工業廠房鋼結構設計要點初探

【摘 要】由于鋼結構具有強度高、塑（延）性好、自重輕、施工工期短、制作方便、節能環保、構件可重復利用、地基基礎費用省等優點，鋼結構越來越多的應用于工業廠房的建設中。但是由于受傳統發展理念的制約，設計師在廠房設計階段會遇到不同的問題，導致廠房設計質量存在諸多問題，這直接導致了后期施工建設不達標，給企業造成了巨大的經濟損失，因此必須重視工業廠房鋼結構設計工作。本文重點探討了工業廠房鋼結構設計要點。

【關鍵詞】鋼結構；柱腳設計；檁條；耐熱

一、鋼結構工業廠房

廠房一般有以下幾種結構形式：砌體結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構。應用鋼結構建設廠房具有以下幾個方面的優點：（1）鋼結構與混凝土結構相比較，混凝土結構具有較為復雜的建筑工藝，且不具備較強的防震能力，而鋼結構因自重輕，不但能夠彌補這些缺陷，還可以有效降低了地基承載力。（2）在實際施工過程中具有較快的安裝速度，而鋼結構的組成零件可以進行大批量工業化生產，應用設備實施給料、焊接和開孔等作業，并及時處理好表面結構，有利于實際建設中的拼裝施工，在一定程度上可以減少施工周期。（3）鋼結構系統通常會應用具有較高強度的材料，而鋼結構廠房因投資成本不高，且拆遷便利，所以可以反復回收利用，避免了材料的浪費，對環境起到很好的保護作用。

二、工業廠房鋼結構設計要點

（一）屋面支撐與柱間支撐的確定

支撐的作用主要是保證結構體系成為空間體系，有足夠的空間剛度。支撐所受力主要是風載和地震作用，溫度作用。計算支撐內力時一般假定節點為鉸接，并忽略偏心的影響，并且一般的支撐都是按拉桿考慮，所以，一般適宜雙向布置。

1.屋面支撐

屋面支撐受力較小，桿件截面通常可按容許長細比來選擇。交叉斜桿和柔性細桿按拉桿設計，可采用單角鋼；非交叉斜桿、弦桿、豎桿以及剛性系桿按壓桿設計，可采用雙角鋼組成十字形或T形截面。當屋架跨度較大、房屋較高且基本風壓也較大時，桿件截面應按桁架體系計算出的內力確定。計算支撐桿件內力時，可假定在水平荷載作用下，交叉斜桿中的壓桿退出工作，僅由拉桿受力。

2.柱間支撐

對廠房來說：分為上層支撐和下層支撐，上層支撐計算時，為避免由于支撐剛度過大而引起較大的溫度應力，支撐腹桿常按柔性拉桿計算。交叉體系的下層支撐當吊車作用較小時一般圓鋼，較大時通常采用角鋼或槽鋼。交義斜桿常按拉桿設計，但為了提高廠房的縱向剛度，當吊車較大時，應按壓桿設計。

（二）柱腳設計

輕鋼結構柱腳形式有兩種：即鉸接柱腳和剛接柱腳。對于鉸接柱腳，基礎僅受軸心荷載作用，設計相對比較簡單。但部分輕鋼節結構廠房都有吊車，依據《輕鋼結構剛架輕型房屋鋼結構技術規程》規定：用于工業廠房且有5t以上的橋式吊車時，宜將柱腳設計成剛接；《技術措施結構2003）規定：當設有橋式和梁式吊車時，輕鋼結構剛架柱宜采用等截面構件，柱腳應設計成剛接。因此5t以上的橋式和梁式吊車的門剛結構柱腳應設計成剛接；3t及以下懸掛式吊車和無吊車的門剛結構，柱腳才可以設計成鉸接。有較大吊車的房屋，柱頂位移較大，柱腳采用剛接，使得每榀剛架形成超靜定結構，不但能減小柱頂位移而且具有更大的安全儲備。對于高寬比和風荷載較大的無吊車門剛結構，柱腳也宜設計成剛接。

同時當柱底板與混凝土基礎間的摩阻力不足以抵抗全部的水平剪力時柱腳還應設置抗剪鍵，抗剪鍵的設置需要計算。在基礎施工時應留置鍵槽，鍵槽每側寬出抗剪鍵不小于30mm，底部空隙高度不小于20mm。在柱腳底板和基礎頂面之間留有一定空間，柱腳鉸接時不宜大于50mm，柱腳剛接時不宜大于100mm。

（三）圍護結構中檁條的設計

檁條通常是風荷載工況起控制作用，設計時常忽略驗算風吸力作用下的穩定，導致大風時很容易失穩破壞。為了保證風吸力作用下的整體穩定，通常在檁條之間設置拉條。計算中已考慮拉條的作用而施工圖中忽略了布置拉條或拉條布置不當都將導致檁條失穩破壞。正確的拉條布置位置是根據計算結果在檁條上下翼緣附近，在上下穩定均需要拉條約束時，在實際工程設計中有些設計者對屋面或墻架最上端檁條的側向支撐，如拉條、斜拉條、撐桿能正確設置，但對中間墻面或屋面，如門窗洞口、屋面風機開孔處、屋面天窗（采光窗）等處，經常只設拉條，而漏設斜拉條和撐桿等，根本無法將拉條上的拉力傳至承重結構上。其根本原因是對拉條、斜拉條、撐桿的傳力作用及途徑不清楚，同時也是對規范條文只知其然，不知其所以然，從而給圍護結構的設計帶來安全隱患。

（四）提高耐熱性能的設計

鋼結構建設使用鋼材為建設原料，鋼材屬于金屬類別，因而具有較強的導熱性能。在鋼結構廠房中，這種導熱性能卻具有危害性，耐熱性能不高使得整個廠房的防火功效令人擔憂。據科學研究表明，以250度溫度為界：在250度以下，隨著溫度的提高，鋼材的抗拉強度會減小，而塑性有所提高；在250度以上，隨著溫度的提高，剛才的抗拉強度會增大，而塑性有所降低，同時鋼材的強度變小；當溫度達到500度時，鋼材的強度就會降到最低。當鋼結構應用到廠房建設中時，溫度過高就會給廠房帶來倒塌的危險，為此需要在提高廠房耐熱性能方面做出改善。提高鋼結構的耐火性能可以從材料、構件、結構3個層次考慮，另外有效的防火保護措施也是提高鋼結構耐火性能的一個重要途徑。

1.提高鋼材耐火性能

鋼結構的耐火性能取決于鋼材，因此提高鋼材的耐火性能是提高鋼結構抗火性能的根本之道。應用建筑耐火、耐候鋼：通過在鋼材中添加耐高溫的合金元素Mo、Cr、Nb等，使得鋼材在600℃時的屈服強度不小于常溫屈服強度的2/3，且其他性能與相應規格的普通結構鋼基本一致。此外由于它的耐火性能好，可以在施工時適當減小保護層的厚度，甚至可以不涂防銹漆，這樣可以節省一定成本。防火涂料是施工時涂抹在鋼架表面，形成一層耐火隔熱的保護膜，提高鋼架耐火性能的材料，其類型可分：薄型、超薄型和厚型等幾種涂料。厚型涂料是顆粒狀材料，在高溫情況下靠涂料自身的厚度和較低的導熱性能對鋼架構件起到隔熱的作用。超薄型和薄型涂料自身厚度較薄，在高溫情況下涂層會膨脹增厚來保護鋼架，避免其過熱。這兩種類型適和隱蔽結構、裸露的鋼梁和斜撐等鋼架構件使用。

2.采用防火能力強的構件

采用鋼混組合構件，如鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱等可以有效提高耐火極限，且鋼管直徑越大，耐火時間越長。還可以利用非燃燒體的圍護或分離構件，如非燃墻體為鋼構件提供防火保護，而不需另做防火保護層。對于裸露在外的鋼構件，則應采取合理的防火保護構造。

3.采用有利于防火的結構形式

采用鋼混組合結構，如鋼板混凝土組合剪力墻結構，或者在關鍵部位比如樓板和樓梯這種對防火要求較高的部位采用鋼筋混凝土結構。鋼結構防火保護構造作法應合理、堅固、經濟、易于施工并利于裝修。

參考文獻：

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[2]李京都.簡述單層鋼結構廠房設計中的問題[J].建筑工程技術與設計，2015年9期.