鋼結構廠房設計中應注意的幾個問題

邱亮

（黑龍江省食品醫藥設計院有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

由于社會經濟的發展和技術進步,在工業廠房的設計中，鋼結構已經成為一種重要的結構形式，它具有自重輕、造價低、施工周期短、工廠化程度高、現場工作量小、綜合效益高等優點。以哈爾濱地區為例，哈爾濱地處嚴寒地區，冬季氣溫低，堆積的冰雪反復凍融，保溫要求很高，同時也很容易對普通鋼屋面造成破壞，尤其是天溝處，造成滲漏。這都是需要注意的問題。

1 結構設計

1.1 廠房結構體系的選型問題

廠房結構方案的選擇主要是從滿足工藝流程、建筑節能設計、結構設計分析和技術經濟分析等方面綜合考慮確定的。

格構式鋼框架也是可選擇方案之一，它選擇鋼綴條柱和桁架構成平面框架，以雙層保溫壓型鋼板作為屋蓋和墻體的圍護。柱-網架結構方案是另一個可選擇方案。采用輕鋼或鋼筋混凝土柱作為承重結構，屋蓋采用鋼網架承重，上設雙層保溫壓型鋼板屋蓋，墻體可選用保溫壓型鋼板，也可選用砌體作保溫圍護。現行方案的主要優點是結構輕盈、經濟性好。制造和安裝周期短，造價較低，外形和內部都較為美觀，符合建設單位要求，因而得以實施。但是已建結構也存在著它固有的弱點，主要是結構剛度較差，特別是對于存在長期積雪可能的高寒地區例如哈爾濱，剛度問題會表現出來。此外在高寒地區圍護結構的耐久性也有待于考察。但作為一個高速發展領域的產品生產廠房，它的產品本身有高換代性，因而這些問題將不會影響到生產的正常進行。

1.2 門式剛架柱網尺寸的選擇及結構體系的布置問題

門式剛架柱網布置首先應滿足廠房工藝使用的要求，門式剛架間距通常為6m~9m，不論是否具有吊車、門式剛架的合理柱距，建議采用8m~9m，因為工程中構件數量的多少，將直接影響加工、安裝的工程量、施工進度及造價，一個工程采用9m柱距時的剛架、檁條、吊車梁等構件的數量要比采用6m柱距時約減少30%，雖然其截面有所增大，但其對縮短施工周期、降低工程造價的有利影響十分明顯。門式剛架的較經濟跨度建議在21m~24m范圍內采用，其合理的最大跨度不宜大于36m。其次，結構體系的選擇。檁條和墻梁既是承受豎向和水平荷載的構件，也是剛架和剛架之間的連系構件。廠房縱向水平力由支撐體系承受，在每個溫度區段端部柱間或第二柱間應設置屋蓋橫向支撐，其余位置每隔40m左右設置一道橫向支撐，以使整個房屋形成空間穩定結構。門式剛架輕型結構房屋的縱向溫度區段不大于300m;橫向溫度區段不大于150m。

1.3 門式剛架受力分析的原則

考慮到計算時假設屋面活載是滿布的，如荷載取值過大，則安全度較大，用鋼量也增大，規程Ⅰ規定:當采用壓型鋼板輕型屋面時，屋面豎向均布活荷載的標準(按水平投影面積計算)應取0.5kN/m2，包括計算屋面板、檁條，但對受荷載水平投影面積大于60m2的鋼屋架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可不小于0.3kN/m2。

荷載效應組合應符合下列原則:（1）屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應取兩者中較大值;（2）積灰荷載與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮;（3）施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時考慮;（4）多臺吊車的組合應符合現行國家標準12J的規定;（5）風荷載不與地震作用同時考慮。

1.4 檁條，墻梁及拉條應注意的問題

門式剛架輕型鋼結構廠房中的檁條和墻梁一般采用高效經濟的實腹式帶卷邊C形和Z形冷彎薄壁型鋼，其優點是截面回轉半徑和慣性矩相對較大，整體剛度較好，能夠充分發揮材料的性能，但同時也存在截面抗扭剛度較小，對荷載的偏心非常敏感，在計算時要考慮可能產生的扭轉變形和約束翹曲應力。在設計檁條、墻梁、拉條一類的圍護構件時應注意以下幾點:（1）風荷載標準值按規程的規定計算更能符合實際;為避免造成施工中的不便，應盡量不采用雙層拉條。（2）當檁條在風吸力組合作用下下翼緣受壓時，可通過穩定計算解決;（3）在風吸力作用下檁條的穩定性可采用《鋼結構設計規范》和《冷彎薄壁型鋼結構設計規范》中的公式驗算。

2 保溫隔熱設計

鋼材具有非常好的導熱性能，其導熱系數達到50W/m·℃，對于鋼結構建筑，如果不進行保溫隔熱處理，勢必會造成大量能源浪費和消耗，同時還要滿足工藝性要求和舒適性要求。針對不同氣候區域的工程項目，經過計算采用不同的保溫層厚度。

保溫設計的原理及計算方法:

2.1 熱工學中有如下理論:

其中，ΔT 為溫差，℃;A 為表面積，m2;ΔQ為熱流損失，W=T/S;R為熱阻，m2·℃/W。

以有生命力的“人“的感知為例:

夏天:t1(人體溫度)=37℃，t2(環境溫度)=35℃，Δt=2℃，要求R很小。

表現為穿薄的衣服，甚至光胳膊、短褲。

冬天:t1′(人體溫度)=37℃，t2′(環境溫度)=10℃，Δt′=27℃，要求 R 增大。

表現為穿厚的衣服，如羽絨服等。

由此導出:熱阻R是最關鍵值。“鋼結構建筑”保溫隔熱就是要獲取足夠的R值。

2.2 R=L/K=1/λ。

其中，L為隔熱材料厚度，m;K為隔熱材料導熱系數，W/m·℃;λ 為傳熱系數，W/m2·℃。

選擇λ和K，確定R。

根據《建筑設計熱工規范》，可以確定國內5個氣候帶的不同工況下的傳熱系數。

如青海格爾木(嚴寒地區)：

λ≤0.3W/m2·℃，玻璃棉K=0.041W/m·℃。

L≥K×1/λ=0.041×1/0.3=136mm，此為室內有采暖設施房屋或公共建筑的最低厚度。再考慮熱橋、窗戶的散熱，實際厚度一般取:L=136×120%=160mm。

3 屋頂設計的問題

3.1 屋蓋支撐

規范第9.1.20條規定，屋蓋支撐桿件宜用型鋼，目前多數采用圓鋼，甚至在8度地震區也有用圓鋼的，必須引起高度重視由于人們對震害的感受不深，認為地震發生的概率很小，因此重視不夠。作者建議8度地震區應用型鋼截面，7度及7度以下視剛架跨度和荷載大小可考慮是否一律采用型鋼。

3.2 鋼結構廠房屋面設計的防水問題

屋面防水設計涉及屋面坡度、天溝形式、單坡屋面長度等因素。屋面坡度，根據《屋面工程技術規范》的規定，屋面坡度最小為5%。但在實際工程中，一些外資鋼構公司屋面坡度經常做到3%，甚至2%。考慮到目前國內鋼構廠家技術力量、節點的處理、材料性能方面參差不齊，人們將屋面坡度控制在5%。在積雪較大的地區，坡度應適當增大。單坡屋面長度，主要取決于工程所在區域的最大溫差以及降雨所形成的最大水頭的高度。根據收集的資料和工程設計經驗，單坡屋面長度宜控制在70m以內，若超過70m，需做專題研究、特殊處理。哈爾濱地處嚴寒地區，冬季氣溫低，堆積的冰雪反復凍融，容易對普通鋼屋面造成破壞，尤其是天溝處，造成滲漏，根據以往的經驗，內天溝尚無成功的實例，故確定設計方案全部采用外天溝。另外哈爾濱冬季雪大，在高低跨處宜積很高的雪，威脅廠房安全，故確定設計方案采用一個屋脊雙坡屋面。

4 結語

鋼結構在現代建筑中由于用鋼量少，安裝設計時間短，工業化生產程度高，特別在廠房、倉庫等大跨度結構中得到更廣泛的應用。哈爾濱地區處于寒冷地區，冰雪覆蓋的時間較長，本文針對這個問題要求鋼結構廠房在設計重要著重考慮保溫，屋頂的防滲漏的設計，同時給出了一些建議。

[1]劉霄，楊紅旗，楊國海.輕型鋼結構廠房的設計與研究[J].山西建筑，2006-07-10.