摘要：本文结合一个多层电厂厂房实例，（钢结构设计培训）分析探讨了大跨度钢结构设计的要点，供大家参考借鉴。

　　关键词：电厂；大跨度；钢结构设计；探讨

　　1 工程特点

　　某电厂工程的四层钢结构厂房，柱网为 12m×8.3m，层高 7m，结构空旷，基本无隔墙，楼面开孔很多，部分楼层没有铺板，为全房间洞口，楼面活荷载 8.0kPa，部分楼面还需考虑检修设备的堆载。在二层楼面上布置了几台大型设备，比较重，其余楼面上也有很多中小型设备，设备间以管道连接。整个厂房内设备和管道数量众多，楼面上需预留的孔洞相当多，给楼层平面布置造成了很多困难。该电厂厂房柱子的竖向荷载较大，最大的达到 3500kN，柱子全部采用焊接 H 型钢制作，框架梁与次梁大部分采用轧制 H型钢，仅二层支撑大型设备的几根框架梁采用焊接 H 型钢制作。楼面采用在压型钢板上浇筑混凝土形成的组合楼板。

　　2 设计中的几个问题

　　2.1 大型设备的布置

　　厂房内大型设备的布置对确定柱网起着决定性的作用，同时也限制了支承梁的翼缘宽度。由于大型设备荷载大，重心高，而支撑点接近设备的底部，位于二层楼面，地震时会产生很大的倾覆力矩，对支承梁的受力非常不利。因此需要在设备的外围设置四根柱子，让四根柱子的中心线与设备的中心线重合，并尽量使支承梁与柱子直接连接成框架。这样布置传力直接，对于承受竖向荷载也非常有利。另外，在输入设备的荷载时，应该考虑由于地震产生的倾覆力矩而增加的荷载。这部分荷载是计算机程序无法考虑的，需要人工加以干预。其他中小型设备也影响着结构布置，必须全面加以考虑。总之，在设计初期应该同工艺设备专业密切配合把柱网确定好。必要时请工艺专业适当调整设备的位置，以满足结构布置的需要。

　　2.2 结构类型的选择

　　对于钢结构厂房，通常采用的结构形式有三种。第一种为框架-支撑体系。即横向设计成刚接框架，柱子与框架梁为刚接；纵向设计成柱- 支撑体系，柱子与框架梁为铰接，用柱间支撑抵抗水平荷载。这种结构形式特别适用于纵向较长，横向较短的厂房，经济，省钢材。缺点是柱间支撑可能会影响使用。第二种为纯框架体系。把厂房纵横两个方向都设计成刚接框架，不设置柱间支撑。其优点是使用空间不受影响，缺点是不宜采用工字型截面柱，宜采用两个方向惯性矩差别不大的截面形式，例如圆形或口形，这种柱子用钢量大且制作困难。第三种结构形式为钢架加支撑的混合体系，在厂房中用的也较多。它综合了前两种结构型式

　　的优点，把纵向设计成钢架和支撑混合的型式，仅在厂房外侧设置柱间支撑，靠两者共同抵抗水平力。由于柱间支撑抵抗水平力的效果很好，减少了柱子的纵向弯矩，可采用工字型截面柱，但截面宽度较大。采用这种结构型式，需要有较大的楼层刚度，最好是采用钢筋混凝土楼面，以保证整体空间刚度，否则柱子间的变形不协调，无法充分发挥柱间支撑的作用。本厂房就采用了第三种结构型式，即钢架加支撑的混合体系，为了增加楼层刚度，在厂房的每个楼层内均因地制宜地设置了横向和纵向的水平支撑。

　　2.3 组合楼板对次梁的影响

　　楼层平面梁格的布置主要受设备影响，并受到组合板跨高比限制，以防止板挠度过大而影响正常使用，让人产生不安全感。在考虑组合楼板对于梁的作用时，按《钢结构设计规范》有铺板密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连、能阻止梁受压翼缘的侧向位移时，可不计算梁的整体稳定。

　　2.4 结构内力分析的注意事项

　　由于计算机技术在工程设计领域的应用，设计手段已经发生了天翻地覆的变化，应力分析的准确性大大提高了，绘制施工图的工作量大大降低了，设计人员可以把大部分的精力投入到制定方案和受力分析中，使设计出的构件经济合理。在设计该厂房时，采用了钢结构设计软件 STS，配合 SATWE 程序，完成建立结构模型，输入荷载到空间整体受力分析和杆件截面验算。①在内力分析时主要注意以下几点：网格生成平面简化。由于厂房的梁格布置复杂，在应用软件时完全按实际情况建立模型会产生大量的近节点，对分析结果不利。需要采用一些简化手段，但是不能与实际出入太大，否则就失去了计算的价值。②利用柱间支撑简化立面网格。对于柱间支撑的作用，不能简单地看成是一种构造措施，必须把它作为一种受力杆件输入到结构模型中。因为支撑的刚度直接影响着厂房纵向的周期和水平位移，即它对厂房纵向抗侧移刚度的影响很大。柱间支撑对其两侧的柱脚会产生不利影响，在某些荷载组合中，柱脚锚栓会出现上拔力，柱脚剪力也比其他柱脚增加很多。③柱间支撑杆件模型的确定。厂房的柱间支撑多采用剪刀撑。可以设计成拉杆，也可以设计成压杆，根据需要选择。按拉杆设计时程序会给出强度验算不足的提示，这是由于程序无法把支撑处理成单拉杆所致。但是不会产生影响到结构空间受力分析的结果。设计者应该根据杆件的拉力用笔算的方法验算杆件强度，如果柱间支撑设计成压杆，可直接利用程序的验算结果。④弹性楼板模型的确定。程序 SATWE 采用了更为先进的算法，可以在楼层约束作用不大的情况采用弹性楼板加以处理。本工程设计中由于楼层内设置了水平支撑，可以近似地采用楼层水平刚度无限大的假设，也可采用弹性楼板的处理方法，从程序计算的结果来看二者差别不大，说明楼层内水平支撑的效果较好，可以协调柱的变形。

　　2.5 节点设计

　　节点设计的原则首先是安全，其次是经济，并且应该与施工安装水平相一致。在厂房中最重要的节点是框架梁与柱的连接节点。按连接的转动刚度和连接构造之间的关系划分为刚性连接，柔性连接和半刚性连接。目前用的最多的节点是刚性连接和柔性连接，半刚性连接使用的较少。对于节点的安全性，通常包含强度和延性两个方面。延性好的节点在地震作用下的变形能力强，不会发生脆性破坏，是一种理想的节点形式。半刚性连接节点，尚没有适当的计算模型，应用受到了限制。柔性连接能传递轴力、剪力和很小的弯矩，可以近似看成是铰接。刚性连接节点大体上有三种类型：全焊接连接、栓焊混合连接和全螺栓连接。全焊接连接的节点，梁的翼缘和腹板全部采用焊缝连接在柱子上。通常情况下，翼缘须采用开剖口的熔透焊缝连接，腹板可以采用开剖口的熔透焊缝，也可以采用角焊缝连接。这种节点的优点是强度高，节省材料，成本低，缺点是现场焊接量大，高空施焊条件不好时对质量影响较大；栓焊混合连接节点的翼缘采用熔透焊缝连接，腹板采用高强螺栓连接。这种节点与全焊接节点的特性相似，缺点是前期制作量较大，用的材料较多，成本较高；全螺栓连接节点，梁的翼缘和腹板全部采用高强螺栓连接。这种节点延性好，适合化生产，现场焊接少，缺点是成本高，前期制作量大。目前这种节点在框架中用的不多。

　　2.6 应用轧制H 型钢的注意事项

　　应用轧制 H 型钢，可以大大减轻构件制作的工作量，加快了施工进度。但是它也有其不利的一面。首先我国的轧制 H 型钢板件厚度比较薄，不适合做厂房的柱子因为厂房柱子轴力大，往往需要翼缘和腹板有较大的厚度，而截面尺寸不能过大；另外，轧制 H 型钢的拼接为全截面拼接，存在不安全因素，受工期限制，不可能都采用定尺型钢，造成材料利用率不高，接头数量多，并且需要严格控制拼接的位置。