文/ 邱中勝 煙臺(tái)德和冶金設(shè)計(jì)研究有限公司 山東煙臺(tái) 264002

對(duì)于格構(gòu)柱單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們要進(jìn)一步思考格構(gòu)柱單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，從而制定可行的方法，確保格構(gòu)柱單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

1、鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)體系

所謂的重型單層廠房是指在車間廠房?jī)?nèi)設(shè)有重型吊車設(shè)備，相對(duì)于輕型、中型鋼結(jié)構(gòu)廠房來說，不僅在其承載能力上要求更高，廠房空間大，而且廠房高度相對(duì)較高，對(duì)于施工質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格。

一般單層鋼結(jié)構(gòu)廠房采用框架支撐體系，即橫向設(shè)計(jì)成剛接框架，縱向設(shè)計(jì)成柱間支撐體系，這種體系經(jīng)濟(jì)節(jié)約，但柱間支撐可能會(huì)影響使用功能。這種形式特別適用于縱向較長(zhǎng)，橫向較短的單層工業(yè)廠房。

鋼結(jié)構(gòu)廠房與鋼筋混凝土房屋一樣，同樣應(yīng)遵守強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)基本原則。

1.1 強(qiáng)柱弱粱

指在粱柱連接節(jié)點(diǎn)處柱端實(shí)際受彎承載力要大于梁端實(shí)際受彎承載力。一般采用增大柱端彎矩的做法。也就是使框架結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)在梁端的設(shè)計(jì)要求，用以提高結(jié)構(gòu)的變形能力，防止在強(qiáng)烈地震作用下倒塌?！皬?qiáng)柱弱梁”不僅是手段，也是目的，其手段表現(xiàn)在人們認(rèn)為對(duì)柱的設(shè)計(jì)彎矩放大，對(duì)梁不放大。其目的表現(xiàn)在調(diào)整后，柱的抗彎能力比之前強(qiáng)了，而梁不變。即柱的能力提高程度比梁大。這樣梁柱一起受力時(shí)，梁端可以先于柱屈服。

1.2 強(qiáng)剪弱彎

指避免構(gòu)件（梁、柱、墻）剪力較大的部位在梁端達(dá)到塑性變形能力極限之前發(fā)生非延性破壞，即控制脆性破壞形式的發(fā)生。也就是說結(jié)構(gòu)（框架梁、柱）的抗剪承載力要大于抗彎承載力，目的是控制構(gòu)件發(fā)生彎曲破壞，而不是剪切破壞，避免脆性破壞，充分發(fā)揮塑性鉸的能力。

1.3 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件

以下為在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的措施：（1）構(gòu)造保證。①增加連接強(qiáng)度，如增加焊縫厚度和螺栓大小。②梁端加腋或加隅撐。③加厚梁柱節(jié)點(diǎn)域的腹板厚度或增設(shè)水平和斜向加勁肋。（2）計(jì)算保證。①按抗震彈性設(shè)計(jì)：計(jì)算中考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)為0.85，初步確定焊縫尺寸或螺栓數(shù)量、間距、直徑。②按以上確定的焊縫尺寸或螺栓數(shù)量、間距、直徑驗(yàn)算連接的抗震極限受彎、受拉和拼接承載力是否大于其構(gòu)件的屈服承載力，并留有一定的余量。

2、空腹鋼桂單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題

2.1 單層廠房結(jié)構(gòu)

單層廠房結(jié)構(gòu)組成主要包括橫向排架、縱向聯(lián)系構(gòu)件、支撐系統(tǒng)及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)等。格構(gòu)柱是橫向排架中的重要構(gòu)件，主要承受軸力和彎矩，常見形式有方形、圓形等。某單層工業(yè)廠房為鋼結(jié)構(gòu)，凈高23m，跨度50m，柱距10m，總長(zhǎng)為160m。抗震設(shè)防類別為乙類。

2.2 腹柱構(gòu)件選取

目前，單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房柱構(gòu)件主要有實(shí)腹柱、斜腹桿格柱、格構(gòu)柱等幾種形式。實(shí)腹柱適用于中小跨度的單層工業(yè)廠房.但是本工業(yè)廠房的跨度較大，且廠房?jī)舾叽螅灰撞捎脤?shí)腹柱。如果采用實(shí)腹柱，只能將人行走道、風(fēng)管等布置在柱外側(cè)。根據(jù)本工業(yè)廠房設(shè)計(jì)要求，風(fēng)管必須布置在柱內(nèi)，所以不能使用實(shí)腹柱，斜腹桿格柱同樣不能滿足設(shè)計(jì)要求?；谝陨蠋讉€(gè)方面的考慮，本單層工業(yè)廠房使用格構(gòu)柱形式的排架柱，在柱內(nèi)布置風(fēng)管，可以靈活布置人行走道，方便人員行走，同時(shí)也可以滿足本廠房抗震設(shè)防方面的要求，提高廠房的抗震性。

本單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的縱向長(zhǎng)度比較大，為保證平面支撐結(jié)構(gòu)的可靠性，在1／3處設(shè)置2道下柱支撐，在下柱支撐和廠房端部設(shè)置4道上柱支撐，其中下柱支撐采用H型鋼。格構(gòu)柱設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)選取1.1。

2.3 承載力試驗(yàn)

目前雖然格構(gòu)柱在單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較推崇，但是它的應(yīng)用剛剛起步，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有涉及構(gòu)造等方面要求，所以需要利用有限元計(jì)算方法進(jìn)行承載力試驗(yàn)，確保格構(gòu)柱在單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的可靠性。首先，按照1：4比例制作單層工業(yè)廠房和格構(gòu)柱等構(gòu)件模型，然后按照各種荷載工況進(jìn)行相關(guān)的有限元計(jì)算，驗(yàn)證格構(gòu)柱的承載力。

2.4 鋼柱承載力有限元計(jì)算

對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在實(shí)際使用中可能遇到的荷載工況是多種多樣的，如何量化評(píng)價(jià)需要綜合考慮各種因素。在實(shí)際工程中，豎向荷載和水平荷載同時(shí)出現(xiàn)超載的可能性極小，故選擇了以下3種荷載工況，采用ANSYS程序進(jìn)行了鋼柱極限承載力計(jì)算，以了解格構(gòu)柱的承載力及抗震性能。

鋼材為Q345B，采用理想的彈塑性模型，屈服強(qiáng)度345N/mm2，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105N/mm2，服從Mises屈服準(zhǔn)則，不計(jì)殘余應(yīng)力，同時(shí)考慮幾何非線性與材料非線性，單元采用Shell181矩形單元，映射劃分。

結(jié)語：

綜上所述，格構(gòu)柱單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定要采取更好的方式方法，明確設(shè)計(jì)的具體的措施，才能夠保證格構(gòu)柱單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和質(zhì)量。