鋼結構廠房設計若干問題研究

齊雁

【摘要】近年來我國建筑鋼結構產業得到迅速的發展，但開始應用鋼結構工業廠房的時間較短，許多設計和施工技術還處于探索階段。本文就鋼結構工業廠房設計的若干問題進行探討，供廣大設計人員參考。

【關鍵詞】鋼結構； 排架； 撓度； 失穩

1. 鋼結構工業廠房的特點

建筑鋼材因具有較高的強度、較好的塑性和韌性，適合建造承載重、高度高、跨度大的廠房結構。鋼結構工業廠房的結構通常不會產生因超載而突然斷裂的情況；鋼結構適合在動力荷載的環境應用，故在地震區采用鋼結構特為有利；鋼結構工業廠房的重量輕，可減輕整體結構重量的30%以上，由于鋼材強度高、自重輕，因而基礎負荷小，大大降低地基基礎的工程造價，同時也方便吊裝與運輸；由于鋼結構連接特性，易于改建、加固及拆遷，且鋼結構構件也可工廠化大批量制造，施工簡便，安裝快捷，極大地縮短施工周期；鋼結構工業廠房屬于綠色環保型建筑體系，鋼材屬于高效能高強度的材料，再循環價值很高，且無需制模施工。

2.鋼結構廠房設計需注意的事項

每種結構都有其特別之處，各種功能的建筑有其自身的需求。工業廠房就是一種特定功能建筑，它需要大空間大跨度，同時配置各種相應的設備，一般其上部采用鋼結構等?，F在選取幾項鋼結構設計的注意事項，談談我的看法。

（1）單件屋面板長度不宜過長。屋面漏水大致有兩種：①采用屋面釘板時，釘孔孔位可能出現滲水②屋面板橫向搭接處滲水，主要原因是面板過長，雨水漫過波峰，導致搭接處大面積滲水。因此要根據面板材料特性，及當地降雨量來合理選取單坡長度。

（2）鋼結構構件驗算時，如何合理選取對應的截面（凈截面、有效凈截面、有效截面、毛截面）。①毛截面：不扣除孔洞的截面面積，不考慮孔洞對截面的削弱。驗算構件整體穩定性時，可采用毛截面面積進行計算；②凈截面：扣除孔洞的截面面積，考慮孔洞對截面的削弱，主要用于強度驗算。比如受拉構件的強度驗算應采用凈截面面積進行計算；③有效截面：考慮屈曲后強度但并不扣除孔洞的截面有效面積。一般對于寬厚比較大的冷成型鋼，采用有效面積來考慮局部的屈曲后強度問題；考慮到板太薄，受壓時會發生局部屈曲，從而不能全截面都用來承載。故對這種薄壁構件認為其中的一部分截面（有效截面）正常受力，而其他部分不考慮它的作用。④有效凈截面：考慮屈曲后強度并且扣除孔洞的截面有效面積。構件受壓強度既要考慮孔洞對截面強度的削弱，也要考慮局部的屈曲后強度，一般采用有效凈截面計算。構件受拉時不用考慮局部屈曲，所以仍采用凈截面。

綜上所述：對于普通鋼結構構件，驗算強度時采用凈截面，驗算穩定性時采用毛截面；對于薄壁鋼結構構件，驗算受拉強度時采用凈截面，驗算受壓強度時采用有效凈截面，驗算穩定性時采用有效截面。

（3）受彎工字梁失穩及解決方法：施加荷載不大時，梁基本上在其最大剛度平面內彎曲；當施加荷載達到一定數值后，梁將同時產生較大的側向彎曲和扭轉變形，最后很快的喪失繼續承載的能力。此時梁的整體失穩必然是側向彎扭彎曲。解決方法有三種：①增加梁的側向支撐點（如屋面梁設置隅撐作為側向支撐點）。②調整梁的截面，增加梁側向慣性矩或增加受壓翼緣寬度（如吊車梁上翼緣）。③調整梁端支座對截面的約束，支座如能提供轉動約束，梁的整體穩定性將有較大的提高。

（4）次梁與主梁連接一般設計為鉸接：如果次梁與主梁剛接，在主梁同一截面處兩側都有相同荷載時，對主梁影響不大。如果只是單邊有剛接的次梁，對于主梁來說平面外受扭，需要計算抗扭。梁的整體失穩主要表現為側向彎扭彎曲，因此應盡量避免梁平面外受扭。另外，若次梁與主梁采用剛接節點，現場焊接工作量將大大增加。

（5）當梁的撓度過大時，可以通過起拱加于控制，起拱的大小一般為恒載標準值加1/2活荷載標準值所產生的撓度值。對于鋼結構來說，撓度過大會影響屋面排水，同時使人感覺不安全；對于混凝土結構來說，撓度過大會造成耐久性的局部破壞（包括混凝土裂縫）。以撓度為主要控制因素的鋼梁，采用起拱辦法能減低結構的用鋼量。

另外，還有3個事項與風荷載有關，設計時需要注意的：

①敞開式建筑：指外墻面至少有80%敞開的建筑。部分封閉式建筑：受外部正風力的墻面上孔口總面積超過該建筑物其余外包面（墻面和屋面）上孔口面積的總和，并超過該墻面毛面積的5%，且建筑物其余外包面的開孔率不超過20%的建筑。他們對應著不同的體形系數。

②邊緣帶：確定圍護結構構件和面板上風荷載體形系數時，在外墻和屋面上劃分的位于建筑物端部和邊緣的區域。凡不屬邊緣帶的均為中間區。端區：確定主剛架上風荷載體型系數時，在外墻和屋面上劃分的位于建筑物端部和邊緣的區域。凡不屬端區的均為中間區。

（6）門式剛架的抗震設計原則：①采用底部剪力法。門架以剪切變形為主，質量剛度分布均勻，兩個振型周期相差太大，以第一振型為主，所以采用底部剪力法計算。②7度及其以下不需要地震計算，但仍需要采取抗震措施。③門架抗震措施主要是加強節點：①構件之間盡量采用螺栓連接；②梁柱節點，在梁下翼加掖板；③梁柱連接點處寬厚比適當減小；④柱間支撐與構件連接處節點按1.2倍桿件承載力設計；⑤柱間支撐和柱連接處的柱腳錨栓要做抗拔驗算，并防止錨栓抗剪，設置抗剪鍵。附帶引出，一般柱腳都應該設置抗剪鍵。在《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中，柱腳的水平剪力可以由柱底板與混凝土的摩擦力或設置抗剪鍵承受。如果由柱底板與混凝土的摩擦力來承受，二次澆筑施工質量需要得到保證，澆筑要密實，并采用膨脹劑混凝土或無收縮混凝土。

（7）混凝土柱加變截面鋼梁的單層工業廠房可以按排架結構設計。此時輕鋼屋面梁可以按門式剛架規范進行設計；對于混凝土柱按混凝土規范進行設計。對于這種結構形式，關鍵是混凝土柱和鋼梁的節點設計，連接方式一般應該采用鉸接（混凝土是一種脆性材料，雖然可以通過配筋承受彎矩和剪力，但在連接部位，它的抗拉、抗沖切的性能很差，在外力作用下很容易松動和破壞。）。在鋼梁下部設置一根拉桿，能減少鋼梁對柱頂產生的較大水平力，從而大大降低混凝土柱腳的彎矩。

（8）吊車梁的設計：吊車在吊車梁上運動產生三個方向的動力荷載：豎向荷載、橫向水平荷載和沿吊車梁縱向的水平荷載?？v向水平荷載是指吊車剎車力，其沿軌道方向由吊車梁傳給柱間支撐，計算吊車梁截面時不予考慮。橫向水平荷載應等分于橋架的兩端，分別由軌道上的車輪平均傳至軌道，其方向與軌道垂直，并考慮正反兩個方向的剎車情況。計算重級工作制吊車梁及其制動結構的強度、穩定性以及連接（吊車梁、制動結構、柱相互間的連接）的強度時，應考慮吊車擺動引起的橫向水平力。豎向荷載在吊車梁垂直方向產生彎矩和剪力，水平荷載在吊車梁上翼緣平面產生水平方向的彎矩和剪力。吊車梁一般設計成簡支梁。若按連續梁設計固然可節省材料，但連續梁對支座沉降比較敏感，因此對基礎要求較高。

3.小結

工業廠房采用的排架結構，從結構形式來看，固然比較簡單，結構間傳力明確。盡管這樣，需要注意的問題還是有很多的，以上僅僅列舉了幾點作為闡述。讓我們在工程實踐中繼續探索，積累更多的工程設計經驗。

參考文獻：

[1] 《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS102：2002.中國計劃出版社.

[2] 《全國民用建筑工程設計技術措施》.中國建筑標準設計研究院，2009.

[3] 《鋼結構設計規范》GB50017-2003.中國計劃出版社.