超高大跨单层厂房结构选型与抗震设计分析.pdf

2792023年4月江西建材工程技术与应用超高大跨单层厂房结构选型与抗震设计分析林克炬江西和元工程咨询设计有限公司，江西南昌330000摘要：文中以福鼎时代锂离子电池生产基地项目为例，对比“四个柱肢（单阶）”“六个柱肢（单阶）”“三个柱肢（三阶）”三种结构方案在风荷载、生产期间产生的位置偏移、柱底承重情况，并分析厂房抗震性能，利用橡胶支座，提出更有效的抗震设计方法，以增加厂房设计方案的可行性。关键词：厂房；荷载；橡胶支座中图分类号：TU318文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 2 7 9-0 3Structural Selection and Seismic Design Analysis of Ultra-tall andLarge-span Single-storey Factory BuildingsLin KexuanJiangxi Heyuan Engineering Consulting and Design Co.Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330000Abstract:In this paper,the Fuding modern lithium-ion battery production base project as an example,compared the four column limbs(singlestage),six column limbs(single stage),three column limbs(third stage)three structural schemes,wind load,position deviation duringproduction,column bottom bearing situation;The seismic performance of the plant is analyzed,and the rubber bearing is used to give a moreeffective seismic design method,so as to increase the usability of the plant design scheme.Key words:Plant;Loads;Rubber supports0引言原有的房屋结构多数使用钢桁架、预制钢混材料。在钢结构工艺不断提升的背景下，对于大跨度、大高度的厂房结构，尝试利用钢结构进行设计施工。相比传统的土建方法，轻钢材料更具结构优势，表现出环保性好、质量轻便、承载性能优异等特点。1工程概况福鼎时代锂离子电池生产基地工程位于福建省宁德市福鼎市前岐镇福东大道和双岳路交汇处，用地面积约为99862.02m，总共包含12 个单体，总建筑面积为7 2 7 44.9 3 m，建筑高度为17.1m，含锂卷绕生产车间一至六、锂带仓一、锂带仓二、含锂废弃物仓一、含锂废弃物仓二、物流连廊、废弃物处理棚。2超高大跨单层厂房结构选型2.1支撑结构选型依据工程结构设计需求对厂房结构进行选型分析。厂房结构设计需考量施工工艺、施工成本、结构性能等多个因素。厂房结构自身性能需符合厂房生产的各项要求，符合极限承载力的设计理念，以此保证厂房结构平稳，提升生产安全性。相比原有厂房采用的钢混结构，轻钢设计在整体性能、侧面性能等方面，与原有厂房设计存在差别，集中体现在厂房结构震动方面。当厂房结构的自震速度与生产设备运行速度相近时，说明在厂房生产期间，厂房结构出现了震动现象。为此，在设计厂房屋面结作者简介：林克炬（19 8 9-），男，福建沙县人，本科，工程师，主要研究方向为结构设计。构时，采取轻钢刚性支撑方法。选用角钢、圆钢管等材料，制成支撑体系，以此保证支撑质量，应对自重条件下形成的支撑挠度问题。参照厂房屋面结构的整体性能，考虑使用竖向水平支撑设计方法，借助竖向、横向两个方向的水平支撑体系，建立完整的支撑结构，以增强轻钢屋面的整体性能。在厂房施工期间，应防止出现厂房结构同步震动的问题。采取抗震设计方法，以此保持屋盖刚度的平稳性，侧重关注支柱方位 。在设计屋架肢环节时，不可将其设计在具有支撑作用的结构上。准确设计厂房侧面性能，力争在水平、风力、地震等各类外力作用下，保持厂房结构的平稳性。考量厂房生产期间，大型设备的运行特点，在厂房下柱方位，进行格构柱设计，上柱设计选用实腹柱。2.2考量生产需求厂房结构选型要合理设定平面参数，应符合厂房生产的各项需求，综合考量生产材料的运输口、人员进出点位等多个因素，合理给出厂房结构的分区方法。厂房生产时，需要运行大规模的生产设备，比如吊装设备。为此，在厂房结构设计时，需考量吊车高度，尽量控制轨高差距，合并处理不高于12 m的钢架结构，将其作为一个单元，进行结构计算。如果厂房内的吊车跨度较多，需保持各区域划分的合理性，综合考量地震因素带来的不利影响。如果有两个吊车处于公共轴位置，一般情况下，需将轴柱子设计为防火层，以此保持厂房整体消防质量。厂房平面参数设计期间，需综合考量结构投影大小2 。多数情况下，投影大小需控制在目标范围内。在实际设计期间，给予必要的结构抗震设计，切实增强厂房结构抗震能力。2.3各组方案对比项目组给出的各类设计方案如表1所示。2802023年4月程技术与应用江西建材表1项目组给出的各类设计方案风荷载位移角生产震动的位移角柱底构件应力比值方案类别r/radd/radC四个柱肢（单阶）1/3101/9500.99六个柱肢（单阶）1/3841/12000.91三个柱肢（三阶）1/4101/15000.91表1中，r表示风荷载作用下厂房结构产生的位移偏角，取偏移量的最大值。d表示生产期间厂房结构形成的位移角度，取角度最大值。c表示柱底、构件两个位置承受应力的比值，取各点最大值。参照表2 的位移角，项目应选择四个柱肢（单阶）方案，以此控制厂房结构位移量。2.4选型分析厂房设计需全面考量各项生产需求，给出合理的结构选型，保证厂房生产结构的平稳性，减少大型设备使用时的震动问题。如果厂房结构无法保证生产需求，需调整结构方案。选用表2 中的四个柱肢（单阶）时，此方案中的柱体截面边长均为45 0 mm，选用支架结构进行支护。屋面，架顶、架底的截面边长均为40 0 mm。腹杆长边为2 2 0 mm，截面边长均取10 mm。运行MIDAS、3 D 3 S 两个软件，分析厂房各位置的位移情况。分析结果如表2 所示。表2屋面结构位移模拟分析结果rad分析项目工况MIDAS3D3S位移要求屋顶竖向偏角恒载、活载1/183251/18541/400柱顶横向位移风荷载1/4051/4211/400支架横向位移单组设备荷载1/12101/12081250由表2 数据分析发现，四个柱肢（单阶）方案中，仅有设备支架顶处的横向位移量符合设计要求。由于排架柱顶处横向产生的位移偏差问题，会干扰设备运行的安全性，在设计时，应采取有效措施控制排架位置变动问题 3 。针对柱顶、屋顶位置偏移量较大的问题，可采取加固方法，控制位移量，以符合厂房结构的设计要求。3超高大跨单层厂房结构抗震设计3.1荷载分析厂房各项荷载参数的取值方法如下：恒载=0.3 1kN/m，结构活载=0.3 1kN/m，风荷载=0.6 3 kN/m。依据建筑结构荷载的相关设计要求，合理选择风压高度、建筑结构的荷载参数。依据钢结构设计的具体内容，确定风荷载数值。复核梁体结构性能，考量生产设备运行期间，厂房结构中的最薄弱位置。荷载组合时，应考量多方面因素。（1）针对厂房实际承受的“活荷载”、“雪荷载”的问题，并不需要同时计算，只需两个荷载取其中一个即可，以最大数为选择对象。（2）施工期间形成的集中荷载作用，仅考虑屋面，取值为0.5 1kN/m，其余类型的荷载，无需多加考量。3.2抗震设计结构抗震设计时，需考量震动弹性情况。在多个生产设备同时运行产生承载力作用时，厂房结构能够保持平稳，发生的侧移量不应大于1/2 5 0。塑性耗能范围，比如消能梁段，可进行等效弹性分析。针对塑性能源消耗的受力区域，需调整承载级别。结构承载性能方面，需增加2 级。针对特大地震灾害，验算结构性能，以此判断结构位移情况 4。本项目的厂房结构具有跨度大、单层离地米数大等特点，需进行结构抗震设计，以此保证厂房结构的平稳性。结构设计中，应保持平面规整，适当简化结构组成，保持梁柱中线重合，利用钢构件进行支护。项目所在位置的地震烈度适中，选用Q355B型号的钢材进行结构设计 5-6 。柱截面材料选择“方型钢”，材料截面宽度介于40 0 6 0 0 mm。依据厂房功能需要，为控制风荷载带来的不利作用，在距离厂房3.7 m高的位置，添加了一组悬挑篷，用于弱化风、雨带来的荷载作用。此篷长为6.12m，采取长悬臂结构设计方法。计算此篷结构受到的地震作用时，可选择构件重力荷载参数的1/10。悬挑臂设计能够保持厂房外部结构的简单性，明确各结构的受力分配方式，顺应抗震需求，增加厂房结构设计美感。3.3性能分析本项目结构抗震设计完成后，进行承载力试算分析。在模型中导入抗震设计方案，模拟运行厂房生产，测定项目内部梁、板、构件三类结构的承重情况。试算中，抗震防护级别取值为7度，结构抗震级别设定为三级。风载作用系数参数设计为1.3。在竖直荷载条件下，轻钢框架会均匀受力，构件承重情况的计算方法，如式（1）：Z=R/yoS(1)式中，R为厂房结构承受的抗力（kN）；S 为荷载带来的影响；y为结构系数，取值为1；Z为构件承重值。进行试算分析时发现，项目现有的抗震设计尚未达到结构设计安全的要求，施工后，极易出现结构裂缝问题，需隔震处理，增强其抗震能力。3.4隔震方案结合项目的抗震问题，进行隔震设计。采取模块分区方法，使用SAP2000软件测定厂房的隔震需求。分析发现，随机选定各个时段，厂房结构的震动周期t分别为：ti=0.271s、t 2=0.2 7 3 s、ts=0.215s；3 次震动的频率f分别为：fi=3.521Hz,fz=3.621Hz，fs=4.518Hz;3次震动的方向d分别为：d，为X向平面移动，d2为Y向平面移动，d，为X向扭转。隔震设计时，以橡胶隔震支座为首选，尽量控制支座隔震的数量。本项目共选择5 2 个隔震支座，直径为15 0 0 mm。此种铅芯型的隔震支座，其有效直径参数为15 0 0 mm，橡胶层厚度达到240mm，竖向抗震性能为8 0 0 0 kN/mm。隔震结构设计完成，测定其隔震效果。随机选定测试时间，测定隔震情况。隔震检测时，A项目共选出5 个点位，测定震动时间，测定结果分别为：t4=3.61s、t s=3.5 2 s、t.=3.15 s、t=0.411s、t g=0.45 8 s。对比未隔震数据的周期数据，发现部分点位的隔震周期明显增加，涨幅明显，从不到0.3 s的震动周期，延长至3.5 s左右，震动周期增加了10 倍。由此说明，隔震效果明显，能够有效延长震动时间，减弱震动速度。测定隔震后X、Y、Z 各方面的位移情况，监测结果如表3 所示。表3隔震监测结果%监测点位45678X向位移系数2.1396.81000.02Y向位移系数96.152.250.190.020.01Z向位移系数0.230.099.710.00.0表3 中的点位与震动周期t的选择位置一致。由表3 隔震监测结果发现，橡胶座的隔震效果极佳，能够有效消除X、Y、Z 各项的位移问题，各项位移量明显变小。钢结构底部位置是隔震（下转第2 8 3 页）283：上接第2 8 0 页2023年4月江西建材工程技术与应用（5）铺设金属屋面板时，严禁踩踏保温棉，现场不得使用明火。（6）进入工地项目的现场操作人员必须经过岗前专职培训，详细了解本施工操作的安全注意要事项，专职安全员佩戴安全员袖标，不定时进行现场巡视检查。5环保措施（1）现场建立以项目经理中心的文明施工领导组，制定文明施工的管理制度，明确现场各岗位的文明施工责任和相应义务 6 ,提高现场施工的质量文明管理水平。（2）严格执行集团公司体系管理，做好对施工现场环境因素的识别、登记、评价工作，规定作业指导书，对于发电机及木工加工机等设备，每日检查，定期实行保养，做好相关记录并存档保留，采取消音棚等防护措施，以减少噪音。（3）施工场地严禁焚烧废弃物品，每天工程结束时，及时清理施工现场所有的剩余材料并分类堆放、及时清运，做到工完场清楼净、地洁。（4）在规定的作业时间内施工，避免在周边居民及其他施工人员休息的时候进行噪音大的加工，如切钢管锯木料等工作，如遇特殊情况，需提前与相关部门报备，张贴告示，与周边住户等沟通好，避免扰民。6应用实例某开发区标准厂房建设项目厂房1项目，屋面建筑面积为15 8 8 5.44m，建筑高度为16 m，屋面结构球节点钢网架结构，钢条支撑压型金属屋面板，采用镀锌镁铝板，底板厚度为0.37mm，面板厚度为0.6 3 mm，10 0 m m 厚玻璃丝棉保温层的金属屋面，如图5、图6 所示。图5屋面施工细节效果图的关键位置，以基底剪力为隔震效果的判断方向。在地震条件下，隔震处理之前项目基底剪力的最大值约为3 6.12 10*kN，隔震处理后，降至3.8 6 10*kN，减震效果达到10.6 9%。由此说明，橡胶支座增强了厂房结构的隔震能力。4结语综上所述，本项目厂房结构设计时，选定了“四个柱肢（单阶）”，以期控制各类荷载带来的结构位移问题。在抗震设计时进行结构分析发现，其仍然存在不足。通过选用橡胶支座进行抗震优化，效果显著。使用橡胶支座后，各位置的震动周期增加了将近9 倍，震动力度明显变小，地震条件下的减振系数约为10.69%。图6屋面施工整体效果图采用大面积不规则金属屋面系统节点防变形技术的效果如下。（1）质量可靠，线条顺直，造型美观，为实现设计建筑效果和安装质量提供保障，保证观感质量和使用功能，（2）施工高效，有效降低了施工成本，使整个屋面系统的使用功能得到了保证。7结语大面积金属屋面防变形控制的应用，在科技创新、质量、安全、成本控制方面均取得了良好的成效，解决了金属屋面因热胀冷缩而变形导致的受力不均匀，造成屋面渗漏、屋面钢结构生锈等难题，可为同类施工提供参考，有效提高大型工业厂房金属屋面施工技术水平。参考文献1贾计勋，王东，吴耀华.主题乐园建筑金属屋面的防雷设计与施工J.智能建筑电气技术，2 0 2 1，15（3）：13 6-13 8.2高轩，张志威，王振宇等.超大面积、异形曲面金属屋面檐口安装技术J】.建筑施工，2 0 19，41（4）：6 18-6 2 0.3宋律国，张庆伟，超长金属屋面系统在钢结构建筑中的应用J】.新型建筑材料，2 0 0 7，3 3（6）：7 5-7 7.4何辉，朱继华，汪洋，等，自锁式马鞍型金属屋面施工技术J钢结构，2 0 12，2 7（6）：5 8-6 0.5王有胜.印刷厂设备车间彩钢屋面防水维修施工J.中国建筑防水,2 0 15（15)：6-8,12.6刘飞，王博，周志健，等.国家会展中心（天津）工程超大面积高强铝镁锰节能金属屋面设计与施工J】.施工技术（中英文），2021,50（2 4）:2 0-2 4,44.参考文献【1赵宏康，陈磊，徐文希。单层大跨超高厂房结构选型研究及工程设计J.建筑结构，2 0 12，42（1）：2 1-2 6.2朱丹，裴永忠，徐瑞等.北京A380机库大跨度结构设计研究J.土木工程学报，2 0 0 8（2）：1-8.3刘永.带防屈曲盖板震损可更换钢梁抗震性能试验研究D】，泉州：华侨大学，2 0 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