鋼結構廠房設計中常見問題分析

王學文

（昆明冶金研究院，云南 昆明 650031）

鋼結構已經在我國建筑領域中成為主要的構造之一，在工業廠房、倉庫等建筑中，大量采用了鋼結構排架、鋼框架、門式鋼架等結構，但是鋼結構本身的缺點也是比較明顯，防腐蝕和防火性能比較差，這也會在一定程度上影響鋼結構的應用，下面主要結合當前鋼結構廠房設計中的常見問題予以分析。

1 鋼結構的防火問題

分析鋼材的物理特性可以看出，鋼材具有優異的導熱性能，導熱系數為50W/m·℃，當鋼結構的溫度達到100℃之后，鋼結構的抗拉性能就會明顯降低，其彈塑性增加非常快；當鋼結構的溫度超過250℃之后，雖然鋼結構的抗拉伸強度有所增強，但是其彈塑性降低非常快，這時候的鋼結構也就會出現藍脆現象；如果鋼結構的溫度超過500℃之后，鋼結構的強度降低非常快，這時候的鋼結構很容易坍塌。因此，對于鋼結構的廠房設計過程中必須考慮防火措施，當鋼結構所處的環境溫度超過150℃之后，鋼結構必須做隔熱防火處理，當前通常做法是在鋼結構的外側增加耐火磚、硬質防火板材或者使用混凝土結構，對于一些特殊用途的鋼結構可以采用涂刷厚型防火材料，其涂刷的厚度必須以《鋼結構防火涂料技術規程》中的相關要求來計算，如果涂刷的厚底較薄，便會影響防火性能；如果涂刷的厚度較厚，雖然能夠提升結構的防火性能，但是會浪費大量的材料，增加工程成本的支出，從經濟學的角度來看不適合，故需要與相關專業協調，在重點位置涂刷。

2 支撐系統的設計

對于鋼結構的廠房來說，通常為了確保廠房整體剛度，控制廠房位移，以及明確地傳遞縱向水平力，同時還要考慮到廠房中設備運行對鋼結構的影響，必須結合廠房高度、跨度、溫度區段的長度等具體情況來設置支撐系統。鋼結構的支撐系統目前主要有屋蓋支撐和柱間支撐。

2.1 柱間支撐系統

廠房設計過程中必須要在每一溫度區段內設置柱間支撐系統，同時也要充分考慮到屋蓋橫向水平支撐的協同工作問題。由于下柱支撐的位置是決定鋼結構縱向變形的主要因素，同時還會影響到溫度應力的大小，因而當廠房長度較長時不宜將柱間支撐設置在縱向端頭跨內，否則吊車梁等縱向機構不能夠隨著環境溫度變化向溫度區段的兩端伸縮。根據《建筑抗震設計規范》的要求，當7度廠房單元長度大于120m（采用輕型圍護材料時為150m）、8度和9度廠房單元大于90m（采用輕型圍護材料時為120m）時，應在廠房單元1/3區段內各布置一道下柱支撐。為了提升廠房結構上部的縱向剛度，以及傳遞縱向地震作用和山墻的風力，還應該在溫度區段的兩端柱間設計上柱支撐。

2.2 屋蓋支撐系統

屋蓋支撐系統通常是由垂直支撐、縱向支撐、橫向支撐以及系桿組成。屋蓋支撐系統的設計應該結合廠房的高度、柱網布置、廠房跨度、屋蓋結構形式以及廠房內設備的振動情況進行綜合考慮。此外，屋面支撐系統的布置，還應根據柱間支撐的位置總體考慮，使屋面支撐與柱間支撐形成簡潔的傳力路徑，并形成有效的提高廠房剛度的措施。如果廠房內有大型振動設備的廠房，其屋蓋還應該設置縱向水平支撐。

3 防腐蝕問題

鋼結構雖然具有鋼筋混凝土結構不具備的彈塑性和抗拉伸強度，但是鋼結構必須考慮腐蝕問題。我們知道鋼材如果不做任何防腐處理，長時間暴露在環境中就會很快腐蝕，從而影響鋼結構的使用性能。對于廠房的鋼結構而言，經常處于潮濕的環境中或者廠房內還有腐蝕性的介質附著在結構表面，鋼結構的腐蝕速度便會加快，因而必須重視鋼結構的腐蝕問題。

對于廠房的鋼結構必須要充分考慮廠房的環境條件和鋼材的本質特性來采取相應的處理和防護措施。對于鋼結構防腐處理通常是在鋼材表面涂刷防腐漆，涂刷的厚度和層數是由鋼材的使用環境以及涂層的性質決定的，對于生產中存在強腐蝕性液體、氣體等廠房，比如電解車間等，應采用相應的材料（如玻璃鋼）對廠房構件進行包裹，并采取加強通風等措施，減小腐蝕性氣體的濃度。對于生產環境較惡劣的車間，鋼結構柱腳在地面以下以及地面以上150mm高度范圍內，應該采用強度等級不小于C20的混凝土包裹，并且厚度不小于50mm，在有侵蝕介質的廠房內，型鋼的厚度不得小于8mm。

4 抗震設計問題

“5.12”汶川大地震、雅安地震給我們帶來了慘痛的教訓和很大的經濟損失，雖然地震發生的幾率比較小，但是還要考慮到鋼結構的抗震性能。通常情況下，鋼結構由于具有極強的抗拉伸性能和彈塑性，具有良好的抗震性能，如果鋼結構在設計過程中存在不合理的問題，當廠房遭遇到大地震時，也會造成嚴重的破壞，因此鋼結構廠房設計過程中應嚴格遵守建筑物抗震設計規范，對于工藝配置較特殊的車間，應采取必要的構造措施，來確保鋼結構在地震發生之后的安全性和可靠性。

首先對于鋼結構的總體布置方面必須嚴格要求鋼結構的剛度要均勻分布，確保鋼結構的受力均勻以及變形統一協調，這樣能夠避免在地震作用下，因為鋼結構剛度不均勻和變形不協調對廠房結構產生不利影響；其次是地震作用下，鋼結構破壞基本上都是由于桿件強度不足及失穩造成，因而必須確保鋼結構的整體及局部穩定性；最后要重視鋼結構連接點的設計和施工技術標準，必須確保節點破壞不先于結構件，使得整個構件能夠進入塑性工作狀態，發揮極限能力。

5 結論

鋼結構在現代廠房建筑物、構筑物中由于結構輕巧、施工時間比較短以及抗震性能優異等特點，使得鋼結構在大跨度廠房、高聳構筑物中得到廣泛的應用，只有在設計過程中充分考慮到鋼結構可能出現的各種問題，才能夠從根本上確保鋼結構的結構安全及使用要求。