱的设计，在一般性的此类项目设计时，平面外的计算长度也是根据隅撑的位置，取隅撑间的距离作为平面外的计算间距；但是在物流仓储建筑设计时，可能有一个墙面全部用于进出货，这样可能整个墙面的每个柱距间都有较大的开口的门，这时必须结合墙面的围梁设计，综合考虑才能确定合适的隅撑位置；在很多物流建筑中，为便于管理，通常在四角或中间边跨的局部，设有1~2间，单跨的小夹层，这些夹层通常作为办公室用，一般设计中，夹层以下部位要求用钢结构和抗震规范来考虑，同时夹层上部的分隔墙体，吊顶以及夹层平台的墙面也要重视，用轻钢隔断时要考虑钢结构的连接，用砖墙时要考虑砖墙荷载，抗震影响，以及砖墙和钢结构间的连接；另外需要注意的是，在STS平面建模计算刚架时，程序是不会考虑节点，拼板的局部设计，这些部位需要另行节点计算，而程序自带的节点计算同目前的常规做法又有很多不一样的地方，这些需要设计工程师另外进行设计计算的。抗风柱：抗风柱设计有二种情况，一种抗风柱按梁柱形式设计，即抗风柱在抵抗水平风荷载的同时还承受屋面梁的垂直荷载，抗风柱设计的平面内外的计算长度的平面内外不要和柱的强轴弱轴相混淆，抗风柱的平面内计算长度是指柱高，一般情况是无法改变的，除非中间部位另设抗风桁架，抗风柱的平面外在刚架平面内，计算长度可以按隅撑的位置来调整；另一种是边刚架也按中间刚架设计，抗风柱只承受水平风荷载，此时必须要考虑厂房的中柱在抵抗山墙方向的水平风荷载是在柱弱轴方向，一般按公司标准要求贴一个T 或做成十字形柱；无论是哪一种抗风柱的形式，变形控制也同柱设计一样要考虑墙面的材料，特别是梁柱形式的抗风柱，如果变形太大，屋面垂直力还会有一个P-Δ效应，因此变形不能太大。支撑系统设计：支撑系统主要是要有一个完备的体系，一般的仓储物流建筑没有行车系统，所以屋面水平支撑系统比较简单，特殊的地方时在抽柱的位置需要设置纵向水平支撑来传递水平力，需要注意的是檐口，屋脊必须设置刚性系杆，在支撑区段里的压杆也为刚性系杆，如果柱距较大，刚性系杆截面会比较大，此时设计计算时不能忽略自重引起的垂直向的弯矩变形，如果屋面水平支撑不设在第一间，那么抗风柱位置对应的必须要有可靠的刚性纵向系杆以传递水平力；另外目前在这类轻钢结构的设计中屋面支撑和原单层厂房很大的区别在于原来的单层厂房的屋面水平支撑一般只设置的一个区段的二端，而轻钢建筑由于纵向伸缩缝可以做到300米，而一般3~4个柱距设置一道支撑来抵抗纵向水平荷载，这样其实在第1道支撑后的节点位置的系杆并不全是传递拉力的，有相当一部分压力也传递到第1道支撑后的系杆，因此在系杆布置时不能像原来的单层厂房一样在水平支撑间用柔性系杆，如果用屋面檩条替代就必须要考虑檩条的压力，这在STS的檩条设计的工具箱中有考虑，请勿忽视。另外在相对应的位置设置柱间支撑，常因物流行业可能有一个墙面在很大的范围内是不能设置X形支撑，因此可能会有很大部分，甚至全部只能用全部用门式支撑，这实际上就是一个纵向框架，这样的结构设计就类似双向框架。需要注意在一般不大的建筑中支撑用圆钢拉杆就可以算够，在此提醒一下设计圆钢的强度用的应力比做到170*0.785/215=0.62;如果是角钢支撑，请不要忘记单角钢0.85，连接无垫板0.85，施工条件差0.9，这样0.85*0.85*0.9=0.65(门3.3.1钢3.4.2)，另外要注意的是角钢焊接连接时，肢尖，肢背的受力分配系数不一样，这一点在结构设计时要记住。悬挂结构：在仓储物流类的建筑中，悬挂结构相对比较简单，一般的消防喷淋次管不重，可以直接悬挂在结构檩条上只要檩条设计时考虑荷载即可，但相对主管和电缆桥架就需要专门设置悬挂结构，一般此处需要用型钢来替代部分檩条用于悬挂主管和桥架，这部分的设计还要和具体的专业相配合，同时现场的安装也要很明确，另外需要考虑的悬挂结构的本身自重；对于轻钢屋面檩条和围梁设计一般荷载比较小，用STS比较容易计算，但是设计时也有几个地方容易忽视；1.挂天沟的檩条，需要考虑天沟和积满水的重量，特别是内天沟；2.在女儿墙边，高低跨的低侧需要考虑局部积雪荷载，按2012版的荷载规范，局部积雪比原规范增加很多；3.在沿海风荷载控制的地区需要考虑边区，角区的体形系数增大；4.在局部办公楼区域如果有吊顶屋面变形控制也需要按规范要求控制；5.檩间拉条，斜拉条的设置必须满足薄壁型钢规范的要求，对于连续檩条按8.2.2需要上下都设置拉条和撑杆；在围梁设计时，按薄壁型钢规范每5道要增设一道斜拉条，在开有通长或大的窗时，窗下也需另设置斜拉条；局部夹层设计：局部夹层的位置在夹层以下的按钢结构设计规范和相应的抗震规范设计，这是目前审图的要求，在有夹层的部位对抗震要求基本不得放松；另外需要注意的是办公夹层上面的分隔墙面材料，卫生间荷载都必须了解清楚，以满足业主和建筑设计的要求；对于部分仓储物流业的项目大柱距应用也比较多，如果柱距大于10米时，在支撑系统设计时，如果还用檩条兼作系杆时，檩条计算的轴压力要仔细复核，在大于12米时，如果檩条截面选用不足够大，就需要特别设计系杆；有部分大柱距用桁架式檩条，这样支撑系统特别是系杆也需要特别设计；大柱距方案中为提高结构整体性建议增置纵向屋面水平支撑；另外边柱如果间距较大，围梁计算就不容易算够，这时应该设置墙柱来满足墙面设计的要求；目前做的比较多的项目中有提升门，按照目前公司和现有联系过的提升门厂家合作的要求，门框材料不得小于120X4的方钢管，小于此尺寸，提升门构件无法安装，但我们结构设计时还要计算抗风是否满足，不满足时可以加大截面，但不得比120X4截面小；对于一些推拉门的项目，前期一定要了解清楚承重结构在上部梁上，还是在地面上，这对于设计门框梁完全不一样，同卷帘门也不一样；如果全部在门重全部悬挂在门框梁上，此门框梁设计要考虑风荷载，门重，门重引起的门框梁的扭矩，同时要结合雨篷梁位置，雨篷的内排水天沟设置，搁置此内天沟的檩条围梁，除强度，变形外要考虑防水是否可行；关于雨篷，一般项目的小门1.8米以内悬挑小于1.5米，公司有标准次结构的雨篷，在北方地区要设当加强，考虑雨篷上局部积雪荷载的影响；但物流项目中有许多大的悬挑雨篷，通长设置，悬挑12米，这些雨篷在北方要考虑局部积雪的影响，建议参见近年关于局部堆雪方面的论文，在沿海地区要注意局部悬挑的风体型系数，严格按照12年荷载规范执行；同时我们也注意到有很多进出集装箱的门另外设置门封，这样我们感觉雨篷悬挑太大意义不大，人员均在室内作业，这些前期是否应该可以和业主设计院事先沟通，既节约业主造价，又可以不让雨篷设计成为结构考虑的难点；上面这些内容只是这几年遇到的这类项目设计时所经历遇到的几种情况的复述，也不是很全面，在设计中也有各种其他想法和建议，方法很多无法一一细述；就结构设计而言，我们认为除按照规范要求进行结构计算以外，必须考虑结构的构造设计要求，抗震概念设计，以及一些结构的基本措施等；总之虽然结构设计属于比较传统的行业，但近年新技术新材料