廠房大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中要點探析

郝越

摘 要：廠房的現(xiàn)代大跨度鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、穩(wěn)定性強、工期短等特點，在進行大跨度鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計的過程中要充分的考慮到鋼結(jié)構(gòu)對風(fēng)力、地震的承載力，并且要注意鋼結(jié)構(gòu)屋面以及柱間支撐的設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)圍護的設(shè)計，最后針對廠房這一生產(chǎn)重地還要做到火災(zāi)預(yù)防設(shè)計。本文就廠房現(xiàn)代大跨度鋼結(jié)構(gòu)在相應(yīng)設(shè)計階段所要注意的關(guān)鍵點進行了分析研究。

關(guān)鍵詞：廠房；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計

現(xiàn)代工廠無論是生產(chǎn)力還是生產(chǎn)規(guī)模都和以前相比發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，所以現(xiàn)代工廠對于廠房的空間容量、建設(shè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等等各個方面都有著更高的要求，在這一要求下，傳統(tǒng)的施工工藝以及建設(shè)材料已經(jīng)無法滿足工廠的建設(shè)需要，面對這種情況，大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)需而生，大跨度鋼結(jié)構(gòu)以其牢固的性能，在保證工廠廠房空間容量的同時，也能夠保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固，從而得到了大范圍的推廣，并且推廣的過程中不斷的完善鋼結(jié)構(gòu)的不足之處，逐漸總結(jié)出了設(shè)計過程中的關(guān)鍵要點。

1.工廠廠房的鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計中的重點

廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中屋面支撐以及柱間支撐的設(shè)定

廠房的支撐作用在廠房設(shè)計中是需要首先考慮的要素，支撐作用保證廠房在使用大跨度鋼結(jié)構(gòu)之后能夠具有足夠的剛性強度，能夠保證其結(jié)構(gòu)空間性能的穩(wěn)定。在考慮廠房的支撐作用中，主要考慮的外力因素是風(fēng)力以及地震。在計算鋼結(jié)構(gòu)支撐力的時候，一般情況下可以設(shè)定鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點為鉸接的結(jié)構(gòu)，并且可以忽視偏心對于結(jié)構(gòu)的影響。

1.1屋面支撐的設(shè)計

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(shè)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(shè)計，可采用雙角鋼組成十字形或T形截面。當(dāng)屋架跨度較大、房屋較高且基本風(fēng)壓也較大時，桿件截面應(yīng)按桁架體系計算出的內(nèi)力確定。計算支撐桿件內(nèi)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。

1.2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(yīng)力，支撐腹桿常按柔性拉桿計算。交叉體系的下層支撐當(dāng)?shù)踯囎饔幂^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(shè)計，但為了提高廠房的縱向剛度，當(dāng)?shù)踯囕^大時，應(yīng)按壓桿設(shè)計。

2.圍護結(jié)構(gòu)中檁條的設(shè)計

檁條通常是風(fēng)荷載工況起控制作用，設(shè)計時常忽略驗算風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定，導(dǎo)致大風(fēng)時很容易失穩(wěn)破壞。為了保證風(fēng)吸力作用下的整體穩(wěn)定，通常在檁條之間設(shè)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(dāng)都將導(dǎo)致檁條失穩(wěn)破壞。正確的拉條布置位置是根據(jù)計算結(jié)果在檁條上下翼緣附近，在上下穩(wěn)定均需要拉條約束時，在實際工程設(shè)計中有些設(shè)計者對屋面或墻架最上端檁條的側(cè)向支撐，如拉條、斜拉條、撐桿能正確設(shè)置，但對中間墻面或屋面，如門窗洞口、屋面風(fēng)機開孔處、屋面天窗（采光窗）等處，經(jīng)常只設(shè)拉條，而漏設(shè)斜拉條和撐桿等，根本無法將拉條上的拉力傳至承重結(jié)構(gòu)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(guī)范條文只知其然，不知其所以然，從而給圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來安全隱患。

3.提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)耐熱性方面的設(shè)計

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中主要的建設(shè)材料是鋼材，而鋼材作為金屬建材的一種，有著較強熱傳導(dǎo)作用。但是工廠廠房作為生產(chǎn)的主要場所不僅要安放生產(chǎn)設(shè)備，有時還要堆放大量的生產(chǎn)材料，所以鋼材的導(dǎo)熱性也就是極其危險的，如果不能提升鋼結(jié)構(gòu)的耐熱性，一旦發(fā)生火災(zāi)就會產(chǎn)生不可估量的后果。另一方面，也會對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，大量實驗研究分析表明，250攝氏度對于鋼材的各方面性質(zhì)來說是一個分水嶺。鋼材溫度在250攝氏度一下的時候，隨著溫度逐漸上升，鋼材本身抗拉強度會呈下降趨勢，而鋼材本身的可塑性會緩慢上升；當(dāng)鋼材溫度達到250攝氏度以上的時候，鋼材自身的抗拉強度會呈上升趨勢，在這時候鋼材的強度會隨著溫度的上升逐漸變小。并且在溫度不斷升高的過程中，在溫度達到500攝氏度的時候，鋼材自身的強度會降低到最低的狀態(tài)。由此可見溫度對于鋼結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性有著一定影響，并且高溫一直以來都是安全生產(chǎn)的頭等大患，所以在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的相應(yīng)設(shè)計階段要從建設(shè)材料、建設(shè)構(gòu)件、建設(shè)結(jié)構(gòu)三個方面進行充分的考慮。此外，還可通過設(shè)置一些有效的防火安全措施來達到預(yù)防火災(zāi)的目的。

3.1提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)中鋼材相應(yīng)的耐火性

鋼材是大跨度鋼結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成材料，所以為了提高鋼材的耐火性能是促進鋼結(jié)構(gòu)耐火性能提升的根本途徑，應(yīng)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(yīng)規(guī)格的普通結(jié)構(gòu)鋼基本一致。此外由于它的耐火性能好，可以在施工時適當(dāng)減小保護層的厚度，甚至可以不涂防銹漆，這樣可以節(jié)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(dǎo)熱性能對鋼架構(gòu)件起到隔熱的作用。

3.2.采用防火能力強的構(gòu)件

采用鋼混組合構(gòu)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(gòu)件，如非燃墻體為鋼構(gòu)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(gòu)件，則應(yīng)采取合理的防火保護構(gòu)造。

3.3.采用有利于防火的結(jié)構(gòu)形式

采用鋼混組合結(jié)構(gòu)，如鋼板混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)，或者在關(guān)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(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)防火保護構(gòu)造作法應(yīng)合理、堅固、經(jīng)濟、易于施工并利于裝修。

4.防震縫設(shè)置

對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)來說，設(shè)置防震縫往往是有效的。震縫寬度，規(guī)范規(guī)定不宜小于150mm。這主要是根據(jù)下部支承結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)或框架-抗震墻結(jié)構(gòu)時的最小縫寬綜合確定。規(guī)范所規(guī)定的最小防震縫寬度可能不足。建議最好按設(shè)防烈度下兩側(cè)獨立結(jié)構(gòu)在交界線上的相對位移最大值來復(fù)核。

結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，筆者建議大跨屋蓋結(jié)構(gòu)防震縫的縫寬可按設(shè)防烈度下兩側(cè)獨立結(jié)構(gòu)在交界線上的相對位移最大值來確定。對于規(guī)則結(jié)構(gòu)，縫寬也可將多遇地震下的最大相對變形值乘以不小于3的放大系數(shù)近似估計。

5.結(jié)束語

大跨度鋼結(jié)構(gòu)在未來的很長一段時間內(nèi)會成為廠房的主要設(shè)計結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性、耐火性也就直接影響了廠房的安全性。在大跨度的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工過程中，不僅應(yīng)該充分考慮鋼結(jié)構(gòu)自身的承載能力和使用特點，還應(yīng)該根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的不同進行全面的設(shè)計分析，才能實現(xiàn)大跨度的鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

參考文獻：

[1]同濟大學(xué)，西安建筑科技大學(xué)，東南大學(xué)，重慶建筑大學(xué).房屋建筑學(xué)（第三版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]湖南大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)教研室.結(jié)構(gòu)力學(xué)（上冊）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊編輯委員會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.