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工业厂房钢与混凝土组合结构设计

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摘要:随着科技的发展,我们在厂房的建设中会广泛的应用钢-混凝土组合结构。钢混凝土组合结构是由钢梁和混凝土板通过栓钉组合起来的新型结构形式,在进行厂房结构设计的时候,需要我们满足建设的要求,提升建筑整体的安全性与整体性。钢与混凝土组合结构设计必须要考虑时间指标、性能指标以及经济指标,实践证明钢与混凝土组合结构质量关系到厂房的整体质量,因此本文以某工业厂房设计为例,对优化钢与混凝土组合结构设计策略进行分析,以此提出完善结构设计的具体对策。

关键词:工业厂房;钢混凝土;结构设计

引言

钢-混凝土组合结构是基于钢结构和混凝土结构的发展而形成的一种结构优化形式。它是近年来出现的一种新型结构。将两种材料按一定的方式连接起来,将两种材料组合成一个整体,充分发挥钢的抗拉和混凝土抗压的特点,充分利用这两种材料各自的优点,大大的节省了钢筋和混凝土的材料,利用钢材与混凝土的有效结合,大大提高了混凝土的利用效率,施工方便,降低了工程成本,同时由于钢材具有较好的塑性,增强了结构的抗震性能。因此,受到工程界的欢迎,在工程中应用越来越广泛。钢-混凝土组合结构是当前工业厂房建设所采取的主要结构形式之一。根据以往工作经验,钢筋混凝土结构在使用的过程中容易受到环境等方面影响而出现钢筋锈涨开裂而导致的耐久性下降,影响厂房的使用寿命,造成安全事故,因此优化钢与混凝土组合结构设计是提高厂房质量,提高其使用寿命的重要举措。本文以某工业厂房建设为例,该工业厂房属于水泥选粉机车间,车间框架结构上装有多个电机,厂房噪音比较大,因此需要对钢与混凝土组合结构进行优化设计,以此保证厂房的整体质量。

1钢-混凝土组合结构的特点

1.1压型钢板混凝土组合板的特点

因为不需要模板安装和拆除工作,因此,施工过程中易燃模板导致的火灾现象也将大大减少;压型钢-混凝土组合板只要安装在重要场所,以减少混凝土收缩和温度的影响;压型钢板可作为混凝土结构的平坦顶棚屋面;安装完成后,不需要安装钢脚手架,施工人员可以把压型钢板作为一个安全的工作平台;压钢板之间波纹槽可以安装通信、电力等工程;可以缩短施工工期,同时也可以多项目同时建设;压型钢板不仅便于运输,而且储存方便,同时压钢-混凝土组合板的重量相对轻,减少了结构上部恒载和下部基础结构的资金投入。

1.2钢-混凝土组合梁的特点

钢-混凝土组合梁对比钢板梁,至少可减少20%的钢的使用,直接降低施工成本;钢-混凝土组合梁可以最大限度地利用钢筋和混凝土的材料性能;使截面梁的强度增加,减少梁的截面高度和建筑高度;减小冲击,提高抗疲劳性和耐冲击性;同时可加固梁的横向强度,避免负荷过大导致梁变形失稳;减少了模板使用量和施工支模的工序步骤,使得施工现场的工作更简单。

1.3型钢混凝土结构的特点

型钢混凝土结构,高强度、横截面积小、抗弯能力强,能更好的适用于高层建筑;抗震性能和延伸性良好;耐火性和耐久性比钢结构更好,同时可以节约钢材,降低成本;进而提高施工效率,减少施工工期。

2工业厂房钢筋混凝土框架结构设计体系分析

2.1支撑体系支撑体系

为水平钢框架和纵向设计框架。水平荷载分担柱间的有效支护。此种设计成本相对较低,但可能会对以后的使用产生影响。此种设计相对适用于横向短、纵向长的工厂。

2.2纯框架体系

纯框架体系设计是由钢框架构成,在两个方向上都没有柱间的支撑。框架体系不影响使用空间,但柱体不适于工字型柱体,使得用钢量会相应增加。

2.3钢架支撑体系

钢架支撑混合体系能有效地降低柱的纵向弯矩,但要求刚度大,要求楼板刚度大,不然无法充分发挥柱间支撑的作用。

3工业厂房钢筋混凝土框架结构设计要点

3.1各种荷载处理

最重要的是进行竖向荷载和水平荷载的处理,在设计中应综合考虑,以保证结构的稳定性和可靠性。重力的影响竖向荷载作用,钢筋混凝土结构需要同时抵抗水平荷载和竖向荷载,从而提高结构的稳定性和可靠性,并对结构起到较好的推动作用。竖向荷载虽然影响结构设计,但最关键的部位仍受水平荷载的影响,应引起足够的重视和重视。整体建筑结构的重力影响是跟室内的合适布局变化有一定的关系,所以进行结构设计时应综合考虑各方面影响因素,但室内布局对竖向荷载影响不大,大风、地震、冰雹等会对水平荷载产生较大影响,因此有必要在结构设计时对其进行综合考虑,以防止结构的稳定性和可靠性受到影响。

3.2结构变形设计

框架结构容易发生轴向变形,在整个设计过程中必须综合考虑,并注意工作中的细节处理。通常,框架边柱的轴压应力比中柱小,导致侧柱轴向变形较小。特别是在高层建筑中,这种情况会变得更加明显,如果不及时处理,可能会带来更严重的后果。为了防止这些情况的发生,有必要加强思想认识,加强处理工作,采取有效措施提高设计精度。从而促进二者的有效结合,减少边柱和中柱的轴向变形,保证结构的稳定性和可靠性。另外,减小侧移,有效地控制了侧向位移,保证了结构的稳定性。

3.3结构延性处理

在设计中,对立面和平面进行规则性的布置和处理,以尽量减少地震带来的不利影响,保证建筑结构的稳定性和可靠性。使建筑的质量和刚度均匀化,使结构合理。并且设计中采用精确的高度比,从而确保结构良好的延性,可以更好的承担水平荷载,加强对结构的有效保护,以防止结构的损伤和变形。同时要提高结构柱和墙体的设计水平,增强结构的刚度以及抗震性能,使其能够更好的保证结构的稳定运行。

3.4结构受力分析

重视结构受力分析,科学合理把握结构受力特征,然后采取有效的设计方案,促进设计水平提升。框架结构的受力情况不同,具有其显著的特点和优点。通常,上层的框架承受较大的剪力,框架不仅承受水平荷载,而且承受竖向荷载,确保结构的稳定性和可靠性,有效地满足了工作的实际需要。

3.5合理设计框架结构

根据以上的要求进行设计的前提下,为了进一步提升设计水平,我们还需要对进行施工的建筑进行了解,采取相应的办法,根据以往的惯例,我们常用直接与间接法,最后实现提高设计水平的目的。

3.5.1框架直接设计

为了更好地运行和提高效益,需要充分考虑结构的稳定性和可靠性,并对工业厂房的缺陷进行改进和弥补。比如,现场混凝土浇筑时,如果根据设计图纸来看需要更改浇筑的混凝土型号时,如果更换的混凝土强度要求达不到的话,则需要根据实际情况,改变构件尺寸,采取措施弥补,以保证构件的稳定性,有效提高管理能力。另外还有施工过程中,我们需要进行特殊的防火处理,使结构构件保持良好的完整性和安全性。这种设计方法对一般混凝土构件的处理具有良好的效果。

3.5.2框架结构间接设计

所谓间接设计就是利用预制件来模拟受力情况,然后根据压力的影响设计图纸。该方法能有效地解决问题,减少设计后的设计变更。用预应力水平拉杆设计混凝土受力构件。通过间接设计,可以对整个建筑进行压力测试,从而满足施工过程中的设计要求。这种设计方法能更好地提高设计水平,保证设计的规律性、刚度和延性要求。

4某厂房钢与混凝土组合结构设计

该厂房钢与混凝土组合结构主要包括:①横向框架。横向框架是整体厂房的主要承重结构体系,其需要承受各种外界负荷力的作用,保证厂房的整体结构稳定性,一般由柱、框架以及屋盖横梁等构成;②屋盖结构。屋盖结构主要是承担屋盖所带来的负载,例如横梁、托架等等;③支撑体系。支撑体系也是厂房的主要组成部分,其主要是防止厂房出现倾斜、垮塌等现象。因此该厂房的设计:

①荷载计算设计。由于该厂房的车间顶盖采取的是钢网架结构,安装通风的天窗,因此需要对荷载进行计算,以此确定具体的施工方案。荷载系数取用荷载风压的1.0,基本的风压为0.62kN/m2。荷载计算:屋顶盖部分:静载有彩钢和网架,是1.40kN/m2,活载为0.9kN/m2;吊车:最上层的吊车荷载主要对作用于柱上,其荷载为R=4289kN,R=2699kN,水平刹车力在97.9kN。第二层吊车的荷载为R=1360kN,R=965kN,水平刹车力在29.5kN。最低下层吊车荷载为R=989.5kN,R=356.7kN,水平刹车力在12.9kN;风荷载:基本的风压主要作用于柱的顶部,对其柱顶的荷载力为375kN,基本风压在0.62kN/m2,风荷载在两边的柱底压力为17.2kN/m和9.98kN/m;

②设缝问题设计。按照相关规定规范,钢筋混凝土现浇框架结构伸缩缝的最大间接为55m,钢筋混凝土剪力墙结构伸缩缝的最大间距为45m,根据工程的实际情况考虑,本设计方案选择不设缝的施工方案,但是由于混凝土存在收缩问题,因此在具体的结构设计时可以从厂房建筑的中部框架部位从基础顶面至屋面设置10m宽的后浇带。同时为了保证质量,还需要在钢框架子结构和混凝土墙体之间进行连接构造,具体可以通过连梁采用刚性连接或铰接。具体的施工策略为:调整结构施工顺序,先浇筑混凝土简体,然后安装钢框架;用刚性连接的钢框架梁柱节点;调整钢管柱的长度等方式进行;

③截面形式及计算。钢管混凝土组合柱结构的截面形式有3种:a.圆钢管混凝土结构;b.矩形钢管混凝土姐欧股;c.多边形钢管混凝土结构。在厂房建设中使用最广泛的就是矩形和圆形钢管混凝土组合柱。圆形钢管混凝土组合柱的强度和抗压性是最符合厂房建设的,所以在该厂房车间建设中使用的就是圆形钢管混凝土组合柱。对厂房框架进行计算时,实用的设计软件是中国建筑学院编制的STS软件,这个软件主要是基于CECS28B90计算刚-混凝土组合柱截面;

④柱脚设计。钢柱脚应使用密封板封闭,以减少立柱和地面压力。在本文案例中情况下,密封板和柱的连接处设有劲肋,以便能够更好的改善柱脚的受力。另外,采用双杯口插入式钢-混凝土组合柱,将混凝土浇注到杯口,有利于提高整体柱荷载;

⑤钢与混凝土组合结构的防火设计。常用的防火措施种类比较多,一般就是将构件利用保护材料进行包裹,以此延续构建的升温速度,为灭火提供时间。基于本工厂的工作环境,本次的设计具体选择的是膨胀型防火涂料保护法,此种方法能够消除传统发生火灾时产生的有毒气体的弊端。具体的设计是选择由有机树脂、发泡剂以及碳化剂等构成的厚度在5mm左右的涂料,一旦发生火灾时,该涂料就会膨胀,形成比原来还要厚几十倍的多孔碳质层,阻挡外部对内包构件的传热,便构件的耐火极限可达(0.5~1.5)h;

⑥剪力墙子结构体系延性设计。在钢框架一混凝土剪力墙混合结掏体系中,由剪力墙和剪力墙组成的筒体承担了85%以上的水平剪力,应保证混凝土墙体具有足够的延性,因此在连接处设置型钢柱,既能有效防止裂缝的出现或展开,又能方便钢结构的安装,减少钢柱与混凝土墙体之间的竖向变形差异产生的不利影响。设计时应考虑框架具有一定的抗剪承载能力,其值不宜小于带框墙总剪力的20%。同时剪力墙轴压比应根据结构的抗震设防等级确定。该厂房设计剪力墙轴压比控制值按规范要求应小于0.6,以保证其延性。

5工业厂房钢与混凝土组合结构设计的保障

实现对工业厂房与混凝土组织结构设计的优化必须要做好以下工作:①要把握基本的钢与混凝土组合设计原则,通过设计保证厂房使用寿命,强化对厂房的质量控制以及达到最优化的经济目标,也就是在设计的过程中要综合考虑建筑项目的全寿命期的成本和效益问题。只有把握上述的基本原则才能保证设计的方案具有价值;②提高工业设计人员的综合素质,提高他们的设计理念更新。钢与混凝土结构设计是新型的设计方案,也是当前工业设计较为常见的一种技术,因此需要设计人员要把握设计的关键问题,强化质量管理意识和安全意识;③加强施工管理。保证施工工序严格按照设计的要求进行,以此保证工业厂房的质量。

6结束语

钢-混凝土组合结构是一种新型结构,该结构充分了发挥钢材和混凝土两种材料优点,是一种复合结构,结构形式更为合理,受力性能更加优异。钢-混凝土组合结构以其承载力高、造价低、性价比高等优点得到了国内外专家的广泛认可。随着施工技术的不断改进,钢-混凝土组合结构逐步得到完善,大大拓宽了钢-混凝土组合结构在国内工程结构中的应用范围。本文通过对该厂房钢与混凝土结构的性能检测,通过设计提高了结构刚度,达到了良好的抗震效果,优化了建筑布局和空间的使用,更为重要是将降低了造价,提高了工厂的经济效益,提升了工厂厂房的使用寿命。

参考文献

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作者:宋书生 单位:中冶南方武汉钢铁设计研究院有限公司

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