淺談鋼結構廠房結構設計要點

摘要：鋼結構形式的廠房在國內外應用相當廣泛，其具有自重輕、施工速度快等顯著優勢，作為設計人員應當從結構布置、桿件設計等方面來綜合考慮，設計出經濟合理的鋼結構廠房。

關鍵詞：鋼結構；廠房設計；結構布置；節點設計

廠房結構布置技巧

對于廠房結構布置來說，其由橫向框架和縱向框架的柱形成一個柱網。從結構布置的合理性角度考慮，對于廠房柱網的布置不僅要考慮上部結構，還應考慮下部結構，諸如基礎和設備（地下管道、煙道、地坑等設施）要與柱網相配合。實踐表明，廠房柱網布置應當考慮工藝、結構與經濟等方面的要求。

（1）從工藝要求方面考慮，柱的位置應和車間的地上設備、機械及起重運輸設備等取得協調。柱下基礎應與地下設備（如設備基礎、地坑、地下管道、煙道等）相配合。此外，柱網布置還要適當考慮生產過程的可能變動。

（2）從結構要求方面考慮，以所有列的柱間距均為相等的布置方式最為合理。這種布置方式可使得廠房橫向剛度最大，屋蓋和支撐系統布置最為簡單合理，全部吊車梁的跨度均相同。因此，在這種情況下，廠房構件的重復性較大，從而可使結構構件達到最大限度的定型化和標準化。但這種結構的理想狀態有時得不到滿足，例如，一個雙跨鋼結構制造車間，其生產流程是零件加工一中間倉庫一拼焊連接順著廠房縱向進行，但橫向需要連系，在中部要有橫向通道，因此中列柱中部柱距較大，部分中列縱向框架有托架。柱距變為邊柱距的2倍。

（3）從經濟方面來看，柱的縱向間距的大小對結構重量影響較大。柱距越大，柱及基礎所用的材料越少，但屋蓋結構和吊車梁的重量將隨之增加。在柱子較高、吊車起重量較小的車間中，放大柱距可能會收到經濟效果。最經濟柱距雖然可通過理論分析，但最好還是通過具體方案比較來決定。對于一般車間，邊列柱的經濟間距為6m。各列柱距相等同時又接近于最經濟柱距的柱網布置亦最為合理。但是，在某些場合下，由于工藝條件的限制或為了增加廠房的有效面積或考慮到將來工藝過程可能改變等情況，往往需要采用不相等的柱距。增大柱距時，沿廠房縱向布置的構件，如吊車梁、托架等由于跨度增大而用鋼量增加，但柱子和柱基礎由于數量減少而用鋼量降低。經濟的柱距應使總用鋼量最少。

從目前鋼結構廠房設計發展形勢來看，國內外廠房的跨度和柱距都有逐漸增大的趨勢，如日本、德國新建廠房的柱距一般為12m、15m，甚至更大，而且把15m作為冷、熱軋車間的經濟柱距。另外從構件統一化、標準化考慮，可降低制作和安裝費用，因而設計時，跨度應以3m、柱距應以6m為模數。綜上所述，一般當廠房內吊車起重量Q≤100t、軌頂標高H≤14m時，邊列柱采用6m、中列柱采用12m柱距；當吊車起重量Q=150t、軌頂標高H≤16m時，或當地基條件較差、處理較困難時，邊列柱與中列柱均宜采用12m柱距。當生產工藝有特殊要求時，也可局部或全部采用更大的柱距。近來在鋼結構廠房設計中有擴大柱網尺寸的趨向（待別是輕型和中型車間），以設計成能適用于多種生產條件的靈活車間，以適應工藝過程的可能改變，同時可節約車間面積和降低安裝勞動量。

屋蓋結構設計

屋蓋結構由于以下種種原因可能會引發一些事故，應引起設計者的注意。（1）對于屋蓋存在過厚積灰問題，這會導致荷載較原設計荷載大，從而導致屋蓋構件如檁條受荷增加，較易造成屋蓋的構件強度不滿足。（2）屋蓋構件存在銹蝕問題，導致構件的有效截面面積減小，從而造成構件的承載力比設計的少。如某燒結廠鋼屋蓋每年銹蝕0.2—0.3mm，屋架僅用幾年就需更換；又如某轉爐車間，由于屋架上聚集大量腐蝕性煙塵，桿件受到嚴重腐蝕，最后導致倒塌。（3）結構選型的不合理，如有顯著受拉優勢的桿件卻用于作為受壓桿件。如某廠平爐車間中列桿上天窗架斜拉桿，使用過程中由于屋架向下撓曲，使該桿受壓失穩。另外是所選取的鋼材質量不合格，碳、硫、磷含量過高，施焊時使鋼材開裂。（4）本身屋蓋設計的不合理，例如沒有合理布置屋蓋支撐，導致屋架失穩破壞。自防水屋面滲漏現象嚴重，影響使用，加上防水措施后又增加了屋蓋荷載，從而降低了屋蓋結構的安全度等情況。若設計構造不當或施工質量不好，引起偏心受力將大大降低結構的安全度，甚至引發事故。在重級工作制車間，特別是設有夾鉗或剛性料耙車間的廠房中，當支撐拉桿長細比>350時，振動較大，連接節點板有損壞現象。

綜上所述，對于屋蓋結構設計中對桿件選型應合理地結合建筑造型以及鋼材的生產工藝要求綜合考慮材料供應、施工能力、生產維修等諸因素以獲取較好的經濟效益。通過結合工程實踐經驗，對于屋蓋結構的具體設計形式應當兼顧到屋面材料、天窗形式、以及屋蓋結構構件的施工吊裝能力等因素。從實踐效果來看，對于輕型的工業廠房屋面可以考慮采用有檁屋蓋體系，而對于重型工業廠房屋蓋則可以考慮采用無檁屋蓋體系。對于屋蓋設計中如設計有天窗，則其設計形式可結合通風和采光要求確定。從使用效果來看，對于屋蓋采用縱向天窗，其構造簡單而且相對消耗鋼材較少，應用較為廣泛；而對于橫向天窗和井式大窗由于其構造復雜，消耗較多鋼材，所以較少被采用；只有當通風要求很高，需要很大的排風面積時，才考慮采用下沉式橫向天窗為宜。在一個溫度區段內一般只用一種天窗形式，但特殊情況時，亦可采用多種天窗形式，甚至在一跨度內亦可采用兼有縱向和橫向作用的混合型天窗。

節點設計要點

屋架桿件重心線應與屋架幾何軸線重合，并交于節點中心，以避免引起偏心彎矩。但為了制造方便，角鋼肢背到屋架軸線的距離可取5mm的倍數，如用螺栓與節點板連接時，可采用靠近桿件重心線的螺栓準線為軸線。當弦桿截面沿長度變化時，為了減少偏心和使肢背齊平，應使兩個角鋼重心線之間的中線與屋架的軸線重合。如軸線變動不超過較大弦桿截面高度的5%，在計算時可不考慮由此而引起的偏心彎矩。當不符合上述規定時，或節點處有較大偏心彎矩時，應根據交匯各桿的延剛度，將此彎矩分配于各桿。節點板的外形應盡量簡單，應優先采用矩形或梯形、平行四邊形，節點板不應有凹角。角鋼端部的切割一般垂直于它的軸線，可切去部分肢，但絕不允許垂直肢完全切去而留下平行的斜切肢。焊接屋架節點中，腹桿與弦桿或腹桿與腹桿邊緣之間距離一般采用l0一20mm，用螺栓連接的節點則此距離可采用5—10mm。單斜桿與弦桿連接，應使之不出現偏心彎矩。節點板應有足夠的強度，以保證弦桿與腹桿的內力能安全傳遞。節點板厚度不得小于6mm，但不要大于20mm。根據不同的力大小，選用各種節點板厚度。同一榀屋架中除支座處節點板比其他節點板厚2mm外，所有節點板應采用同一厚度。節點板不得作為拼接弦桿用的主要傳力桿件。

在多跨等高廠房中，屋架和柱的連接可以做成部分鉸接與部分剛接。如若全做成剛接，中列柱兩側的屋架支座在屋蓋豎向荷裁作用下會產生很大的負彎距，致使屋架和柱的安裝連接很復雜，用鋼量也大。因此，為了簡化構造和節約鋼材，有時將中列柱一側的屋架和柱做成柔弱連接或稱為塑性鉸。這種構造方案對于中、輕級工作制吊車廠房很適合，柔弱（塑性鉸）連接的具體做法是將屋架上弦和柱的連接作得弱一些，用薄板（厚度不超過10一12mm）和螺栓連接， 并將螺栓的距離加大，板長減小，使薄板在支座負彎矩引起的拉力作用下，很容易出現塑性變形而形成塑性鉸。由于產生塑性鉸所需要的負彎矩不大，故可按一般鉸接計算。但當外荷載使屋架端部出現正彎矩時，上弦受壓，仍能傳遞壓力，于是屋架和柱又可按剛接計算。

在多跨廠房中，當有一部分是重型車間，而另一部分是輕型車間，通常把重型車間處理成較強的門式框架而把輕型車間處理成與它相連接的廠形框架。計算時兩部分分開計算，把重型車間當作輕型車間的不動支點。

結語

本文結合輕型鋼結構廠房的特點，針對輕型鋼結構廠房結構設計，探討鋼結構廠房的結構布置、屋蓋設計及其節點設計等鋼結構廠房設計應注意的問題，為設計人員提供借鑒。

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