我国既有工业建筑结构体系调查

第2章我国既有工业建筑结构体系调查工业建筑是我国建筑产业中的一大类，与民用建筑相对应，是指用于工业生产及直接服务于工业生产的房屋。

工业建筑为工业生产提供了必不可少的物质基础，随着工业产业的发展和科学技术的进步，工业建筑的类型越来越多，工业生产技术对工业建筑的质量要求也越来越高，未来的工业建筑形式依然会有新的发展。

2.1我国既有工业建筑类型对于我国既有工业建筑，可以从不同角度来划分类型。

按工业种类划分，有钢铁厂建筑、机械制造厂建筑、精密仪表厂建筑、航空航天工厂建筑、造船厂建筑、水泥厂建筑、化工厂建筑、纺织厂建筑、食品加工厂建筑、火力发电厂建筑、水电站建筑、核电站建筑、高新技术产业建筑等等。

按工业建筑用途划分，可分为以下六类：第一类是生产厂房，生产厂房中进行主要的工业生产流程，如产品的备料、加工、装配等，是最主要的厂房；第二类是生产辅助厂房，生产辅助厂房是为生产厂房服务的厂房，有修理车间、工具车间等；第三类是动力厂房，动力厂房是为全厂提供能源服务的厂房，如发电站、变电所、锅炉房等；第四类是仓储建筑，仓储建筑是用于储存工业生产的原材料、半成品和成品的厂房；第五类是运输用建筑，运输用建筑是工厂中停放、检修和管理交通运输工具的厂房。

第六类是其他建筑，如污水处理建筑等。

按生产状况划分，可分为以下五类：第一类是冷加工车间，冷加工车间是在常温状态下加工非燃烧物质和材料的生产车间，如机械装配、修理等；第二类是热加工车间，热加工车间是在高温和融化状态进行生产，可能产生大量烟雾、灰尘和有害气体的生产车间，如钢铁铸造、锻压和热处理车间等；第三类是恒温恒湿车间，为保证产品质量，恒温恒湿车间内部要求保证恒定的温度和湿度条件，如精密仪器制造车间和纺织车间等；第四类是洁净车间，为保证产品质量，洁净车间内要求高度清洁，要消除空气中的灰尘和细菌，如制药车间和集成电路车间等；第五类是其他特种状况车间，如放射性车间和防电磁波干扰车间等。

按层数划分，可分为以下三类：第一类是单层厂房，单层厂房只有一层，其高度根据生产需要可灵活调整，且便于沿地面水平方向来组织生产流程，布置生产设备，多用于冶金、重型及中型机械工业；第二类似是多层厂房，多层厂房的层数在二层以上，适用于组织生产关系和工艺流程在垂直方向上的工业，多用于食品、电子和精密仪器工业等；第三类是层次混合厂房，层次混合厂房是多层和单层混合在一幢建筑中，多用于化学工业、热电站的主厂房等。

按跨度的数量和方向划分，可分为以下三大类：第一类是单跨厂房，单跨厂房只有一个跨度；第二类是多跨厂房，多跨厂房在一个方向上由几个跨度组合而成，车间内彼此相通；第三类是纵横相交厂房，纵横相交厂房由两方向的跨度组合而成，车间内彼此相通。

按跨度尺寸划分，可分为以下两类：第一类是小跨度厂房，指跨度小于等于12m的单层厂房，以砌体结构为主；第二类是大跨度厂房，大跨度厂房跨度一般超过15m，以混凝土结构和钢结构为主。

以上对我国既有工业建筑的分类是多维度的，可以包含各类工业建筑，但这些分类大多侧重于建筑外表和使用功能的角度，很少从结构体系角度出发。

对于我国的大多数既有工业建筑，因为长期使用过程中在荷载作用和外部环境作用下受到破坏，安全性和耐久性无法满足要求，如今正面临着维修加固和非工业化改造的问题，因而我们需要对各种既有工业建筑的结构体系加以深入的调研和分类，以便于实际检测加固工程的应用，本文在后面将从结构设计角度出发，立足于结构体系对我国既有工业建筑进行调研分析。

2. 2我国既有工业建筑发展及规模调查我国现代工业开始于清朝末年的“洋务运动”，工业建筑也从那时候开始出现，由于当时中国处于半殖民地状态，工业建筑大多由西方国家设计修建，主要是一批西式的老工业厂房和仓库。

1953年以前我国的厂房和仓库面积总共约4000万m2，非常之少。

在东北地区遗留的解放前的工业建筑，以日、俄式厂房为主，中部和南部地区的工业建筑，美、英、德、日、法国等各种形式的厂房都存在。

这些厂房多数规模不大，其中砖木、砖墙柱、钢屋架结构占一半以上，规模较大的厂房屈指可数，厂房中混凝土结构比例不大。

这些厂房至今服役已超过60年，由于生产工艺过时，损坏严重等原因，很多已拆除或改作他用，正在使用的也几乎全部经过挖潜改造和加固。

1953～1957年是我国“一五计划”，这期间建设了许多新中国的工业建筑。

其中厂房建筑面积2240万m2、仓库2680 万m2，这些工业建筑绝大多数仿照前苏联模式，是典型的苏式厂房。

直到现在，这时期建设的厂房大部分都在使用中。

其中单层厂房主要为混凝土结构，构件主要包括大型混凝土屋面板、密肋混凝土板和槽型板，混凝土薄腹梁（跨度≤15m），混凝土柱，混凝土基础。

多层厂房大都为钢框架、现浇混凝土（梁）板结构，也有全混凝土框架或砖墙承重梁板结构的。

由于当时我国钢产量很低，钢材质量很差，所以在这一时期开始的混凝土结构中大量使用对结构耐久性非常不利的细主筋、低强度等级混凝土、低配筋率以及薄壁构件。

1957年我国开始推广预应力混凝土结构，当时的主要问题是混凝土强度等级低、保护层薄，突出的是薄壁结构。

1976～1994年底，我国建造工业厂房4. 08亿m2，仓库1. 57亿m2，合计5. 655亿m2。

由于混凝土强度的提高，这期间的结构强度由C14～C20为主提高到C30～C40为主，同时预应力结构开始普及，结构的设计和施工水平的提高，构件耐久性有所提高。

1995～2015年底，我国建造工业建筑总面积为61.44亿m2，其中1995～2000年建筑面积较少，在1亿m2以下，在2001年达到1.15亿m2，从2008年开始，我国工业建筑快速发展，每年的工业建筑总面积超过4亿m2，2014年最多为5.74亿m2。

经过文献调研，我国由建筑业企业所建造的房屋建筑面积和工业建筑面积，1911年至1994年底见表1，1995年至2015年底见表2。

表1 我国1911年-1994年房屋建筑及工业建筑面积统计表表2 我国1995年-2015年房屋建筑及工业建筑面积统计表图1 我国既有工业建筑规模发展趋势目前我国正处于向工业化、城镇化发展的转型期，建设规模和固定资产投资规模巨大，由上图也可以看出，近几年来我国工业建筑规模发展越来越快。

除了规模庞大，我国工业建筑的种类也越来越多样，除了工业厂房和仓库外，其他结构形式复杂的工业建筑也不断出现，如烟囱、水塔、水池、沉淀池、冷却塔、电视塔、输电塔、运输通廊、管线、窑炉、高炉、煤气柜、储油罐等。

我国既有工业建筑具有种类多、结构形式复杂、荷载工况复杂、所处环境复杂的特点。

2.3 我国既有工业建筑结构形式调查我国既有工业建筑中建筑面积最大的是工业厂房，所以本文主要对工业厂房加以重点研究，其他形式的工业建筑选择一些典型案例加以说明。

对于工业厂房分为单层工业厂房和多层工业厂房两类。

2.3.1单层工业厂房结构形式单层工业厂房的结构形式主要有排架结构和门式刚架结构两种。

排架结构由于其构造简单，施工方便易行，是最基本、最常用的结构形式，这种结构由屋盖系统、柱和基础组成，柱与屋架为铰接，柱与基础为刚接。

因为厂房的生产工艺和使用要求不一样，排架结构可以有等高、不等高和锯齿形等多种形式。

单层厂房中的门式刚架结构是柱与横梁刚性连接，柱与基础一般采用铰接，当厂房有5t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。

根据建筑结构材料的不同，单层厂房分为钢筋混凝土厂房、钢结构厂房、砖混厂房等。

单层厂房主要的结构特点是构成空间大,中间不设承重柱或少设承重柱。

为提高建筑工业化的水平，降低综合造价、提高结构质量，上部结构应尽量选择定型设计和标准化生产。

单层厂房门式刚架轻钢结构，按跨度可分为单跨、双跨和多跨,按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。

门式刚架的跨度宜为9-36m，当边柱宽度不等时，其外侧应对齐。

高度应根据使用要求的室内净高确定，一般取4.5-9m。

门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素一般宜取6 m、7.5m、9m。

对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法进行计算。

门式刚架的梁、柱多采用变截面实腹焊接H 型钢截面，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨刚架中柱与刚架梁的连接可采用铰接；刚架柱柱脚与钢筋混凝土基础的连接，当厂房内设有桥式起重机时按刚接连接，其他情况按铰接连接。

门式刚架轻钢厂房的伸缩缝间距,纵向长度不大于3 0 m，横向长度不大于150 m。

在每个温度伸缩单元应分别同时设置横向水平支撑和竖向柱间支撑以形成几何不变、稳定的空间结构体系。

屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二个开间，当端部支撑设在第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。

柱间支撑之间的距离要根据房屋纵向受力分布情况来确定，通常控制在30-45m范围内，如果配置了吊车，最大至60 m，当房屋高度相对于柱间距较大时，柱间支撑宜分层设置。

在刚架转折处应沿房屋全长设置刚性系杆。

墙梁和檩条一般采用冷弯卷边槽钢或卷边Z形钢。

2.3.2 多层工业厂房结构形式多层工业厂房的结构形式主要有框架结构、框架——支撑结构和框架——剪力墙结构等。

多层厂房一般是轻工业厂房，为了保证工业厂房的空间足够大，通常采用框架结构，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，缺点是柱子要采用两个方向惯性矩差别不大的矩形截面，这会使用钢量增加。

框架——支撑结构一般是在层数比较多、工艺条件允许的条件下使用，横向设计成刚接框架，纵向设计成柱——支撑体系，用柱间支撑抵抗水平荷载。

这种体系经济节约，但柱问支撑可能会影响使用。

这种形式特别适用于纵向较长，横向较短的厂房。

框架——支撑体系对楼面的刚度要求较大，否则将出现柱子间的变形，致使柱间支撑的作用无法充分发挥。

框架——剪力墙结构具有较高的抗侧向承载力，但剪力墙会对使用空间形成限制，一般适用于层数较多，高度和侧向荷载较大的厂房。

2.3.3 烟囱烟囱是一种高耸结构，是火电厂和锅炉房必不可少的组成部分，因而存在于大多数与能源相关的工业中。

从材料来看，一般有砖烟囱、钢筋混凝土烟囱和钢烟囱三类，早期多采用砖烟囱，高度较低，钢筋混凝土烟囱最为普遍，而现在多采用钢烟囱来达到很高的高度，其高度可达几百米以上。

工业建筑中的烟囱有单筒式烟囱、自立式钢烟囱、塔架式钢烟囱、套筒式烟囱和多管式烟囱等。

以某电厂的双管自立式钢结构烟囱为例。

该双管自立式烟囱由2根直径7.3m、高240m的主管及侧向钢结构析架支撑体系组成，两主管在98.%m标高以上为直段，98.%m标高以下为斜段，斜段的坡度约为1.436%。

钢析架支撑体系的主弦杆在98.%m以下分开为树权形，以便炉后上煤方案的布置，输煤栈桥也可借此空间从烟囱的两个排烟筒之间通过。