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摘要：重型车间采用钢结构具有充分发挥材料性能、适用范围广、施工周期短、施工技术简便等优势。本文结合中科天道重钢厂房工程实例，简要介绍了重钢结构的设计特点，对重钢结构的柱、吊车系统、屋盖及支撑系统的设计作了简要分析，并与轻钢门式刚架结构的区别进行了简要的阐述。
关键词：钢结构； 重钢厂房； 结构设计；
Abstract: This paper take Zhongke Tiandao steel plant engineering for examples, introduces the design characteristics of heavy steel structure, steel structure column, crane system, roof and support system design are analyzed, and the light steel portal frame structure difference were briefly introduced.
Key words: steel structure; steel plant; structure design
中图分类号：TU273 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
前言
随着市场发展的需要，钢结构工程越来越多的出现在城市与工业建设中。同时在工程造价方面，钢结构逐渐的体现出其材料性能利用率高等方面的优势。与混凝土排架结构相比,生产车间吊车吨位在50吨以上的重型车间采用钢结构的具有施工周期短、梁柱截面节省空间、简洁美观等方面的优势。
1、工程概况
沈阳中科天道新能源装备股份有限公司2#厂房，位于沈铁交界处的铁岭高新区；厂房为一层，建筑面积23217.42㎡；厂房的属性是以装配为主，并伴有少量的机械加工修补和焊接工作；厂房内设置125t吊车一台，63t吊车两台，16t吊车两台，根据吊车吨位，选定结构形式为重钢结构。
2、结构设计介绍
相比于常见的轻钢结构厂房,重钢结构厂房有其独有的特点，主要表现为:吊车起吊重量大、起吊高度大；综合用钢量大;在变形和长细比等方面控制更为严格；荷载取值与一般轻钢结构有所区别;分析方法不同,特别是计算长度确定和局部稳定计算等；构件构造要求不同。下面就几个主要方面做下简要介绍。
2.1、材料的选用
目前钢材市场Q345-B钢价格与Q235-B钢相近，而Q345钢不仅在强度方面具有优势,同时又具有良好的可焊性及可加工性等工艺性能，所以本工程柱、梁均采用Q354-B钢材，吊车梁采用Q345-B钢材。墙梁、支撑、屋面檩条等也均采用Q345-B钢材，以达到降低总体用钢量，充分发挥材料性能的目的。
2.2、荷载取值
本工程结构所受到的荷载主要有竖向荷载和水平荷载。竖向荷载包括吊车竖向荷载、结构自重荷载、屋面活荷载及走道板活荷载；水平荷载包括风荷载、吊车水平制动力等。
在荷载取值方面，屋面活荷载0.5KN/㎡，走道板活荷载2.0KN/㎡。本工程吊车荷载按业主选用的德马格起重机样本将数值直接输入，由程序导入。对于风荷载，设计中如何选取风荷载体形系数很重要，比较《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）就会发现对风荷载体形系数的要求有所不同。门刚规程规定的体形系数主要适用于低矮和平面面积较大的工业建筑，而荷载规范中的体型系数适用范围更广，本工程由于檐口高度较高，还有局部天窗架，故风荷载取值按荷载规范进行计算。
2.3、计算程序选择
本工程采用08版PKPM计算软件的STPJ进行计算，并适用3D3S等计算软件对格构式柱、主梁、吊车梁等进行复核计算，以达到结构构件满足各类工况下的计算要求。
2.4、结构体系选择及布置
本工程在结构设计阶段，首先是根据此特点采用格构式柱，以满足吊车竖向荷载大的要求；其次根据厂家提供的吊车样本，对吊车相关数据进行详细分析,以此确定格构柱的上、下柱高度。根据吊车吨位，估计主跨上柱净高在3.9~4.2m之间（不含屋面结构高度在内的高度）。从经济性出发，上柱和260x600mm，上下柱之间通过钢肩梁进行转换，构造做法见图一；第三是结构抗侧力体系可以考虑为横向钢框架（梁柱节点刚接），纵向柱间支撑；对于轻型屋面，24m跨度的屋面梁为工字型变截面实腹焊接截面梁，为可靠传递吊车横向刹车力产生的荷载，该梁应该满足压杆长细比的构造要求。第四是6m跨度的吊车梁，由于没有现成的标准图可资利用，可设计为实腹式等截面工字形吊车梁，其中125t吊车梁梁高为1100mm，上翼缘宽度为450mm(要考虑吊车轨道的安装构造要求)；63t吊车梁梁高为850mm，上翼缘宽度为450mm；吊车梁上翼缘、制动（即走道板）和边梁组成吊车制动结构,既承受吊车横向水平荷载和其它因素产生的水平力，又可增加吊车梁的侧向刚度，保证吊车梁的侧向稳定性。
为保证厂房的纵向刚度和空间刚度,承受山墙风力、吊车纵向刹车荷载、温度应力和地震作用,沿厂房纵向设置上、下柱间支撑。下柱柱间支撑为双片支撑,上柱柱间支撑为单片支撑。下柱柱间支撑设多道,布置是控制支撑间距小于30米。上柱柱间支撑,除在设有下柱支撑的柱间布置外,在厂房两端另设两道上柱支撑。
在屋面梁端节间布置通长屋面纵向支撑，在布置上柱支撑的柱间布置横向屋面支撑，纵、横向屋面支撑均选用角钢。在屋脊及屋面梁端部布置刚性系杆，125t、63t吊车柱间在柱顶位置设置支撑桁架两道。抗风柱布置的位置与屋面横向支撑节点及系杆相结合，以保证水平风荷载的有效传递。5、基础设计
本工程为主体钢结构，屋面为轻钢彩板，外围护墙体为砌体结构，根据情况格构柱采用埋入式柱脚，附跨小吨位吊车出柱脚为分离式柱脚，构造简单、节约钢材、安全可靠。
3、结构分析要点
3.1、梁柱设计
3.1.1本工程在程序电算过程中，梁柱高厚比出现了不满足《钢结构设计规范》5.4.2条和《建筑抗震设计规范》9.2.12条要求，需按《钢结构设计规范》[3]5.4.6条用横向加劲肋加强腹板,加劲肋在腹板两侧成对布置。厂房的下柱采用工字钢（吊车肢）与工字钢（屋盖肢）组合的格构式柱，按照规范规定，整体的平面外稳定不必验算，只要单肢够就行；这是因为M作用于虚轴的格构压弯构件，平面外整体稳定是由分肢的稳定来保证的。分肢是轴心受压构件（缀条式），在初选截面时，就最好保证分肢的两个方向长细比接近，这样截面利用效率高。
3.1.2设计屋面梁时采用变截面设计，以减少用钢量。本工程屋面梁设计在满足强度、稳定、挠度等各项指标的情况下做了优化设计，也就是利用截面的变化，使各截面“组合应力”与材料设计强度值的比值尽可能接近，即材料分布更接近于应力图形的分布，达到经济合理的目的。另外，电算时应注意到屋面梁平面外计算长度程序默认值为杆件的实际长度，实际计算必须手工修改为平面外有效支撑之间的间距。本工程屋面梁平面外有效支撑之间的间距取屋面横向支撑的节距。
3.1.3缀条计算注意要点，主要在缀材的选择和布置形式两方面。构件轴心受压屈曲时将产生横向剪力，对格构式构件，缀材需要承担这个剪力，通常先估算出受压件挠曲时产生的剪力然后计算由此剪力引起的缀材内力。
3.1.4在构件拼接节点设计时,应充分考虑构件受力以及运输和施工安装等因素，将拼接节点设在构件受力较小处，构件的长度以6~11米为宜。排架与柱间支撑、屋面支撑以及系杆等的连接件，应在施工图中详细标明，便于钢结构构件在工厂的加工制作，避免主要构件在现场打孔和焊接。
3.2、吊车梁和吊车制动系统
吊车荷载是该厂房的主要荷载，吊车梁的尺寸直接影响厂房高度的确定，所以应首先进行吊车梁的设计。
吊车梁上翼缘的宽度除满足强度、稳定等要求外，尚应考虑固定轨道和连接制动结构所需的构造尺寸，必要时可将上翼缘两侧作成不等宽，并予留螺栓孔，端跨吊车梁还注意应予留车挡的连接螺栓孔。
吊车制动系统由吊车梁上翼缘、制动板(即走道板)和边梁组成。制动板(即走道板)为受弯构件，其与吊车梁采用高强螺栓连接，螺栓间距除满足计算外，还必须满足构造要求，而制动板与制动边梁的连接采用焊接，俯焊焊缝采用间断焊缝，以防止较薄的制动板因焊接产生较大变形。
3.3、肩梁和牛腿的设计
实腹式上段柱在肩梁处的连接有两种方式：一是将上段柱腹板与肩梁上盖板用两条角焊缝相连，并按与腹板等强度考虑。上段柱翼缘的连接则根据不同情况分别考虑：对于边列柱的上段柱，可将外侧翼缘直接与下段柱外侧翼缘或屋盖肢腹板对焊；而邊列柱的上段柱内侧翼缘及中列柱的上段柱的翼缘与肩梁的连接，均将翼缘开槽口插入肩梁腹板上，用4条角焊缝传力。二是将实腹式上段柱直接对焊在肩梁上，此时宜将上盖板下移，变为两块加强板的形式，焊于肩梁腹板的两侧。但当实腹式上段柱截面较小，设计假定与肩梁为铰接连接时，也可将上段柱直接对焊在肩梁上盖板上。
4、结语
随着建筑行业日新月异的发展，社会生产生活的提高，重钢结构也发挥着重要的作用。凭借着能满足超大型吊车设备使用，相对经济的造价，建筑形式的美观多样等优势，重钢结构必将成为未来钢结构一个主要发展力量。
参考文献
GB50011-2010 《建筑抗震设计规范》
GB50017-2003 《钢结构设计规范》
关键词：钢结构； 重钢厂房； 结构设计；
Abstract: This paper take Zhongke Tiandao steel plant engineering for examples, introduces the design characteristics of heavy steel structure, steel structure column, crane system, roof and support system design are analyzed, and the light steel portal frame structure difference were briefly introduced.
Key words: steel structure; steel plant; structure design
中图分类号：TU273 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
前言
随着市场发展的需要，钢结构工程越来越多的出现在城市与工业建设中。同时在工程造价方面，钢结构逐渐的体现出其材料性能利用率高等方面的优势。与混凝土排架结构相比,生产车间吊车吨位在50吨以上的重型车间采用钢结构的具有施工周期短、梁柱截面节省空间、简洁美观等方面的优势。
1、工程概况
沈阳中科天道新能源装备股份有限公司2#厂房，位于沈铁交界处的铁岭高新区；厂房为一层，建筑面积23217.42㎡；厂房的属性是以装配为主，并伴有少量的机械加工修补和焊接工作；厂房内设置125t吊车一台，63t吊车两台，16t吊车两台，根据吊车吨位，选定结构形式为重钢结构。
2、结构设计介绍
相比于常见的轻钢结构厂房,重钢结构厂房有其独有的特点，主要表现为:吊车起吊重量大、起吊高度大；综合用钢量大;在变形和长细比等方面控制更为严格；荷载取值与一般轻钢结构有所区别;分析方法不同,特别是计算长度确定和局部稳定计算等；构件构造要求不同。下面就几个主要方面做下简要介绍。
2.1、材料的选用
目前钢材市场Q345-B钢价格与Q235-B钢相近，而Q345钢不仅在强度方面具有优势,同时又具有良好的可焊性及可加工性等工艺性能，所以本工程柱、梁均采用Q354-B钢材，吊车梁采用Q345-B钢材。墙梁、支撑、屋面檩条等也均采用Q345-B钢材，以达到降低总体用钢量，充分发挥材料性能的目的。
2.2、荷载取值
本工程结构所受到的荷载主要有竖向荷载和水平荷载。竖向荷载包括吊车竖向荷载、结构自重荷载、屋面活荷载及走道板活荷载；水平荷载包括风荷载、吊车水平制动力等。
在荷载取值方面，屋面活荷载0.5KN/㎡，走道板活荷载2.0KN/㎡。本工程吊车荷载按业主选用的德马格起重机样本将数值直接输入，由程序导入。对于风荷载，设计中如何选取风荷载体形系数很重要，比较《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）就会发现对风荷载体形系数的要求有所不同。门刚规程规定的体形系数主要适用于低矮和平面面积较大的工业建筑，而荷载规范中的体型系数适用范围更广，本工程由于檐口高度较高，还有局部天窗架，故风荷载取值按荷载规范进行计算。
2.3、计算程序选择
本工程采用08版PKPM计算软件的STPJ进行计算，并适用3D3S等计算软件对格构式柱、主梁、吊车梁等进行复核计算，以达到结构构件满足各类工况下的计算要求。
2.4、结构体系选择及布置
本工程在结构设计阶段，首先是根据此特点采用格构式柱，以满足吊车竖向荷载大的要求；其次根据厂家提供的吊车样本，对吊车相关数据进行详细分析,以此确定格构柱的上、下柱高度。根据吊车吨位，估计主跨上柱净高在3.9~4.2m之间（不含屋面结构高度在内的高度）。从经济性出发，上柱和260x600mm，上下柱之间通过钢肩梁进行转换，构造做法见图一；第三是结构抗侧力体系可以考虑为横向钢框架（梁柱节点刚接），纵向柱间支撑；对于轻型屋面，24m跨度的屋面梁为工字型变截面实腹焊接截面梁，为可靠传递吊车横向刹车力产生的荷载，该梁应该满足压杆长细比的构造要求。第四是6m跨度的吊车梁，由于没有现成的标准图可资利用，可设计为实腹式等截面工字形吊车梁，其中125t吊车梁梁高为1100mm，上翼缘宽度为450mm(要考虑吊车轨道的安装构造要求)；63t吊车梁梁高为850mm，上翼缘宽度为450mm；吊车梁上翼缘、制动（即走道板）和边梁组成吊车制动结构,既承受吊车横向水平荷载和其它因素产生的水平力，又可增加吊车梁的侧向刚度，保证吊车梁的侧向稳定性。
为保证厂房的纵向刚度和空间刚度,承受山墙风力、吊车纵向刹车荷载、温度应力和地震作用,沿厂房纵向设置上、下柱间支撑。下柱柱间支撑为双片支撑,上柱柱间支撑为单片支撑。下柱柱间支撑设多道,布置是控制支撑间距小于30米。上柱柱间支撑,除在设有下柱支撑的柱间布置外,在厂房两端另设两道上柱支撑。
在屋面梁端节间布置通长屋面纵向支撑，在布置上柱支撑的柱间布置横向屋面支撑，纵、横向屋面支撑均选用角钢。在屋脊及屋面梁端部布置刚性系杆，125t、63t吊车柱间在柱顶位置设置支撑桁架两道。抗风柱布置的位置与屋面横向支撑节点及系杆相结合，以保证水平风荷载的有效传递。5、基础设计
本工程为主体钢结构，屋面为轻钢彩板，外围护墙体为砌体结构，根据情况格构柱采用埋入式柱脚，附跨小吨位吊车出柱脚为分离式柱脚，构造简单、节约钢材、安全可靠。
3、结构分析要点
3.1、梁柱设计
3.1.1本工程在程序电算过程中，梁柱高厚比出现了不满足《钢结构设计规范》5.4.2条和《建筑抗震设计规范》9.2.12条要求，需按《钢结构设计规范》[3]5.4.6条用横向加劲肋加强腹板,加劲肋在腹板两侧成对布置。厂房的下柱采用工字钢（吊车肢）与工字钢（屋盖肢）组合的格构式柱，按照规范规定，整体的平面外稳定不必验算，只要单肢够就行；这是因为M作用于虚轴的格构压弯构件，平面外整体稳定是由分肢的稳定来保证的。分肢是轴心受压构件（缀条式），在初选截面时，就最好保证分肢的两个方向长细比接近，这样截面利用效率高。
3.1.2设计屋面梁时采用变截面设计，以减少用钢量。本工程屋面梁设计在满足强度、稳定、挠度等各项指标的情况下做了优化设计，也就是利用截面的变化，使各截面“组合应力”与材料设计强度值的比值尽可能接近，即材料分布更接近于应力图形的分布，达到经济合理的目的。另外，电算时应注意到屋面梁平面外计算长度程序默认值为杆件的实际长度，实际计算必须手工修改为平面外有效支撑之间的间距。本工程屋面梁平面外有效支撑之间的间距取屋面横向支撑的节距。
3.1.3缀条计算注意要点，主要在缀材的选择和布置形式两方面。构件轴心受压屈曲时将产生横向剪力，对格构式构件，缀材需要承担这个剪力，通常先估算出受压件挠曲时产生的剪力然后计算由此剪力引起的缀材内力。
3.1.4在构件拼接节点设计时,应充分考虑构件受力以及运输和施工安装等因素，将拼接节点设在构件受力较小处，构件的长度以6~11米为宜。排架与柱间支撑、屋面支撑以及系杆等的连接件，应在施工图中详细标明，便于钢结构构件在工厂的加工制作，避免主要构件在现场打孔和焊接。
3.2、吊车梁和吊车制动系统
吊车荷载是该厂房的主要荷载，吊车梁的尺寸直接影响厂房高度的确定，所以应首先进行吊车梁的设计。
吊车梁上翼缘的宽度除满足强度、稳定等要求外，尚应考虑固定轨道和连接制动结构所需的构造尺寸，必要时可将上翼缘两侧作成不等宽，并予留螺栓孔，端跨吊车梁还注意应予留车挡的连接螺栓孔。
吊车制动系统由吊车梁上翼缘、制动板(即走道板)和边梁组成。制动板(即走道板)为受弯构件，其与吊车梁采用高强螺栓连接，螺栓间距除满足计算外，还必须满足构造要求，而制动板与制动边梁的连接采用焊接，俯焊焊缝采用间断焊缝，以防止较薄的制动板因焊接产生较大变形。
3.3、肩梁和牛腿的设计
实腹式上段柱在肩梁处的连接有两种方式：一是将上段柱腹板与肩梁上盖板用两条角焊缝相连，并按与腹板等强度考虑。上段柱翼缘的连接则根据不同情况分别考虑：对于边列柱的上段柱，可将外侧翼缘直接与下段柱外侧翼缘或屋盖肢腹板对焊；而邊列柱的上段柱内侧翼缘及中列柱的上段柱的翼缘与肩梁的连接，均将翼缘开槽口插入肩梁腹板上，用4条角焊缝传力。二是将实腹式上段柱直接对焊在肩梁上，此时宜将上盖板下移，变为两块加强板的形式，焊于肩梁腹板的两侧。但当实腹式上段柱截面较小，设计假定与肩梁为铰接连接时，也可将上段柱直接对焊在肩梁上盖板上。
4、结语
随着建筑行业日新月异的发展，社会生产生活的提高，重钢结构也发挥着重要的作用。凭借着能满足超大型吊车设备使用，相对经济的造价，建筑形式的美观多样等优势，重钢结构必将成为未来钢结构一个主要发展力量。
参考文献
GB50011-2010 《建筑抗震设计规范》
GB50017-2003 《钢结构设计规范》