鋼結構在工業廠房設計中的應用

文/梁磊、范子坤 中國核電工程有限公司 福建福清 350300

鋼結構材料勻質性和各向同性好，是一種比較理想的彈性體。其具有韌性好、強度大、抗變形能力強的特點，能夠承受住較大的動力荷載。再加上鋼結構自重輕的特點，使得其施工比較方便，縮短了施工時間，大大提高了施工的效率，具有良好的經濟和社會效益。因此在工業廠房設計中得到了頻繁的應用。

1、鋼結構穩定設計

(1)構件的布置，需要考量整個鋼結構體系及局部的穩定性要求。目前，鋼結構設計一般要按照平面體系進行設計，例如門式剛架，以及框架等。為了確保平面結構不出現平面外失穩問題，建議從結構整體布置設計，來解決問題，如增加支撐構件等。

(2)在設計單層或多層框架結構之時，一般不需要進行框架穩定性的分析，只需要計算框架柱的穩定性即可。在柱的平面外計算長度系數，需要借助框架整體穩定性進行分析，使柱的穩定計算與框架穩定計算等效。

(3)設計結構的細部構造與構件穩定計算應保證一致，這也是鋼結構設計中需要注意的問題。節點連接處要求能傳遞彎距時，應有足夠的剛度和柔度；設計桁架節點時應盡量減少桿件的偏心；在涉及結構穩定性能時，設計構造方面需要滿足不同強度的要求以及特殊要求，例如簡支梁的抗彎強度等。不動鉸支座的要求，是阻止位移并允許在平面內轉動，但這不能確保梁整體的穩定性情況，所以不動鉸支座，還需要能夠阻止梁繞縱軸扭轉，并允許梁在平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩定分析的條件。

2、次梁的設計

在進行次梁的設計時，應避免次梁出現較大的撓度，因為較大的撓度會給人不安全的感覺，同時還會對廠房的使用功能造成影響，因此本廠房在進行樓層平面梁格的布置設計時，不僅考慮到了鋪板

的最大支承長度的要求，也考慮了機械設備的具體情況。對鋪板和梁的相互作用進行分析，可以知道本廠房的鋼板與梁之間具有較好的連接，這樣表明這兩者之間可以形成有效支撐，因此無需再次進行梁的整體穩定性計算。如果鋼板和連梁在進行焊接時，只在兩端進行了連接，而沒有對中間進行焊接，這樣在進行梁平面外穩定性的計算時，只能按照跨中無側向支撐的情況進行分析。雖然次梁所受到的荷載較小，但是也應采用軋制（熱軋）H型鋼，而不應采用普通槽鋼，這是因為普通槽鋼平面外穩定性較差，不能滿足要求。

3、連接點處理

連接點設計主要是運用焊接處理連接頭。需要注意連接裝置的選擇以及焊接的效果。焊接過程需要嚴格把控，防止鋼結構開裂或者斷層。預熱焊接后熱等環節盡量一氣呵成，避免出現焊瘤和漏洞。對于焊接的技術要求也有一定的要求，需要用一級二級焊接的部分都是鋼結構建造的關鍵點，不能疏忽遺漏。連接接頭的質量也需要格外注意，對口的角度以及坡口的質量等都是需要重視的部分。只有鋼結構連接處理穩妥才能保障整個工程的安全性。

4、焊縫的設計

在鋼結構當中，鋼結構最基本的連接方式為焊接方式，因此鋼結構的安全就取決于焊縫質量的好壞，因此就要依照結構的受力性和重要性以及鋼材的焊接性能，來對焊接的等級進行選擇。在大多數情況下，應該對鋼板板材的對接焊縫進行疲勞強度的檢驗，對于一些比較重要的焊縫，更應該進行檢驗，焊縫的質量等級至少為二級，對于只受剪力部分可以運用角焊縫，因為應力集中現象較為明顯所以焊縫的質量等級大多數是三級。

5、負載承受能力

在設計環節應綜合考慮工業廠房的實際用途。依據廠房用途特性進行負載值的計算，以此來評判結構設計的合理性。另外，在設計鋼結構時，應著重考慮結構穩定性，綜合分析在不情形中穩定性的變化規律。在計算負載值時，有效使用現代技術，憑借先進的軟件程序設計，科學計算，確保與設計用途相符。

6、防火設計

通過上文中對鋼結構特點的研究，發現鋼結構自身的防火性能比較差，在遇到高溫的情況下，極易發生變形的現象，其抗拉強度急劇下降，很可能會出現垮塌的狀況，無法保障工業廠房中設備以及工作人員的安全。因此，必須依照相關設計防火規范，明確工業廠房耐火等級指數，并采取有效的措施對鋼結構進行防火處理，對鋼結構進行保護，將鋼結構的耐高溫極限提升到一定的范圍內，防止或者是避免其在遇到高溫狀況時發生坍塌的事故，最大限度的降低損失，確保人身和財產安全。

此外，為了進一步確保工業廠房的安全性，應科學的布置其防火區，并嚴格控制好每個防火區的范圍和界限，且各個防火區的疏散口的數量以及疏散的距離應滿足實際防火的需要，能夠切實確保在發生火災時，工作人員在最有效的時間內撤離，保障人員安全，降低經濟損失。根據鋼結構的特點，合理的布局安全疏散路線，設置安全出口標志，避免不必要的財產損失及人員傷亡。

7、防腐及抗震設計

為了避免鋼結構表面出現腐蝕現象，使用電阻較大、附著性能較好、疏水性較強及致密性良好的防腐涂層，以避免金屬受到氯離子、氧氣及水蒸氣等的侵蝕。對于暴露在大氣介質下的室內鋼構件，則將防銹保護涂層設計為兩層，即面漆及底漆，涂層厚度為120um。對于露天的鋼構件，則將漆膜的總厚度設計為160um～220um。由于該工程處于酸性環境中，因此將氯磺化漆作為防銹漆。對于埋在地面以下的鋼柱柱腳，則在柱腳表面包裹強度≥C20的混凝土，混凝土層的厚度為60mm。此外，還通過采用優化設計鋼結構彎矩、軸力的方法使工業廠房產生耦合效應，具體方法為在兩個相鄰的鋼結構支撐矩形體系中合理設計彎矩系數，使彎矩系數不一致，并由此形成耦合效應。

結語：

總之，鋼結構設計的穩定性直接影響著鋼結構建筑的整體質量，必須對其進行嚴格的分析，掌握設計要點，提高建筑工程鋼結構設計質量，充分發揮鋼結構的優勢所在，推動我國建筑工程健康、長遠發展。