黃一波

（武鋼建工集團(tuán)金屬結(jié)構(gòu)公司 湖北 武漢：430080）

單層鋼結(jié)構(gòu)廠房是常見(jiàn)的一種廠房，冶金企業(yè)的熱軋、冷軋、硅鋼等所用的廠房都屬于這一類(lèi)，門(mén)式剛架廠房也屬于這一類(lèi)。在門(mén)式剛架廠房中，如果吊車(chē)起重量、柱距等均超出了《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的適用范圍，計(jì)算時(shí)不能用《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，應(yīng)該采用的設(shè)計(jì)規(guī)范是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017－2003）。

冶金廠房生產(chǎn)工藝復(fù)雜，管線很多，一般是聯(lián)跨結(jié)構(gòu)，而且跨度大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，通風(fēng)和采光要求高。設(shè)計(jì)中，應(yīng)本著技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的原則。在材料選材上，所需要的鋼材應(yīng)立足于市場(chǎng)常見(jiàn)材料，在結(jié)構(gòu)選型上，應(yīng)力求簡(jiǎn)潔明快，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低用鋼量，不是結(jié)構(gòu)一個(gè)專(zhuān)業(yè)的事情。做好優(yōu)化，前提是在滿足各專(zhuān)業(yè)的具體要求，不能犧牲掉廠房的使用功能而所謂優(yōu)化。本文著重從經(jīng)濟(jì)適用這個(gè)方面討論結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。

1 確定廠房柱最經(jīng)濟(jì)的柱網(wǎng)布置

了解場(chǎng)地條件和總圖（包括道路特別是場(chǎng)內(nèi)道路布置），確定柱距。場(chǎng)內(nèi)道路寬度范圍內(nèi)不能布置柱子。根據(jù)軌頂標(biāo)高、輪壓、廠房高度、屋面荷載等重要參數(shù)并結(jié)合柱間支撐角度確定最合適柱距。

（1）關(guān)于柱間距。按照經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于軌頂標(biāo)高不高（12米～15米）、吊車(chē)起重量不是特別大的廠房，基本柱距為12米～15米左右，那采用12米柱距合適，還是15米柱間合適呢？針對(duì)具體工程，不同的場(chǎng)地條件、使用要求，由于沒(méi)有大量的數(shù)據(jù)對(duì)比，還不能說(shuō)15米柱距就比12米柱距整體耗鋼量小些。但是為了控制整個(gè)工程預(yù)算，在初步設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)就應(yīng)該與各專(zhuān)業(yè)溝通。比如對(duì)建筑專(zhuān)業(yè)應(yīng)提出要求，可用可不用天窗就堅(jiān)決取消天窗。如果一定要用，就建議采用自重相對(duì)較輕的成品通風(fēng)器，不要使用傳統(tǒng)天窗。屋面彩板在滿足使用年限的前提下盡量使用自重輕的材料，這樣達(dá)到降低屋面自重、擴(kuò)大柱距的目的，從而為進(jìn)一步降低整個(gè)工程造價(jià)提供了有利的條件。

總之，由于各工程具體條件與設(shè)計(jì)參數(shù)各不相同，在工藝與建筑等布置合理適用的前提下，結(jié)構(gòu)計(jì)算與控制指標(biāo)精益求精，采用12米柱距與15米柱距都是可行的。理想狀況是做到屋面梁與吊車(chē)梁的強(qiáng)度和撓度同時(shí)達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，在廠房縱向不長(zhǎng)時(shí)，柱距偏大，柱間支撐不好布置（往往結(jié)構(gòu)理想位置難布置，支撐角度又不好），廠房整體剛度偏不利，耗鋼量?jī)?yōu)勢(shì)體現(xiàn)不出來(lái)。

對(duì)于軌頂標(biāo)高（大于25米）和廠房高度較高廠房結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)主要由橫向剛度控制，采用12米或15米柱距恐怕就不經(jīng)濟(jì)了。很多廠房均采用基本柱距18米。

（2）少拔柱或不拔柱的情況。在方案與初步設(shè)計(jì)階段，如果能積極地了解工藝基本寬度要求，在場(chǎng)地容許與滿足工藝基本要求的前提下，完全可以做的少拔柱或不拔柱。要避免布置托架和大跨度吊車(chē)梁，大大增加用鋼量。所以少拔柱或不拔柱對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算與構(gòu)造、整體剛度與耗鋼量指標(biāo)的優(yōu)化有很大意義。柱距的選擇沒(méi)有必要堅(jiān)守3米的模數(shù)。模數(shù)的概念是由于以前采用標(biāo)準(zhǔn)的大型屋面板和墻板或砌體，現(xiàn)在廠房的建設(shè)方式變化了，都采用工廠或現(xiàn)場(chǎng)制作的鋼結(jié)構(gòu)，遵從模數(shù)沒(méi)有多大意義?？梢韵葘⒊^(guò)基本柱距的柱子按工藝的基本要求布置下來(lái)，余下的柱距按基本柱距布置，沒(méi)有必要所有柱距非要12米或15米或18米。這樣可減少計(jì)算工作量，減少構(gòu)件種類(lèi)。

2 廠房最小高度與最小柱肢寬度的確定

確定廠房高度先要準(zhǔn)確弄清工藝的要求，看準(zhǔn)制造廠的吊車(chē)資料。一般是建筑專(zhuān)業(yè)按工藝專(zhuān)業(yè)要求先行，但是否準(zhǔn)確，特別是與廠房結(jié)構(gòu)內(nèi)部各有關(guān)系統(tǒng)是否打架，需要具體分析，有時(shí)需要放大樣。廠房高度與吊車(chē)橋架上小車(chē)的凈空要求直接有關(guān)，如果有單軌吊時(shí)，由屋面單軌吊檢修走道以下的凈空控制。走道上有走人的凈空要求，不能讓檁條碰頭，又要照顧到單軌軌底標(biāo)高之間的關(guān)系。另外，還要考慮管道布置（如過(guò)跨的雨落水管）、屋面結(jié)構(gòu)的撓度等因素，這是基本要求。當(dāng)相鄰跨廠房高度相差不大時(shí)，最后統(tǒng)一高度。當(dāng)工藝將吊車(chē)跨度Lk確定后，從吊車(chē)資料上，可以了解吊車(chē)端部長(zhǎng)度、距上柱最小寬度要求，通過(guò)計(jì)算和人孔構(gòu)造（一般寬度≥400mm）要求確定了上柱截面高度及確定了吊車(chē)輔助系統(tǒng)的最小寬度要求后，下柱的基本寬度就確定了。

另一方面，下柱橫向肢距也不能太小，首先，不利于管線布置。對(duì)于高跨廠房，需要很大的橫向剛度，通過(guò)上述方法確定的雙管柱柱肢寬度往往不夠，特別是對(duì)于彎矩起決定作用的邊跨柱。當(dāng)確定了較大的下柱橫向剛度后，下柱截面大小往往由單肢平面外穩(wěn)定即肩梁高度控制。所以對(duì)高跨廠房，一般在下柱中部設(shè)有縱向管橋，可以減小下柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度，對(duì)控制下柱截面直接有效。要想獲得較精確的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，需要反復(fù)試算。由于加大雙肢柱距并不影響下柱本身的鋼材量（只是柱肢斜桿增長(zhǎng)），但獲得了較大的橫向剛度，分配的彎矩增大了，屋面橫梁與上柱分配的彎矩相應(yīng)小了，斷面可以小些，對(duì)減少耗鋼量有意義；同時(shí)對(duì)抗震設(shè)計(jì)有意義（強(qiáng)柱弱梁），當(dāng)然，也不能因此使基礎(chǔ)面積或樁數(shù)有實(shí)質(zhì)性增加，避免增加工程量。

3 基礎(chǔ)埋深

基礎(chǔ)埋深與建筑（構(gòu)筑）物高度有關(guān)系，與地基條件有關(guān)系。北方寒冷地區(qū)還要考慮凍土深度。按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4節(jié)關(guān)于耐久性規(guī)定，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的露天環(huán)境、與無(wú)侵蝕的水或土壤直接接觸的環(huán)境屬二（b）類(lèi)環(huán)境，混凝土最小等級(jí)為C30，其配比還有限制要求。這點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)北方工程不要忽略，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.5條關(guān)于混凝土抗凍要求也要注意。

廠房柱基頂面標(biāo)高一般均做在－1.0米～－1.5米。鋼柱腳埋在土里還需要混凝土保護(hù)，原因是靠近設(shè)備基礎(chǔ)較近的柱基表面、柱肢之間可能布置管溝。如果沒(méi)有管溝或管溝可以繞過(guò)，基礎(chǔ)頂面可以做高一點(diǎn)，可以減小柱子計(jì)算長(zhǎng)度，節(jié)省鋼材。

4 單層廠房各系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)例

根據(jù)以上原則，在某大型鋼鐵公司硅鋼廠主廠房1區(qū)的設(shè)計(jì)中采用了上述辦法的一部分優(yōu)化措施。經(jīng)過(guò)優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)用鋼量降到145kg／m2。

4.1 柱網(wǎng)確定

該主廠房面積212400平米（見(jiàn)圖1），跨度分別為27米，30米，39米，42米，軌頂標(biāo)高13米左右，柱距選擇為15米。這樣的柱距比12米柱距節(jié)省柱子數(shù)量，也更能更好的利用地面空間。

圖1 主廠房1區(qū)柱網(wǎng)圖

4.2 廠房框架體系

經(jīng)過(guò)比較，本工程中采用了排架結(jié)構(gòu)而不是剛架結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。車(chē)間軌面不太高的格構(gòu)式鋼管混凝土下柱的階形柱鋼結(jié)構(gòu)框架體系中，排架結(jié)構(gòu)比剛架結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)：廠房上部結(jié)構(gòu)可以節(jié)省約5%以上的鋼材，基礎(chǔ)一般也會(huì)比剛架結(jié)構(gòu)省。主要原因是排架體系中屋架沒(méi)有傳遞彎矩給柱子，柱子本身受彎比剛架體系要小，所以上柱斷面可以設(shè)計(jì)得更小。柱腳的彎矩相對(duì)鋼架體系也小，所以基礎(chǔ)也受彎小，可以設(shè)計(jì)得更經(jīng)濟(jì)些。

圖2 排架結(jié)構(gòu)

4.3 廠房鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)

4.3.1 屋蓋系統(tǒng)

與建筑專(zhuān)業(yè)溝通，針對(duì)本工程柱距，跨度的特點(diǎn)，采用大波高壓型板，使最大檁距達(dá)到4.5m，減少了檁條數(shù)量，減輕了自重。很多軋鋼廠房的天窗均采用了成品氣樓，其自重輕，相應(yīng)廠房結(jié)構(gòu)此項(xiàng)荷載比傳統(tǒng)天窗小，耗鋼量小，廠房抗震性也好。本次設(shè)計(jì)采用的成品氣樓為4.5kN／m，比較輕。檁條：采用蜂窩梁，在保證強(qiáng)度和剛度的同時(shí)降低了自重。屋蓋屋脊最高標(biāo)高為23.6m，滿足了檢修單軌吊的凈空的最小要求。

圖3 蜂窩梁式檁條

4.3.2 吊車(chē)梁系統(tǒng)

為了達(dá)到強(qiáng)度和變形控制的統(tǒng)一，我們?cè)谝砭壓透拱逶O(shè)計(jì)中突破了規(guī)范對(duì)吊車(chē)梁腹板高厚比h0／tw和翼緣寬厚比Bf／Tf的構(gòu)造要求的限制，采用局部屈曲理論，優(yōu)化了斷面，減少了加勁肋，大大降低了用鋼量。

4.3.3 柱子系統(tǒng)

目前設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)鋼管砼柱長(zhǎng)細(xì)比限值是80，我們消化學(xué)習(xí)了近年來(lái)的技術(shù)文獻(xiàn)及工程案例，又結(jié)合本工程受力特點(diǎn)，將長(zhǎng)細(xì)比控制在100左右，與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，技術(shù)上有了進(jìn)一步的突破，大大減少了柱斷面，降低了用鋼量。上柱寬度1000mm，滿足剛度及人孔構(gòu)造的要求。

4.3.4 墻皮系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)比較測(cè)算，結(jié)合該地區(qū)工程特點(diǎn)（風(fēng)壓小，廠房高度變小），采用7.5m標(biāo)準(zhǔn)，減少墻皮柱，比常規(guī)設(shè)計(jì)的5m標(biāo)準(zhǔn)大大節(jié)省了用鋼量。

4.4 基礎(chǔ)系統(tǒng)

本工程基礎(chǔ)底面標(biāo)高為－1.5m。另外為節(jié)省投資，經(jīng)過(guò)比較，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中采用新做法：基礎(chǔ)短柱中間開(kāi)孔。這樣雖然增加了少量的鋼筋，但綜合混凝土量的減少，總的工程量仍然少。

5 結(jié)論

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要盡量?jī)?yōu)化，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。根據(jù)該工程不同的場(chǎng)地條件和使用要求，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化手段。結(jié)構(gòu)優(yōu)化還有很多方法，總的目標(biāo)是更加經(jīng)濟(jì)適用。隨著新技術(shù)、新材料的不斷的使用，相信會(huì)有更好的設(shè)計(jì)優(yōu)化手段出現(xiàn)。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017－2003）［S］.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007－2002）［S］.

［3］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （GB50010－2002）［S］.

［4］鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上、下冊(cè)）［M］.北京：中國(guó)建工出版社，2004.