輕鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房設(shè)計中的應(yīng)用

梁 濤

（山西太鋼工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030009）

1 概述

輕型鋼結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展迅猛，特別是《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》公布以來，伴隨著彩鋼板、太空板、巖棉板、薄壁型鋼等產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化，我國每年都有上千萬平方米的輕鋼建筑工程，這些建筑主要用于輕型的倉庫、廠房、體育館、汽車展廳、機場航站樓、機庫及加層建筑等。輕型門式剛架的梁、柱根據(jù)需要可加工成變截面構(gòu)件，也可采用焊接H形鋼。梁柱節(jié)點參考當?shù)氐目拐鹎闆r及地基情況采用剛接、鉸接或者二者并用。

2 大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1 荷載的分析及合理取值

首先，根據(jù)所處的地理位置選擇當?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度、風荷載、雪荷載。

其次，根據(jù)使用情況和結(jié)構(gòu)構(gòu)成選取樓面及屋面的恒荷載、活荷載。

第三，選取合理的恒荷載、活荷載分項系數(shù)。對于可能出現(xiàn)的危險，要留有足夠大的安全系數(shù)，并進行最不利的荷載組合。

2.2 梁、柱截面的預(yù)估

當建筑結(jié)構(gòu)體系布置結(jié)束后，需對重要構(gòu)件截面作初步估算，特別是指梁、柱、支撐等的斷面尺寸的預(yù)估。

根據(jù)荷載與支座情況，鋼梁截面高度通常在跨度的1/20～1/50之間選擇。翼緣寬度可根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定，這樣可避免鋼梁整體穩(wěn)定的復(fù)雜計算。在截面高度和翼緣寬度確定后，板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造要求判定。

柱截面按長細比預(yù)估，通常為50＜λ＜150，簡單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。

2.3 變形縫間距的規(guī)范要求

輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段長度應(yīng)按下列要求規(guī)定：①縱向溫度區(qū)段變形縫間距不大于300 m；②橫向溫度區(qū)段變形縫間距不大于150 m。這是規(guī)范的基本要求，解釋為：當有計算依據(jù)時，溫度區(qū)段長度要求可以適當放寬。溫度區(qū)段超限，可以通過增加支撐來約束溫度應(yīng)力，使溫度應(yīng)力均勻分配到各個柱基礎(chǔ)，從而保證廠房的整體穩(wěn)定不被破壞。

2.4 失穩(wěn)的控制

2.4.1 設(shè)計過程中需注意的問題

建筑體系的穩(wěn)定不但要考慮整個體系，同時還要對組成體系的單體構(gòu)件進行受力分析。目前，公司應(yīng)用軟件大多進行的是平面計算，很少能進行空間計算。雖然有的軟件能進行空間計算，但由于使用過程復(fù)雜，不易上手，所以未能廣泛地應(yīng)用。由于不進行空間整體分析，就不能簡單地確定穩(wěn)定情況，所以必須設(shè)計必要的支承構(gòu)件，以確保足夠的平面外支撐。

2.4.2 施工過程中的失穩(wěn)問題

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計很重要，但施工工序同樣重要，不當?shù)氖┕ち鞒虝斐芍旅暮蠊袝r不單單是財產(chǎn)損失，甚至會付出生命的代價。所以，施工中要注意以下幾點：

（1）鋼結(jié)構(gòu)焊接。對于施工單位首次焊接的鋼種，一定要進行焊接工藝評定，并制定相應(yīng)的焊接工藝。嚴格把好接頭裝配質(zhì)量關(guān)。接頭的裝配質(zhì)量包括：坡口質(zhì)量、根部間隙、對口錯邊量等幾個方面。焊接過程中為減少焊接應(yīng)力，防止產(chǎn)生焊接裂紋，應(yīng)嚴格按照標準規(guī)定要求對焊接部位進行預(yù)熱，在整個焊接過程中應(yīng)隨時加熱以保證焊縫道間溫度，并一次焊完一條焊縫，在焊接完成后，應(yīng)及時按標準要求進行后熱。對設(shè)計及國家規(guī)范要求探傷的焊縫，應(yīng)對每條焊縫按比例要求進行無損探傷。焊縫完成后質(zhì)檢人員要及時按設(shè)計和GB50205等標準要求進行外觀檢查和無損檢驗，不合格部分及時通知焊工返修。

（2）鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量控制。安裝前，施工單位應(yīng)對構(gòu)件的產(chǎn)品合格證、設(shè)計文件與預(yù)拼裝記錄進行檢查，并復(fù)驗記錄構(gòu)件的尺寸。鋼結(jié)構(gòu)的變形、缺陷超出允許偏差時，應(yīng)進行處理。鋼結(jié)構(gòu)安裝前，應(yīng)編制詳細的測量和矯正工藝，厚鋼板的焊接應(yīng)在焊接安裝前進行模擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝試驗，編制相應(yīng)的施工工藝。對拼裝好的屋架應(yīng)預(yù)設(shè)一定的起拱度。鋼結(jié)構(gòu)吊裝就位后，應(yīng)對構(gòu)件定位軸線、標高等設(shè)計要求控制點進行測量，并做好標記，對吊裝對接接頭質(zhì)量進行焊前檢查。安裝好臨時支撐及鋼索以使鋼屋架在施工過程中安全穩(wěn)定。

2.4.3 維護、使用過程中的失穩(wěn)問題

在工業(yè)車間的使用過程中，由于誤操作、雨雪和熱輻射常常造成承重構(gòu)件的失穩(wěn)。在物流車間，車輛頻繁操作，司機不小心會誤撞柱子，由于輕鋼結(jié)構(gòu)跨度大、重量輕、柱子截面小，很容易導致柱子移位，進而造成車間垮塌。有效的辦法是設(shè)置護欄，對重要通道的柱子進行保護，以避免對柱子造成傷害。

屋面天溝設(shè)置不當，屋面坡度過緩會造成排水不暢，特別是下雪天，雨雪白天不能及時排走，晚上結(jié)了冰凍在屋面上，第二天又接著下雪，就會造成屋面雪荷載過大，導致屋面檁條發(fā)生彎曲，屋面板出現(xiàn)縫隙，發(fā)生漏水，嚴重的還會造成屋面梁垮塌，引發(fā)安全事故。

2.4.4 掃雪操作不當

連續(xù)大雪會使屋面荷載增加明顯，有時候還會達到設(shè)計強度界限。業(yè)主急于減少屋面強度，便盲目讓人掃雪，由于掃雪區(qū)域順序不合理會造成不利情況發(fā)生，進而引發(fā)屋面坍塌。

3 鋼結(jié)構(gòu)的特點

（1）結(jié)構(gòu)自重輕。鋼結(jié)構(gòu)一般由壓型金屬保溫板、保溫層及檁條等材料組成，屋面、墻面的質(zhì)量都很輕。用鋼量一般為30 kg/m2左右。

（2）施工周期短。鋼結(jié)構(gòu)的工廠化制作，使工程質(zhì)量易于保證，施工時間短。

（3）空間設(shè)置靈活。門式剛架采用金屬壓型板封閉，因而柱網(wǎng)布置不受模數(shù)制約，柱距大小可以根據(jù)使用要求來確定。

（4）截面尺寸小。同等的受力條件，所需鋼結(jié)構(gòu)梁柱的截面只有混凝土構(gòu)件的1/2左右，極大地節(jié)約了空間，更好地滿足使用的空間要求，從而也降低了建筑成本。

4 如何做好鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計

4.1 荷載取值準確

嚴格按規(guī)范辦事，屋面結(jié)構(gòu)豎向均布活荷載的標準值（按水平投影面積計算）應(yīng)取0.5 kN/m2。《門式剛架技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，不上人屋面的活荷載為0.5 kN/m2，同時當構(gòu)件的荷載面積大于60 m2時可乘折減系數(shù)0.6，取0.3 kN/m2，與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的解釋一致。但近兩年，我國大部分地區(qū)常出現(xiàn)強降雪天氣，導致很多加油站、場館倒塌。因而，施工人員一方面要考慮投影面積大于60 m2的荷載折減，另一方面還要根據(jù)當?shù)氐难┖奢d情況取其中的最大值，以確保建筑安全。

4.2 考慮活荷載的最不利布置

應(yīng)該按照規(guī)范要求考慮活荷載的不利布置，雖然規(guī)范沒有明確活荷載不利布置的條件，但根據(jù)經(jīng)驗，大部分非臨時建筑都應(yīng)該考慮活荷載的不利布置。

4.3 節(jié)點的處理

強柱弱梁是設(shè)計要遵循的原則，同時，強節(jié)點弱構(gòu)件也是必不可少的設(shè)計準則。很多情況下，構(gòu)件滿足設(shè)計要求，節(jié)點卻不能滿足抗震要求，因此，加強節(jié)點域設(shè)計是要重點考慮的問題。

4.4 抗剪鍵的設(shè)置

在地震作用下，廠房的縱向水平力和橫向水平力很大。超出了柱腳螺栓承受的能力，這個時候柱腳底板剪力驗算不滿足，需要設(shè)抗剪連接件。《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力。此水平剪力可由底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力（摩擦系數(shù)可取0.4）或設(shè)置抗剪鍵承受。規(guī)范的意思是：水平力由摩擦力承受，或者由抗剪鍵承受，注意是“或設(shè)置抗剪鍵承受”，不是“和設(shè)置抗剪鍵承受”。

5 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用正處在大發(fā)展的時期，不久的將來還會有更廣泛的應(yīng)用，作為一名從事工民建設(shè)計的工作人員應(yīng)不斷積累經(jīng)驗，不斷學習國外的新知識，緊密結(jié)合冶金工業(yè)的發(fā)展，為鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用作出應(yīng)有的貢獻。