刘琼

0 引言

当前，大跨度钢框架结构被广泛应用在仓储物流车间、健身体育场馆、剧院等领域的项目建设中，如图1 所示。为满足建筑使用要求，此结构具有跨度大、层高较高等特点，其设计和施工有别于常规的框架结构，在设计选型阶段，就需要预先探讨施工措施及在建设使用期间可能出现的各种问题。因此要求结构设计人员有良好的职业素质，结合工程建设中遇到的实际情况，以项目综合经济指标为基础理念，在进行大跨度框架结构体系方案的探讨与设计中不断进步和完善。

图1 建设中的钢结构厂房

1 概述

《建筑抗震设计规范（2016 年版）》（GB50011-2010）（下文简称《抗规》）第10.2 章节对大跨屋盖建筑提出了一般规定、计算要点及抗震构造措施的规定要求，本章节中大跨屋盖结构也基本以钢结构为主；第5.1.1 条款特别对8、9 度时的大跨度和长悬臂结构及9 度时的高层建筑，提出了应计算竖向地震作用的要求，其中关于大跨度和长悬臂结构，根据我国大陆和台湾地震的经验是指，9 度和9 度以上时，跨度大于18m 的屋架、1.5m 以上的悬挑阳台和走廊等；8 度时，跨度大于24m 的屋架、2m 以上的悬挑阳台和走廊等。

多层钢结构厂房的跨度范围较大，通常对跨度在12～40m均有使用需求，尤其是有大型仓储使用需求的建筑，此类建筑甚至对使用跨度的需求达到40m 以上。多层钢结构厂房建筑层高及跨度远大于通常的办公及商业等用途建筑，结构抗震等级、结构抗震措施、计算等规范要点在满足《抗规》的前提下，更需要设计师关注结构的抗震性能设计，合理地进行平面布置，尽量均匀、对称，满足强柱弱梁的抗震概念设计。

《钢结构设计标准》（GB50017-2017）（下文简称《标准》）对钢结构的变形、舒适度、腐蚀性及防火提出了更高的要求，主要是钢结构具有材料强度高，抗火性能差，其腐蚀性是电化学过程等特性，且由于钢结构满足承载力要求所需的刚度较小，从而显现了结构的振动问题，因此除了需要达到构件强度、稳定性、挠度等规范所提安全指标，在设计计算时应当进一步对结构使用期间的舒适度进行复核验算。另外，在结构选型时也要考虑主体结构的维护成本，例如防腐涂装、防火、防水等。

综上，由于大跨度多层钢结构的受力情况比较复杂，要求设计师对结构形式科学评估、合理进行布置，保证建筑的整体性和安全适用性。

2 大跨度多层钢结构厂房的应用实例

2.1 工程概况

某项目位于乌鲁木齐市，目前已完成工程建设。工程主要建筑功能为物流仓储，抗震设防烈度8°，基本地震加速度0.20g，设计分组第二组，场地类别Ⅱ类；基本风压0.60KN/m，基本雪压1.00 KN/m（按重现期100 年采用）；钢框架抗震等级为三级。根据地勘报告，本工程场地所在地形平坦，地质条件较好，基础以未扰动的卵石层为持力层，天然承载力较高，未发现不良地质作用。

2.2 结构布置及选型

该项目中物流仓储车间长度192m，宽度51.9m，房屋高度19.7m，一层建筑面积11 634.91m，屋顶采用压型钢板双坡屋面。本工程采用中国建筑科学研究院PKPM 系列软件，考虑建筑分两层、局部夹层和长悬挑雨篷的布局需要，建立了钢框架-轻钢屋面体系的模型进行计算：同时，结合建筑使用需求，保证较大并且畅通的内部空间，将柱距布置为7m，跨度25m，局部设置夹层；将钢框柱均匀设置在不影响建筑使用的位置、隐藏在建筑墙体内或拐角处，力求车间的美观性。

本工程混凝土强度等级设计：基础、基础短柱、基础梁和楼板均采用C30 混凝土，根据当地要求执行《乌建发[2014]47号》文件，基础工程需采用高性能混凝土，并符合文件中所要求的防腐做法。钢构件强度等级设计：主体钢框架（包含次梁、雨篷梁）采用Q355B 材质，支撑系统采用Q235B 材质，墙梁、檩条采用Q355A，其他围护构件如拉条、撑杆、隅撑采用Q235A 材质。主体钢架框柱采用矩形截面，使建筑整体具有更好的承载力和足够的刚度；局部夹层钢柱在满足承载力的要求下考虑经济实用性，主要采用工字型截面，楼梯间处采用矩形截面提高安全性；钢框梁、钢次梁布置为工字型变截面或工字型截面。

3．休闲成本“低成本化”。网络的普及使得低成本网络休闲消费成为现实。只需要一台电脑，连接网络，其兴趣爱好大多数在网络得以逐步实现，足不出户，就可以获得阅读、欣赏、娱乐、消费、交际、抒发情感等多种体验，达到愉悦心灵。以消遣旅游为例，人们在电脑上就可以“游遍”世界，到世界各地去认识奇观、民俗、历史和文化，摄取世界各地的文明、文化，让心灵达到共鸣，满足好奇、高品位精神的诉求。

2.3 设计重点及难点

2.3.1 结构超长处理措施

根据使用要求，建筑平面尺寸远超规范中关于钢结构的温度区段长度最大要求，结构设计在满足建筑功能的前提下，应优先考虑设置结构伸缩缝。本项目沿结构长度方向，按照《规范》要求计算，居中设置一道伸缩缝：净距150mm。

当采用混凝土楼面屋面时，应尽量避免和减少超长结构在施工及使用过程中产生裂缝，在设计阶段通常采取以下措施：考虑温度变化及降低混凝土收缩影响方面的原因，设置温度后浇带；沿结构长度方向设置双层配筋等。故本项目在二层楼板（楼板材料为压型钢板钢筋混凝土）设置两道膨胀加强带。

2.3.2 结构抗震设计注意事项

大跨度钢结构厂房的层高较高、跨度较大，其结构抗震等级和抗震措施等要求应在满足《抗规》及《标准》的前提下，关注结构的抗震性能设计，例如结构布置做到平面规整，合理简化结构体系，梁柱中心线尽量重合一致，加强钢结构构件的支撑，保证抗震概念设计，满足结构整体稳定性。

本项目考虑建设地点处于高烈度区，设计采用Q355B 高强度钢：柱截面采用方型钢，根据计算要求其截面宽度取值为400～600mm 不等；梁截面采用H 型钢，考虑经济适用性并根据计算要求采用变截面形式，如图2 所示。并且根据建筑使用需要，在3.700m 标高处围绕厂房一周设置了6.350m 长的悬挑雨篷，依据《抗规》内容该雨篷为长悬臂结构：该雨篷在结构设计时根据《抗规》第5.3.3 条要求，对此类构件计算竖向地震作用，竖向地震效用取该结构、构件重力荷载代表值的10%计算。具有长悬臂特征的钢结构设计应尽量做到结构形式简洁、传力路径明确，在满足抗震计算要求的同时力求建筑表达美观，因此悬臂梁采用Q335 材质H 型变截面钢，并在平面布置交叉系杆，以提高构件刚度和挠度，如图3、图4 所示。

图2 厂房某一单元中跨屋面钢架结构布置图

图3 雨篷剖面图

图4 雨篷局部结构布置图

2.3.3 安全性、舒适性问题

本项目由于建筑的使用需求，其设计跨度较大、建设地点百年基本雪荷载较重，应当在结构设计阶段充分考虑建筑物在使用过程中的荷载分布情况，控制结构位移；本项目有局部夹层的设计，因此需要增大平面刚度，例如局部楼板加厚，以保证结构的承载力，并且有一定的结构安全冗余度。

2.3.4 屋架体系

对于大跨度钢结构体系而言，屋架无疑也是设计的重点。在屋架系统中，除了钢框梁构成的基本骨架，还包含其他构件：系杆，水平支撑以及屋面檩条、隅撑等，这些杆件的组合轴力承担起了屋盖的荷载，比如雪荷载、风荷载、地震力等，并且减小了屋盖的计算跨度，增大了内力，提高了屋盖系统的整体稳定性。

本项目考虑建筑长度的超长设计、结构伸缩缝的布置和跨度大的特点，故沿边跨、跨中在长度和宽度方向分别设置了八道支撑，并设置了连续系杆，形成了几何不变体系，如图5 所示；檩条在布置时，应尽量连续布置，并保证每侧的搭接长度，在屋脊和屋檐需要加强处连续布置斜拉条。同时，还设置了柱间支撑，将纵向水平荷载力传递到下部基础，提高了结构体系侧向刚度。

图5 屋盖结构布置

2.3.5 建筑高窗及通风的设计

为增加建筑的透明性，保证厂房拥有较好的通风与采光，使建筑内部空间更能体现出艺术效果，采用了侧高窗的设计，如图6 所示。结构的围护结构采用轻质材料，由檩条、钢桁架和轻保温层组成，该轻质围护材料有利于减轻结构重量及地震作用，如图7 所示，在光线和结构的组合下建筑物将更具有美感与结构逻辑。

图6 建筑外立面高窗效果

图7 结构墙面檩条、窗柱等布置

2.3.6 钢结构防腐蚀、防火措施

钢结构的抗火性能差和特殊的电化学腐蚀性是该材质的劣势。例如钢结构建筑在出现火灾时，钢结构会迅速升温，除了结构的自身内力、外力荷载，在升温过程中与温度荷载共同作用，对钢结构产生变形和位移，甚至出现结构的坍塌，从而导致较大的经济损失，可能出现人员伤亡等不可估量的危险。钢结构的电化学腐蚀过程会不断损耗钢材料本身，破坏构件的正常承载力；大气环境中的温度、湿度变化，风沙和雨雪，甚至氧气，都是造成钢结构腐蚀不可忽视的因素；考虑经济适用性和长效性，通常以表面刷漆、喷涂涂层作为防腐措施应用得最为广泛。本工程按照规范要求，所有钢材均应采用喷砂、抛丸等方法除锈，并且在规定时限内进行涂装。可采用无机富锌底漆、环氧云铁中间漆、丙烯酸聚氨酯面漆、包裹混凝土、镀锌等防腐措施。

3 结语

钢结构由于具有突出优势，在工业、仓储等建设中得到了越来越广泛的应用，在设计行业也受到了愈广泛的关注。大跨度钢结构厂房在很大程度上让建筑在性能上有所增强，其适用性和建筑使用功能得到更大的发挥。综上，本文根据大跨度钢结构厂房的特点优势及其设计要点展开了相关分析，并通过建筑使用功能为仓储物流车间的大跨度钢结构体系工程项目为背景，对其结构选型、结构设计、计算分析过程进行阐述和探讨，详细展开了其设计的重难点、相关措施和建议，为今后工程设计提供借鉴参考。展望未来，大量的建筑采用钢结构体系设计，加强对钢结构体系的设计研究，提高设计质量，能够更好地响应国家碳中和、碳达峰、节能减排、绿色建筑的目标，为国家建设服务。