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1、工业框排架厂房结构设计工业框排架厂房结构设计导言导言工业生产车间主体采用框排架结构,主跨屋面采用轻钢结构。对工艺设备荷载进行简化,用SATWE 进行计算,计算结果符合设计要求,采取适当构造措施使整个结构设计合理。工程概况工程概况本文以位于江苏省太仓市经济开发区的某工程为例。车间全长 274 米,宽68 米,主跨柱顶高 23 米。该车间按照工艺流程分为 5 个工段布置,由于结构超长需考虑在每个工段间设置抗震缝,缝宽 150mm。建筑结构的安全等级为二级,设计使用年限为 50 年。抗震设防烈度为七度(设计基本地震加速度为 0.10g,设计地震分组为第一组);建筑场地类别为类。建筑抗震设防类别为丙类
2、,钢筋混凝土框架结构的抗震等级为三级。场地属长江三角洲冲积平原,地势平坦,场地内不存在可液化土层,但地基土属软弱土,为于抗震不利地段。造纸车间采用钢筋混凝土框排架结构,框架柱轴力大,为保证设备正常运行,有效地克服不均匀沉降的问题,以及考虑安全和经济因素,结合当地实际状况,基础形式采用预应力管桩。主楼部分桩的布置根据荷载分布情况布置,承台按桩冲切要求确定厚度,承台厚度为 1200mm,桩顶标高为-2.3m,伸入承台 100mm。结构体系结构体系生产车间主跨设 2 台双梁桥式起重机,最大起重量 70t(35t+70t+35t)/60t(30t+30t+5t),工作级别 A6/A5。主体结构采用钢筋
3、混凝土框排架结构形式,主跨38 米,两侧各设10 米+6 米偏跨,偏跨均为二层,偏跨屋面采用现浇混凝土结构,主跨屋面采用轻钢结构。在工艺布置中设有流水线大型设备,布置要求较复杂。复卷设备正常工作时以 2200r/min 速度运转,之后再通过链板机传送至成品库工段。复卷设备转动时,由于设备会产生强烈振动,对设备基础有转动惯量,复卷设备刹车停止时也给基础很大的惯性力矩。因此在结构处理上,该工段设备基础之间要避免共振相互影响,采取从基础完全脱开形式。为避免复卷设备振动的影响,减小不均匀沉降,将基础做成桩筏形基础,提高整体刚度。根据工艺要求,吊车轨顶标高:19.600m,柱顶标高:23.200m,牛腿
4、顶标高:18.430m,吊车梁采用钢结构,配制动桁架。屋面以钢梁、檩条、系杆、支撑等组成的轻钢结构。厂房横向由钢梁承受竖向恒载、活载、风载;厂房纵向由排架柱、连系梁组成结构体系,承受纵向水平荷载(吊车纵向水平刹车力、纵向风荷载、纵向地震力)。屋面为压型钢板;檩条为薄壁卷边 Z 型钢。根据本工程情况屋面钢梁与柱铰接,钢结构分析及截面验算主要依据建筑抗震设计规范、钢结构设计规范、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 设计。结构设计结构设计1.1.主要荷载主要荷载(1)楼面活荷载:电缆夹层 4.0kN/;配电室 10.0kN/;部分工段 7.5m高主楼层楼面荷载 25.0kN/;(2)基本风压 0.55k
5、N/,地面粗糙度为 B 类;(3)基本雪压:0.2kN/;(4)混凝土屋面活荷载:上人屋面(考虑设备安装荷载)15.0kN/,不上人屋面 0.5kN/;(5)轻型钢结构屋面活荷载:屋面板及檩条?0.5kN/,屋面钢梁及刚架 0.3kN/,并按集中荷载考虑屋面通风设备基础。2.2.混凝土结构计算混凝土结构计算结构整体计算采用 SATWE软件,需要注意的几点:(1)在PMCAD中建模时需注意楼面设备基础下应设置主、次梁承托,当设备基础平面尺寸较大时,可设置多道;模型中输入的缺口梁高度为缺口部位的净尺寸.(2)在 SATWE中输入设计参数,需要注意的是勾选按单偏压计算,以及“考虑双向地震”,计算振型
6、个数根据工况调整等。(3)在“特殊构件补充定义”中点取角柱,对一些特殊梁进行铰接处理。(4)SATWE计算分析结果,当“周期振型地震力”中有地震作用最大的方向结果15 度时,需调整“总信息”中的“水平力与整体坐标夹角”重新计算。框排架柱的下部框架的结构位移计算中,仅在计算位移、周期等控制参数时,选择“刚性楼板假定”计算,以满足规范要求的计算条件;但应以弹性楼板假定进行配筋及其他分析。多遇地震作用下二层X、Y 方向最大值层间位移角应满足抗震规范5.5.1 条1/550 的要求,罕遇地震作用下一层 X、Y 方向最大值层间位移角应满足抗震规范5.5.5 条1/50 的要求。由于工艺设备的分布特点,造
7、成结构的刚度和荷载分布不均匀。为了减小扭转效应对结构地震反应的影响,需进行调整使结构抗侧力构件的布局均匀对称,同时增加结构周边的刚度,如增大周边梁的高度、楼板的厚度等。3.3.屋面钢结构计算屋面钢结构计算屋面水平支撑在每个温度区段或分期建设的区段中,应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。屋面横向支撑设在端部的第一跨和最后一跨,为保证屋面钢结构的整体稳定,在刚架的转折处如边柱柱顶、屋脊,沿房屋全长设置刚性系杆。计算时应同时计算刚性系杆的稳定和长细比。屋面刚梁的计算采用 PKPM 系列软件中的 STS 程序,需要注意的几点:(1)选取一榀钢梁输入计算数据及相关参数。应根据钢结构设计规范输入设
8、计控制参数:1)受压构件的容许长细比:200;2)受拉构件的容许长细比:400;3)钢梁的挠度允许值:1/400,考虑以钢梁恒载作用下的变形值起拱。(2)选择杆件截面类型。由于屋面坡度要求1/15,考虑运输、吊装、经济等因素一般要求斜梁构件长度在 9m12m 之间,斜梁应分段采用摩擦型高强螺栓拼接,拼接点尽量设在弯矩较小处,并避开顶部檩条及腹部支撑位置。梁端设置为铰接。(3)检验计算结果,进行截面优化,直至构件的强度、平面内稳定性、平面外稳定性、长细比、宽厚比均满足,且各段应力比较接近为宜。4.4.传动基础、牛腿柱、开槽楼板设计传动基础、牛腿柱、开槽楼板设计传动设备自重虽不大,但基础自重较大,
9、对框架结构抗震不利。采用墙式基础比独立式基础明显减轻自重。考虑振动设备基础下局部无条件布置承托梁,采取把楼板加厚至 200mm,提高楼板抗冲切能力。链板机在主楼面上运行,会在楼板上开槽,造成大量缺口梁和楼板降板,计算模型中输入的缺口梁高度为缺口部位的净尺寸。需要注意的是处理好降板、封口梁、缺口梁之间的空间关系,避免降板边缘无支座支撑,次梁比主梁高等情况。结束语结束语工业生产车间是比较复杂的结构构造,在设计和施工中存在诸多难点。通过专业之间协作配合,解决由生产功能分区造成的刚度不均匀、振动等问题;结构在频遇地震下处于弹性状态,具有良好的抗震性能。局部顶层结构与夹层结构刚度比较小,采用适当构造措施加强处理,对楼面上设备基础采取轻量化设计,减轻自重,提高整体抗震性能。