冶金厂矿多层厂房结构设计(structural design of muti-storey mill building in metallurgical works and mine)
冶金厂矿中采用钢或钢筋混凝土结构承重的多层厂房结构设计。冶金厂矿多层厂房受工艺条件制约，结构布置往往很不规则，在平面上常有抽柱，竖向有错层，顶层大跨度和顶部突出等(图1n)。多层厂房是由竖向结构和多层楼盖结构等部分组成的空间结构，楼面开孔多且大，承重结构受有较大的荷载和作用。其设计主要内容包括竖向结构类型、多层钢结构厂房、多层钢筋混凝土结构厂房和两种结构共同组成的多层厂房。
竖向结构类型 多层厂房有以下几种主要竖向结构类型，用以承受竖向、水平荷载和地震作用，并传给基础。
框架结构 由主梁和柱刚接组成(图k)。是采用较多的结构形式，在厂房横向和纵向都经常采用。这种结构在风荷载(或其它水平作用)的作用下，既有弯曲引起的侧向位移，又有层间剪力引起的位移。这种类型可为生产提供除柱身外无阻碍的空间。
框架一支撑(或剪力墙)结构 在框架柱之间设置988支撑或剪力墙，分别组成框架一支撑结构(图16，多用于钢结构)或框架一剪力墙结构(图1c，多用于钢筋混凝土结构)。这种结构刚度大，是有效的传递水平力系统，有时用于较高的多层厂房。
横梁与柱铰接(或假定为铰接)，则在两柱之间设置交叉斜杆、单斜杆或K形撑杆，形成悬臂桁架(图1d)，以传递水平荷载和作用。根据厂房长度和高度，设置一道或多道支撑。这种结构形式多用于钢结构多层厂房，一般用于纵向。
选择结构类型时，除考虑水平、竖向荷载(或作用)外，还要考虑厂房高度、工艺要求及发展远景等因素。
竖向结构计算要点 多层厂房承受的荷载和作用有：结构自重、楼面(和屋面)活荷载、料仓贮料荷载、大型设备荷载、吊车荷载、灰荷载、雪荷载、风荷载、动力机械产生的动力作用、输送热风或热料等管道引起的推力、温度变化引起构件伸缩而产生的效应等。对于有抗震设防要求的厂房，还要考虑地震作用。
多层厂房的内力与位移，根据所承受的荷载和作用，一般采用弹性方法计算，并考虑平面抗侧力结构的空间协同工作。如有抗震设防要求，还要按有关规定处理。进行多层厂房结构的内力和位移计算时，一般可假定楼面在自身平面内为绝对刚性，相应地，在设计中要按有关规定，采取保证楼面整体刚度的构造措施。对整体性较差、开孔面积较大等情况，在不能保证楼面绝对刚性时，宜采用楼面平面内的实际刚度或对采用楼面为绝对刚性假定计算方法的计算结果进行调整。对于结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、可以忽略扭转效应的结构，也可采用平面结构的计算方法进行分析。按有关规定验算其强度(或承载力)、稳定性(对于钢结构)和裂缝宽度(对于钢筋混凝土结构)，使其满足规范规定。
多层钢结构厂房 按冶金工厂生产需要，部分厂房为多层厂房。这些厂房或因荷载重、层间高、跨度大及辐射热强度大等原因，常采用钢结构。钢结构具有自重轻、强度高、塑性和韧性好、施工快等优点。(见冶金厂矿单层钢结构厂房设计)
冶金工厂多层钢结构厂房的邻跨常为单层厂房，例如：转炉炼钢车间，横向为七跨，其中炉子跨为八层钢结构厂房，顶部高达64m；铁合金车间，横向六跨，其中四个跨度为六层钢结构厂房，顶部高度约为35m(图2)。
多层钢结构厂房由柱系统、楼盖系统、屋盖系统和墙架系统的构件组成，当相邻跨为有吊车的单层厂房时，还包括吊车梁系统的构件，承受巨大的竖向荷载及冶ye水平荷载和作用。随着工艺生产的发展，厂房高度有时相应增高，水平荷载(或作用)产生的效应越来越大。设计多层钢结构厂房时，要仔细考虑利用其构件组成有效的承受水平荷载(或作用)的结构形式，既有足够的承载力，又有足够的刚度；要考虑各系统结构布置及构造，进行节点设计和计算；同时还要考虑各系统构件的材料选择和构件的除锈涂层(见冶金厂矿单层钢结构厂房设计)。
结构布置及构造 其涉及范围包括柱系统、楼盖系统、屋盖系统、墙架系统和吊车梁系统。
(1)柱系统。由柱及其间的支撑(需设置时)组成。首先要确定柱网(见冶金厂矿单层钢结构厂房设计)，再根据荷载大小确定柱截面形式。一般采用工字形、箱形和十字形(或十字形带有翼缘板)截面等(图3)。在厂房横向，柱与基础的连接，一般按刚接设计；在厂房纵向，柱与基础的连接，一般按铰接考虑。楼层处，一般柱为连续贯通(图46)，根据运输安装条件，在楼层上部1～1.2m处设置工地拼接点，一般采用焊接或高强度螺栓进行拼接；或按具体条件，在翼缘上采用焊缝、腹板上采用高强度螺栓的混合连接。有时柱的内力很大，柱翼缘板较厚，与其相连接的梁上翼缘受有很大拉力，为了避免柱翼缘受梁上翼缘的拉力发生层状撕裂，有时将柱的一侧翼缘切断(图4c)，使梁的上翼缘伸入柱内，然后将柱翼缘及腹板与梁上翼缘相焊接，柱翼缘及腹板的焊接处需坡口。
柱间支撑常为双角钢、T形钢、宽翼缘工字钢、焊接工字钢或其它形式的钢材组成。用焊接或高强度螺栓与柱或主梁连接。
(2)楼盖系统。由主梁和次梁组成，其上铺以钢板(与主梁、次梁焊接)，或现浇钢筋混凝土板。需要时，板上再铺设保护面层。主梁可采用焊接工字钢或宽翼缘工字钢；荷载大时，可采用箱形截面或两个宽翼缘工字钢组成的箱形截面。主梁与柱的连接采用焊接或高强度螺栓连接；或者梁翼缘与柱的连接采用焊接，梁腹板与柱的连接则用高强度螺栓。根据采用的结构形式，按刚接或铰接设计。有时层间较小，则利用相邻楼层主梁分别作为上弦和下弦，其间设置腹杆系统，组成桁架，以承受竖向、水平荷载和作用。次梁常采用焊接工字钢、轧制工字钢或宽翼缘工字钢，用焊接、高强度螺栓或螺栓(荷载较小时)与主梁相连。一般与主梁平接，有时也叠接在主梁上面，常按铰接设计。
(3)屋盖系统。一般采用轻屋盖。其结构布置等与单层钢结构厂房钢屋盖系统设计类似。
(4)墙架系统、吊车梁系统。分别与冶金厂矿单层钢结构厂房设计、钢吊车梁系统设计类似。
节点计算 节点的设计要便于制作、安装、维修并使结构受力简单明确，减少应力集中。节点形式多样，计算方法与节点形式有关。对于工字形截面的梁、柱节点，主要有柱上不设置横向加劲肋和设置横向加劲肋两种形式(图4n、6)。计算时，先要算出梁翼缘及腹板分担的内力，一般有两种假定计算方法：(1)在节点处，梁翼缘承受该处全部弯矩，即翼缘承受的力等于该处弯矩除以梁上、下翼缘重心线间的距离，腹板承受该处全部剪力；(2)梁的翼缘与腹板按其刚度分担连接处冶ye的全部弯矩，该处剪力仍由腹板承受。对于不设置横向加劲肋的节点要进行下列计算：梁受压翼缘传来的力不使柱腹板超过其强度或失去稳定性(腹板受力长度按有关规定采用)；梁受拉翼缘传来的力如同作用在柱翼缘上的线荷载，在此荷载作用下，不使柱翼缘超过其抗弯强度(柱翼缘板的边界条件按有关规定采用)；梁、柱连接处的连接强度及连接板强度(当设置时)；梁翼缘传给柱的内力，使柱腹板受剪，不超过剪力强度。如果以上关于压力或拉力作用的计算不能满足，就须设置柱横向加劲肋，既加强柱的腹板，也加强柱的翼缘；要验算加劲肋的面积及其连接焊缝；当有较大剪力传给柱腹板，超过其强度时，要加强腹板。对于有抗震设防要求的多层厂房的节点还要按有关规定处理。在多层钢结构厂房中，常采用设置横向加劲肋的节点。
多层钢筋混凝土结构厂房 钢筋混凝土结构在多层厂房中应用最广。它具有造价低、维修少及耐腐蚀性能等优点。多层钢筋混凝土结构厂房常为多跨(图5)，柱网较密，柱距在6～12m之间，有时跨度也较大。
多层钢筋混凝土结构厂房由柱、梁、楼盖、屋盖和剪力墙等结构组成。按施工方法，多层钢筋混凝土结构厂房可分为现浇结构、预制装配结构和预制装配整体结构。
现浇结构 多层厂房主要承重结构由就地浇注而成。此类结构需用大量模板，施工进度较慢，周期长。但结构整体性强、节点变形小，抗震性能好。随着标准钢模板的采用与混凝土竖向输送设备的诞生，现浇结构，特别是在高烈度地震区，不失为最佳结构。
预制装配结构和预制装配整体结构这种结构的梁、柱等构件分别在预制厂预制，运至现场后，按设计的连接方式，进行拼装，形成多层厂房承重结构。此类结构节省模板，且构件在工厂预制，可与现场开挖土方同时进行，施工周期可大为缩短。但节点变形大，结构整体性差。为了克服上述缺点，多采用装配整体式结
构，即在构件连接处，预留空间，在安装焊接后，二次浇灌混凝土，使构件间形成类似于现浇结构的节点。在预制装配结构中，梁、柱连接节点是关键部位，常用的有齿槽式节点和明牛腿节点(图6)。一般横向采用明牛腿节点，纵向采用齿槽式节点。至于柱预制、梁现浇和梁预制、柱现浇等混合施工方法，在冶金工厂多层厂房中较少采用。
楼盖和屋盖结构由主梁、次梁和板组成。楼盖结构承受荷载和作用，要进行截面承载力、构件变形(和裂缝宽度)计算，使其满足有关规范的规定。当受有动力作用时，还要按有关规范计算结构的动力效应(楼盖的垂直振幅、结构的水平振幅和振动速度等)，使其符合规范要求。有时也采取隔振措施，以降低因机器本身992的扰力引起的结构振动。
构造 长度超过规定长度的多层厂房，须按规范规定设置伸缩缝；有时按要求设置施工缝，以避免施工过程中构件产生裂缝。若地基较差，厂房竖向高差较大时，要设沉降缝。对于有抗震设防要求的多层厂房，伸缩缝可以与防震缝合并，但缝的宽度要加大。
柱截面一般采用矩形、方形或圆形。柱的计算长度z。及其与柱矩形截面的短边尺寸或圆形截面直径d的比值不得超过规范规定。
梁截面一般为矩形，“T”形等。其高度一般取梁计算跨度的1/15～1/20。梁截面高度与宽度的比值一般不大于4。当楼层高度受限制时，宜加大宽度，设置受压钢筋。
混凝土保护层的厚度、钢筋的锚固和接头(焊接接头和搭接接头)须满足有关规范规定。
剪力墙一般采用钢筋混凝土结构，其混凝土强度等级不宜低于中国现行标准《昆凝土结构设计规范》中规定的C20，厚度除满足楼面板的搁置长度以及上、下楼层内竖向钢筋贯通的要求外，还应满足有关规范的规定，一般不小于140mm，且不小于楼层高度的1/20。
若有抗震设防要求时，构件尚须符合有关规范规定。
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