隨著國民經濟的快速發展,工業建築應不斷滿足現代化大規模工業生產和工藝更新的要求。過去單壹的功能、單壹的建築形式已經不能適應生產方式變革的需要,聯合車間、柔性車間、工業建築等多功能車間應運而生。此外,由於建設用地的緊張和工藝流程的需要,越來越多的多層廠房甚至高層廠房出現。多層廠房的特點是跨度大、荷載大、洞口多、多層吊車。在設計過程中,有些問題值得總結和探討。
二、多層工業廠房結構設計要點
多層廠房由於工藝布置的要求,壹般需要較大的空間,結構通常采用框架結構,如果層數較多,工藝條件允許,也可采用框剪結構。結構布置的原則是:盡量使柱網對稱均勻布置,使房屋的剛度中心靠近質心,以減少房屋的空間扭轉。結構體系要求簡單、規整、傳力清晰。避免出現應力集中和突然變形的凹角和收縮,以及垂直變化過大的外伸和內收,力求保持垂直方向的剛度不變或不太突然。
1.控制水平幀和垂直幀的周期。多層廠房由於跨度方向和尺寸較大,柱較少;但列間距方向較小,列數較多。壹般都是水平控制,這樣豎向和水平方向的抗震能力大致相同,既有利於抗震,也使設計更加經濟合理。
2.合理安排電梯間的位置。由於設備和貨物較重以及垂直運輸的需要,多層廠房應設置電梯。鋼筋混凝土電梯井的剛度很大,應充分考慮電梯井對建築物的偏心影響,在結構布置上應盡量避免電梯井在建築物的轉角處和端部。當工藝布置是必要的和不可避免的時,應采取措施加強周圍的地板和框架。
3.地震區的多層廠房應少設或不設抗震縫。地震區建築物的伸縮縫是壹體的。當建築物較長時,應采取以下結構和構造措施來減少伸縮縫和抗震縫的數量。施工時,每隔40m設置壹條800mm寬1400mm的後澆帶,後澆帶位置位於對結構影響最小的地段;在頂層、底層、山墻和有內部縱墻的受溫度影響較大的墻體,應適當增加配筋率;加厚屋面保溫層或設置架空層,形成通風屋面。
三、常用的結構體系
1.框架支撐系統。也就是說,它被設計成水平方向為剛性框架,垂直方向為柱支撐系統,柱之間的支撐用於抵抗水平荷載。這個系統是經濟的,但是柱子之間的支撐可能會影響它的使用。這種形式特別適合縱向長橫向短的工廠。
2.純框架系統。廠房設計為豎向和橫向均為剛架,柱間無支撐。其優點是不影響使用空間,缺點是工字形柱不適合柱,而是兩個方向慣性矩相差不大的截面形式(如箱型柱),用鋼量增加。
3.鋼框架-支撐混合體系。這種形式與第壹種形式的區別在於,縱向設計為鋼框架和支撐的混合型,水平力由兩者共同抵抗。這種形式能有效降低柱的縱向彎矩,但要求樓板剛度高,否則柱間變形不協調,柱間支撐不能充分發揮。
四、結構設計中應註意的問題
1.結構設計和工藝設計的協調。車間都是為了生產。作為配套專業,廠房設計中的結構專業首先要滿足工藝要求,結構設計只能服從工藝條件。然而,工藝設計者在安排工藝時經常與結構設計發生沖突。開洞的地方是框架梁,但設備本來可以沿梁布置,卻布置在了跨度中間。提出的載荷往往過大,有時甚至將設備的載荷提出為均布載荷。特別是在方案階段,結構設計人員要做好與工藝的配合,盡量了解工藝布置,減少設計和施工中很多不必要的麻煩。
2.結構計算。隨著計算機軟硬件的飛速發展,復雜的結構計算問題得到了解決,結構工程師從繁重瑣碎的計算工作中解脫出來。他們可以把大量的精力投入到結構方案的選擇和比較中,合理確定結構方案和結構布置,從而提高設計水平和質量,降低工程造價。
(1)層等效荷載的計算。荷載計算是結構計算的條件,荷載值的準確性直接關系到計算結果的準確性。例如某工程工藝提出樓面均布荷載為15 kN/m2,根據該工藝的設備布置和設備重量,按規範給出樓面等效荷載的計算方法,計算的樓面均布荷載可認為是10 kN/m2。由於多層工業建築與壹般多層民用建築在結構形式和樓面活荷載方面存在諸多差異,因此多層工業建築的樓面活荷載大於多層民用建築。壹些中小型機床在地板、立柱和橫梁上也有吊車荷載。其跨柱網壹般比民用建築大,層高也比較高。最大的特點是整個平面幾乎沒有內部隔墻。多層工業建築壹般采用現澆鋼筋混凝土板梁柱結構,其厚度比壹般民用建築要厚,樓板的平面剛度可視為無窮大。如果電梯及貨梯間不采用剪力墻,則整個剛度重心移向剪力墻,電梯或貨梯壹般位於末端,結構剛度布置不合理,故電梯及貨梯間采用框架填充墻結構。
(2)節點核心區的抗剪驗算。框架節點的設計應遵循“強柱弱梁為強節點”的原則,抗震等級為壹、二級的節點還應進行抗剪承載力計算。由於多層廠房中梁、柱的中心線往往不能重合,且柱的截面比較大,節點的偏心距也比較大,對柱節點核心區的結構和受力有很大的不利影響。因此,對於跨度大、空間大、荷載大的多層廠房,節點核心區的抗剪驗算更為重要。
(3)裂縫寬度和罕遇地震的驗算。裂縫寬度的驗算是滿足正常使用的要求。規範規定混凝土梁的裂縫寬度不應大於0.3 mm,如果在計算中超過,可以通過減小鋼筋截面和增加鋼筋數量來調整。如果不符合要求,應修改柱梁截面並重新計算。抗震設計的原則是“三不準”,即“小震不壞,中震可修,大震不倒”。抗震驗算只滿足“小震不壞”的要求,結構加固滿足“中震可修”的要求,罕遇地震驗算是滿足“大震不倒”的要求。規範規定,79度時樓板屈服強度系數小於0.5的框架結構,在高於當地設防烈度預測的罕遇地震作用下,薄弱層(部位)的地震變形應進行計算,結構薄弱層(部位)之間的彈塑性位移角應小於1/50。多層廠房的設備投資往往遠大於土建,需要進行罕遇地震驗算。
(4)考慮框架與電梯井的連接。以前設計是按純框架計算,電梯井墻按結構配筋,不安全。框架部分按墻架計算值配筋,電梯井墻按剪力墻配筋。
另外,多層廠房壹般有多臺吊車。設計中,壹層的吊車作為吊車荷載輸入,其他層的吊車荷載作為活載考慮。
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