輕鋼廠房的優化

【摘要】近年來，由于輕鋼結構的大力發展，門式剛架因具有，屋面荷載小，梁柱共同受力，結構合理，整體性好等優點，成為大跨度廠房最受歡迎的結構形式。相對屋架形式的廠房來說，除了簡潔明快、制作簡單、便于安裝、降低廠房高度等優點外，在廠房吊車噸位不是太大，上階柱不太高的情況下，對減少鋼材消耗量也有一定優勢。

【關鍵詞】大跨度；設計；荷載

傳統結構設計中，跨度較大的普鋼廠房屋面系統一般采用屋架式，一般可分為梯形屋架、三角形屋架、兩鉸拱屋架、三鉸拱屋架和梭型屋架等。一般認為，采用屋架結構較為節省材料但桿件多，施工制作復雜，人工消耗高。而在大跨度廠房中采用實腹梁過去一般是廠房有凈空限制或者特殊要求時才采用，普遍認為實腹梁鋼材消耗量較大，自重大。但這種結構的廠房相對屋架形式的廠房來說，除了簡潔明快、制作簡單、便于安裝、降低廠房高度等優點外，在廠房吊車噸位不是太大，上節柱不太高的情況下，對減少鋼材消耗量也有一定優勢。

大跨度工業廠房的優化設計：

1、荷載取值

大跨度工業廠房結構所受到的荷載主要有豎向荷載包括結構自重、吊車豎向荷載、屋面活荷載、積灰荷載及走道板活荷載；水平荷載包括風荷載、吊車水平荷載等。荷載取值準確與否直接關系到結構的安全以及耗鋼量的多少。一般情況下，屋面荷載我們按如下取值：永久荷載：壓型板取值0.3KN/ m2；可變荷載：剛架及屋面梁計算時取值0.3KN/ m2；（雪荷載超過該值時按雪荷載取值）單個構件及受荷面積不超過60 m2的檁條計算時取值0.5KN/ m2；（雪荷載超過該值時按雪荷載取值）未考慮屋面積灰荷載，是因為兩廠房都距離灰源較遠，加上軋鋼（管）廠房積灰的可能性相當小?？紤]積灰荷載和不考慮積灰荷載，曾經也作過計算比較，僅屋面梁耗鋼量就相差5%左右。當然這并不是說屋面荷載取值越小越好，最關鍵在于根據實際情況準確取值。

2、大跨度工業廠房縱向剛度計算

廠房的縱向剛度計算對整個廠房的使用安全是非常重要的，《鋼結構設計規范》對此有專門的規定：即由一臺起重量最大的吊車產生的縱向水平荷載標準值（不考慮動力系數）引起柱在吊車梁上翼緣頂面標高處的縱向位移值，不得超過 H/4000（ H為柱腳底面到吊車梁上翼緣頂面的距離）。計算柱縱向位移時，通常采用以下假定：僅考慮柱間支撐或其它縱向框架的剛度，而忽略柱剛度的影響，同時假定支撐與柱的連接節點為鉸接；計算十字交叉支撐時，一般僅考慮拉桿工作。當縱向水平構件如吊車梁、輔助桁架等截面較大時，忽略其軸向變形影響；吊車縱向水平力由溫度區段內所有柱間支撐共同承擔。

3、結構布置

在大跨度鋼結構工業廠房中，結構布置首要的是確定伸縮縫的位置，然后根據溫度區段確定柱間支撐的位置，最后才是綜合考慮屋面支撐等的布置。

4、變截面屋面梁的設計要點及焊接工藝

變截面屋面梁的設計宜采用中國建筑科學研究院開發的鋼結構CAD軟件STS 中的框排架模塊，柱頂端節點與梁剛接。可以一次性算出屋面梁和廠房柱的內力，并進行截面選擇和驗算。但設計時仍需要注意以下一些問題：

4.1屋面梁變截面點位置的選擇

大跨度工業廠房在屋面梁在支座處的負彎矩最大，但負彎矩向跨中成拋物線快速衰減，大約在寬度1/4～1/3處變為零，然后逐漸變為正彎矩，直到跨中附近正彎矩達到最大；一般來說，支座負彎矩都大于跨中正彎矩，為了節省材料，變截面梁一般也是根據彎矩圖的變化，在支座處截面做得最大，然后逐漸向跨中變小，直到一個位置，截面不再變化，變為等截面的一段。

4.2腹板的局部穩定

由于支座處負彎矩大，屋面梁在支座處的截面一般比較高，但腹板的厚度一般不宜取得太厚，如果高厚比超過規定值，在采用程序計算的同時，必須按照《鋼結構規范（ GB50017-2003）第4.3.3條再復核腹板的穩定性。

4.3隅撐的設置

隅撐的作用：設置隅撐是為了保證屋面梁下翼緣平面外的穩定性。特別是當屋面梁的下翼緣受壓時，必須在受壓翼緣側面布置隅撐作為屋面梁的側向支承，隅撐另一端連接在檁條上。隅撐雖小卻是不可或缺的結構構件，近年來由于隅撐設置不當或者漏設隅撐出現的質量事故屢見不鮮，在設計和施工中一定要重視，切不可掉以輕心。由于隅撐不是用來承受豎向力的構件，因此在設計上要注意隅撐與水平面的角度不能大于45度，另外在安裝時，應等盡量等屋面梁在豎向上充分變形后，再行焊牢，以避免豎向荷載加于隅撐之上。

結語：

在大跨度輕鋼廠房中，運用變截面實腹屋面梁的結構形式，如果處理得當，在吊車噸位不是特別大，廠房上柱高度不算是特別高的情況下，具有比采用屋架結構形式更省材料，省人工，施工方便且建筑形式簡潔明快的突出優點，但在設計和施工中要注意隅撐，廠房縱向剛度等非常重要的細節部分，在施工安裝中還要特別注意屋面梁和柱連接處非常高的焊接要求。另外，隨著市場的發展和建設，鋼材市場的價格日漸不穩定，鋼材的價格在一定程度上得到了提高，鋼柱的用鋼量大于鋼梁的用鋼量，并且防火涂料在鋼柱中的使用是必須的，而防火涂料價格昂貴，并且由于工程建設的需要，混凝土柱鋼梁的設計逐漸得到了業主的認可，實現了傳統鋼筋混凝土柱焊接鋼梁的設計結構形式。

參考文獻：

[1]GB50010-2010.建筑抗震設計規范.2010.

[2]GB50010-2010.混凝土結構設計規范 2010.

[3]GB50017-2003.鋼結構設計規范.2003.

[4]CECS 102：2002.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程.2002.