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第 43 卷 第 3 期 2013 年 2 月上 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 3 Feb． 2013 福田汽车钢结构工业厂房设计审查要点分析 邓藩荣， 冯廉 中国中元国际工程公司， 北京 100089 ［摘要］以福田汽车大型工业项目为例， 对钢结构工业厂房结构设计审查中的国家规范标准参数取值、 主体结构 安全性、 支撑体系的稳定性等一系列要点问题进行分析， 并提出相关审查要点， 为相似工程的设计和审查工作提供 有益的参考。 ［关键词］单层工业厂房;门式刚架;抽柱排架;托架;隅撑 中图分类号 TU27， TU318. 2文献标识码 A文章编号 1002- 848X 2013 03- 0117- 05 Analysis on design review keypoints for FOTON steel- structural factory building Deng Fanrong，Feng Lian China IPPR International Engineering Corporation，Beijing 100089，China Abstract Taking the FOTON project for example，a series of key issues in the process of reviewing the design of steel- structural factory building were discussed，including parameter selection of code，safety of major structure and stability of braces． And design reviewing keypoints are given through analysis and discussion，which could provide beneficial reference for similar engineerings． Keywords single-story factory building;portal frame;bent with local deleted column;bracket beam;knee-brace 作者简介 邓藩荣， 教授级高级工程师， Email Dengfanrong ippr． net。 0引言 北汽福田汽车股份有限公司近年来分别在北京 市怀柔、 昌平、 密云及河北省承德等地， 建设多项大 型汽车工业项目 100 多万 m2， 主体均为钢结构工业 厂房， 屋面和墙面均为轻型薄壁檩条加保温压型彩 板， 抗震设防烈度分别为 6 度、 7. 5 度、 8 度， 场地类 别为Ⅱ类和Ⅲ类。审图时分成两大类型 一是无吊 车工业厂房， 计有成品、 废料、 仓库等， 一般为单跨和 多跨门式刚架或钢框架结构; 二是有吊车工业厂房， 计有热加工铸造、 清理等车间， 还有冷加工总装、 分 装、 联合、 配料等车间， 基本上采用单层多跨工业厂 房的刚架。该项目设计工作由多家设计院承担， 彼 此间的设计方法、 技术条件、 控制指标均有较大差 别， 增加了项目审查难度。 1无吊车工业厂房的审图要点 无吊车工业厂房分成两类审查， 第一类是高度 在 10m 以下， 且钢柱、 钢梁为变截面， 柱脚为铰接 图 1 a ， 一般按门式刚架轻型房屋钢结构技术 规程 CECS 102 2002 ［1］ 以下简称门刚规程 审查， 并 参照国家 建 筑 标 准 设 计 图 集 02SG518- 1 ［2］ 以下简称图集 02SG518- 1 执行; 第二类是 高度在 10m 以上， 且钢柱、 钢梁均为等截面， 或钢梁 是变截面， 柱脚为刚接形式 图 1 b 。对此类型， 除参照门刚规程 审查外， 亦按建筑抗震设计规 范 GB 500112010 ［3］ 以下简称抗震规范 中的单层钢结构的有关规定采取加强措施， 对第一 类、 第二类厂房还根据全国民用建筑工程设计技 术措施 2009 年版 ［4］ 以下简称技术措施 参 照执行。主要控制指标见表 1。 图 1无吊车工业厂房的分类 无吊车厂房主要控制指标表 1 类别柱顶位移屋面斜梁挠度构件长细比 门式刚架 H≤10m Δ≤1 /100 ～ 1 /80 f≤1 /180 无吊顶 f≤1 /240 有吊顶 柱 λ≤180 其他 λ≤220 门式刚架 H ＞ 10m Δ≤1 /200 ～ 1 /150f≤1 /250 柱 λ≤150 其他 λ≤200 注 H 10m 是 图集 02SG518- 1 的界定条件。 2有吊车工业厂房的审图要点 有吊车工业厂房也分成两大类 第一类是吊车 起重量 Q≤20t 的工业厂房 图 2 a ， 柱梁为 H 形 等截面或梁为 I 形变截面， 柱脚刚接， 柱高在 13. 0m 以内， 审图时按国家建筑标准设计图集 04SG518- 3 ［5］ 以下简称图集 04SG518- 3 标准执行; 第二 类是吊车起重量 20t ＜ Q ≤50t 的工业厂房 图 2 b ， 柱梁为等截面， 或梁为变截面， 柱脚为刚接， 建筑结构2013 年 柱高大于 13. 0m， 审图时严格按钢结构设计规范 GB 500172003 ［6］ 、 抗震规范 及门刚规程 执行， 还参照技术措施 执行。主要控制指标如表 2 所示。 图 2有吊车工业厂房的分类 有吊车厂房主要控制指标表 2 类别柱顶位移屋面挠度构件长细比 Q≤20t Δ≤1 /400 风 Δ≤1 /300 地震 f≤1 /360 ～ 1 /300 柱 λ≤120235 /f 槡 ay 其他 λ≤200 20t ＜ Q≤50t Δ≤1 /400 风 Δ≤1 /300 地震 Δ≤1 /1 2501 f≤1 /400 ～ 1 /360 柱 λ≤120235 /f 槡 ay 其他 λ≤200 注 1 吊车轨顶位移值 Δ≤1 /1 250， 仅适用于一台 A7， A8 工作 制吊车的标准水平刹车力情况; 2 Q 20t 是 图集 04SG518- 3 的界 定条件; 3 fay为钢材屈服强度。 3结构计算应用程序的分析结果审查 1 采用 PKPM 平面建模、 平面导荷载， 切榀形 成横向平面刚架或纵向平面刚架。只按平面刚架的 计算结果， 不采用空间三维分析计算结果。 2 平面刚架分析， 一般采用建研院编制的 STS 钢结构排架计算软件， 而新版 STS 软件已考虑了 抗震规范 中的钢结构的低延性、 高弹性承载力的 性能设计。考虑钢结构制作、 施工的不利因素， 对于 屋面梁的应力比宜控制在 0. 90 左右， 对于钢柱的应 力比宜控制在 0. 95 以下。 3 对于工业厂房刚架的风荷载体型系数 μs， 在审查风荷载输入计算时应引起重视， 根据钢结 构设计手册 ［7］的意见， 建议一般刚架为 L 0/h≤4 时， 门式 刚 架 宜 采 用建 筑 结 构 荷 载 规 范 GB 500092012 ［8］ 简称荷载规范 的 μ s， 这样才 能更有效保证刚架设计的安全。 4 对于特殊的刚架， 如 柱网布置不规则刚 架、 抽柱刚架、 具有主次梁的托梁刚架等， 均按真实 的受力状况进行审查。 5 有非标准吊车梁时， 应按专用的吊车梁程 序计算， 当吊车工作制为 A7， A8 时则要求进行吊车 梁的疲劳验算。 6 对于大吨位吊车， 当 Q≥30t 并有制动结构 时， 均应审查验算制动板和制动桁架的应力 包括 平面内和平面外的稳定应力等 ， 计算程序可采用 PKPM 或理正软件的工具箱， 应力比控制在 0. 90 以 下， 压杆长细比满足 λ≤200。 7 对于工业厂房柱、 梁钢结构 H 形截面， STS 软件分析时会提及柱梁腹板高厚比 h0/tw和翼缘宽 厚比 b/t， 若不满足抗震规范 9. 2. 14 条条文说明 表 6 的限制时， 软件会提示超限， 此时应引起重视和 加强。 4钢柱脚基础审查 钢柱脚基础一般采用钢筋混凝土独立基础较 多， 也可采用钢筋混凝土条形基础， 如半龙门吊的基 础可做成条形基础， 审查时一定要注意车间地面荷 载的影响， 在检查基础最大应力时应考虑地面荷载 产生的附加应力进行核算。 独立基础审查时， 应十分注意基础台阶的宽高 比， 应满足 b/h≤2. 5， 否则应提高台阶的高度 h。对 地基承载力的修正， 有两种不同公式应加以区别 1 fa fka η bγ b － 3 ηdγ0 d － 1. 5 适用于北 京地区， 详见北京地区建筑地基基础勘察设计规 范 DBJ 11- 5012009 ［9］; 2 f a fak η bγ b － 3 η dγm d － 0. 5 详见建筑地基基础设计规范 GB 500072011 ［10］ 。 条形基础一般按弹性地基梁， 并采用专业程序 计算。车间围护墙体的地基梁应设在冻土层下或采 取防冻胀的措施， 对于车间大门处的地梁应断开， 否 则应验算汽车荷载的作用影响。 北汽福田项目的独立柱基础大多采用 CFG 复 合地基处理， 在审查时则严格明确施工单位应具备 的施工资质和业绩要求， 并对 CFG 处理后的地基承 载力和变形提出要求， 一是柱基础的最终沉降值 Δ ≤50mm， 二 是 两 个 柱 基 础 的 沉 降 差 值 满 足 规 范 0. 002 倾斜率要求。 5结构体系的稳定性审查要点 轻屋盖单层工业厂房钢结构无抗震等级， 但应 考虑结构体系稳定性及不同抗震设防烈度的构造措 施， 因此审查时要参照抗震规范 表 9. 2. 12- 2 执 行。审查内容包括 上弦水平支撑 横、 纵 、 上弦的 通长系杆、 柱间支撑、 隅撑、 山墙支撑等。 对于结构体系的稳定性审查， 将工业厂房分成 两种类型 第一类是无吊车厂房和 Q≤5t 的厂房， 因 为无吊车或吊车吨位小， 其纵、 横向吊车的工作振动 影响亦小， 此时的屋面支撑体系可放松些， 可参照 图集 02SG518- 1 执行; 第二类是有吊车且 Q≥10t 的工业厂房， 因吊车的横向与纵向刹车力影响较大， 屋面支撑体 系 也 应加强 一些， 此时可参照图集 811 第 43 卷 第 3 期邓藩荣， 等． 福田汽车钢结构工业厂房设计审查要点分析 04SG518- 3 执行。 屋面支撑体系设置原则是增加屋面整体刚度， 有效传递吊车刹车力等水平荷载， 并保证屋面在安 装和使用时的稳定性， 屋面支撑设置应该注意以下 问题 1 屋面体系的纵向两端和中间要设置横向水 平支撑， 并与柱间支撑的设置相对应。 2 屋脊处应设置通长的纵向刚性系杆。 3 屋面跨度大于 15m 时应在跨中 或横向水 平支撑交点处 设置一道通长的系杆 无吊车时可 设置受拉系杆; 有吊车且 Q ＞ 5t 时宜设置受压系杆。 4 有托架时或抽柱区域应沿纵向设置局部或 通长的纵向水平支撑。 5 跨度较大且 Q≥16t 以上时， 应设置由横向 水平支撑及水平系杆组成的屋盖支撑体系， 此时要 求 1 相邻横向水平交叉支撑之间沿厂房纵向设置 多道通长系杆， 以保证屋面梁的整体稳定， 并有效传 递吊车产生的水平力， 一般不应省略; 2 应慎重选 用张紧圆钢作为水平交叉支撑， 一般仅在 6 度区、 无 吊车 或 Q≤5t 且屋面荷载较小的较低门式刚架中 使用。 柱间支撑设置时一定要与屋面的横向水平支撑 相对应， 当 Q≥10t 时， 审图要求 1 应有吊车纵向水平力和风荷载下的柱间支 撑的验算， 并控制柱间支撑的长细比 λ≤200。 2 柱间支撑作为钢结构车间的温度区段考虑 时， 则要求车间中部应设置上柱支撑和下柱支撑， 若 遇车间大门有碍时则应设置下柱的门式支撑或允许 适当偏移， 对于车间结构温度区段的纵向两端， 因为 是温度区段的自由伸缩区， 则要求仅设置上柱柱间 支撑即可。对于山墙柱支撑则视山墙宽度和高度， 参照图集 02SG518- 1 和图集 04SG518- 3 执行。 审查轻型钢结构的隅撑设置时， 可将隅撑分成 屋面梁的隅撑和钢柱的墙檩隅撑两类 1 屋面梁的隅撑， 一般是按屋面檩条的间距 来确定的， 审查时需根据计算书中屋面梁的 Ly值加 以判断。 2 外钢柱柱顶的檐口处， 应在柱顶内侧设置 一道墙檩隅撑以提高钢柱稳定性， 此时还要看门钢 柱的 Lx和 Ly的计算取值， Lx取钢柱全长 系数， L y则 取墙檩条的间距。 3 若属于有吊车的厂房刚架柱， 隅撑设置时 则要审查钢柱计算时 Lx和 Ly长度取值， STS 软件对 Lx和 Ly都有定义; Lx取钢柱全长 系数， Ly的取值如 下 当 Q ＜ 10t 时， Ly可取墙檩的间距， 因为吊车纵向 工作的影响较小; 当 Q≥10t 时， 柱子平面外的稳定 靠墙檩隅撑是撑不住的， 此时 Ly不取墙檩间距， 应 取吊车梁 牛腿处 至柱脚及柱顶的距离 H1， H2 ， 即 吊车梁才能作为柱子平面外的上柱和下柱的纵向支 撑点。有许多设计单位， 往往取墙檩的间距来控制 柱子平面外的长细比 λ， 这是不够的， 应取吊车梁的 纵向支撑作用才可靠。 6抽柱刚架和弹性支座托梁的审查 因工艺布置的要求， 往往要在边柱或中柱拔掉 几根柱子， 这就是工业厂房普遍存在的抽柱刚架。 因为工业厂房一般不做空间工作分析， 只做平面刚 架分析， 因此， 如图 3 所示， 在处理抽柱刚架计算时， 存在如何简化抽柱展开刚架的问题 因部分设计单 位不熟悉抽柱刚架的荷载计算， 特作详细说明 。 图 3抽柱刚架平面示意图 在处理主、 次刚架时， 研究范围一般取 2 6m 柱距间斜线范围， 因为假设屋面刚度 EJ ∞ ， 在水 平力作用下各个柱顶位移都相等， 可以将图 4 简化 成图 5 所示刚架进行计算。 计算关键是吊车荷载的轮压反力取值的确定， 图 4简化前的 2 跨刚架 图 5简化展开后 4 跨刚架 911 建筑结构2013 年 现以 24m 跨的吊车荷载为例 2 台吊车轮压 图 6 则作用在 4 跨展开刚架的左大、 右小吊车作用 力 PA1 R2， PA2 R1 R3 /2， PB R4。反过来 轴小轮压， 轴大轮压， 又有一组左小、 右大的 PA1， PA2和 PB值。同样可以求出轴的水平刹动力 考 虑吊车的卡轨作用 的 TA2， TA1和 TB， 对于抽柱展开 刚架， 审图时一定要认真复核输入的主、 次刚架牛腿 节点处荷载的正确性。 若不熟悉抽柱展开刚架， 也可按照图 7 作简化 处理， 图中 PA1， PB， PC1的取值参照展开刚架的轮压 反力值。 图 6轮压反力示意图 图 7主、 次刚架示意图 但在次刚架计算时轴托架梁的支座沉陷必须 输入计算才正确。至于托架处的支座竖向位移值可 事先按单跨或多跨连续梁来确定。取轴的托架 梁， 计算简图如图 8 所示。 图 8轴托架梁竖向位移计算简图 图 8 中 P 为屋架梁的集中力， 按计算图计算出 在集中力 P 作用下的垂直位移 Δ， 此竖向位移 Δ 即 为次刚架的轴弹性支座的竖向位移值。 对于有多级的屋面主、 次梁的结构， 审图时则建 议可以按屋面的平面交叉梁系结构来复核， 此时可 以得到精确的主、 次梁 托架、 屋架 的支点沉陷值。 目的是保证托架支承屋架处的沉陷值， 在规范的限 制内， 不致出现屋面“锅底” 积水现象。另外审图时 还要求主、 次梁屋架的相邻中心挠度值倾斜率控制 在 0. 002 之内。 7重要节点连接的审查 厂房连接节点是实现结构安全、 稳定的重要因 素， 一般包括以下几方面内容 1 柱顶节点 无论柱顶连接采用何种形式， 均要求验算柱梁 相交节点域的剪应力， 当不满足要求时一律要求加 厚节点腹板和增设斜加劲肋板， 常见的连接方式如 图 9 所示。 图 9柱顶节点 2 牛腿节点 牛腿则要求吊车轮压和吊车刹动力的抗剪验 算， 并要求设置相应的加劲板， 常见的构造如图 10 所示。 图 10牛腿节点 3 柱脚节点 外露式柱脚需验算柱底水平抗剪承载力， 承载 力不足时应要求增设抗剪键并预留槽口， 如图 11 a 所示。插入式柱脚利用钢柱和混凝土基础间的 握裹力将柱脚内力 N， M， V 传递给基础， 审查时应 要求柱脚满足规范最小埋深要求， 如图 11 b 所示。 该柱脚形式常应用于有大吨位吊车的工业厂房。 4 抗风柱顶节点 抗风柱一般用于承受围护结构传来的水平风荷 载作用， 理论上与屋架或屋面梁之间只传递水平力、 不传递竖向力， 为保证屋架或屋面梁在水平力作用 下的侧向稳定性， 一般要求抗风柱与屋盖水平支撑 结合设置， 如图 12 所示。 021 第 43 卷 第 3 期邓藩荣， 等． 福田汽车钢结构工业厂房设计审查要点分析 图 11柱脚节点 图 12抗风柱顶节点 5 托架与屋面梁连接节点 屋面梁直接支承在托架上时， 应在托架和屋架 之间设置隅撑， 如图 13 a 所示， 以增加托梁平面外 的稳定性。屋架与托架的平接形式较常见， 如图 13 b 所示， 该连接方式有利于托梁和屋面梁的平面 外稳定性， 但应补充节点处的连接计算。 图 13托架与屋面梁的连接 8结语 钢结构的安全性和整体与局部稳定性是第一位 的， 决不能姑且放松。因为国内钢结构轻钢厂房在 施工和使用中， 曾发生过多次倒塌事故， 应引起高度 的重视。钢结构厂房的优化审查是第二位的， 在审 图中发现较多不符合规范规程和影响安全的做法， 经了解得知生产厂家为了节省造价， 降低了标准， 本 来不属于门式刚架范围的， 却片面选用门刚规程 作为设计依据。必须按国家钢结构现行规范、 规程 及北京市施工图审查要点审查， 分清门式刚架不同 高度时的设计要求， 分清抗震和非抗震的设计标准， 分清 吊 车 起 重 量 Q 大 小 的 影 响， 并 参 照图 集 02SG518- 1 和图集 04SG518- 3 执行。 参考文献 ［1］CECS 102 2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 ［S］． 北京 中国计划出版社， 2003． ［2］02SG518- 1 国家建筑标准设计图集［S］． 北京 中国 建筑标准设计研究院， 2002． ［3］GB 500112010 建筑抗震设计规范［S］． 北京 中国 建筑工业出版社， 2010． ［4］住房和城乡建设部工程质量安全监管司． 全国民用 建筑工程设计技术措施 ［M］． 2009 年版． 北京 中 国计划出版社， 2009． ［5］04SG518- 3 国家建筑标准设计图集［S］． 北京 中国 建筑标准设计研究院， 2004． ［6］GB 500172003 钢结构设计规范［S］． 北京 中国计 划出版社， 2003． ［7］ 钢结构设计手册 编辑委员会． 钢结构设计手册 ［M］． 3 版． 北京 中国建筑工业出版社， 2010． ［8］GB 500092012 建筑结构荷载规范［S］． 北京 中国 建筑工业出版社， 2012． ［9］DBJ 11- 5012009 北京地区建筑地基基础勘察设计 规范［S］． 北京 中国计划出版社， 2009． ［ 10］GB 500072011 建筑地基基础设计规范［S］． 北京 中国建筑工业出版社， 2012． 无锡机场二期航站楼“上梁” 重达 4. 6t 的钢桁架梁随着吊机缓缓上升， 无锡苏南硕放 国际机场二期航站楼扩建工程正式开始“上梁” ， 打造长三角 地区的区域航空枢纽。这是无锡最大钢结构建筑之一， 投用 后白天不用开灯， 十分环保。奥秘就在钢屋顶上， 屋顶上有 条形天窗， 共用了 9 条 70 多米长的采光带玻璃， 充分利用日 光照明， 白天即使在深屋子里也不需要开灯。据悉， 二期航 站楼大屋盖就有 400 多米长， 航站楼总高近 40m， 比一期扩建 了 2 倍。 开始 “上梁” 后， 预计到今年上半年即可完成土建工程封 顶， 下半年开始安装， 到今年年底基本建成。建成后的整个 机场年吞吐量相比现在的 300 万人次可达到 1 000 万人次， 增加 10 个登机桥， 10 个停机位， 单单晚上就能容纳近 20 多 架飞机在机场过夜， 大大提高机场的运营能力并改善旅客候 机环境。 苏南硕放国际机场二期航站楼扩建工程位于原航站楼 北侧， 总建筑面积约 6. 3 万 m 2。建成后一、 二期将有连接走 廊， 一期车道边将新增雨棚。入口门厅位于二期候机大厅左 前方。扩建航站楼平面构型为地上两层， 地下一层， 一、 二期 的连接走廊形成封闭通道。车道雨棚由多片莲花瓣单元组 成， 新航站楼造型设计上以 “怒放的莲花” 为概念。莲花做屋 顶不仅外形美， 而且可以更好地展现无锡的江南元素。莲花 不仅象征着优雅、 干净与清新脱俗的品质， 而且诗词中即有 “江南可采莲” 一说， 让人不禁遐想。建成后将为江苏第二大 机场、 长三角地区的区域航空枢纽。 121