關于鋼結構廠房結構設計的相關研究

沈戎 李杰 朱國靖

摘 要：鋼結構在現代建筑中由于用鋼量少，安裝設計時間短，工業化生產程度高，特別在廠房、倉庫等大跨度結構中得到更廣泛的應用，隨著鋼結構設計和施工技術的日益成熟，鋼結構建筑必將得到更大發展。設計師也要與時俱進，把握時代脈搏，做出更經濟、更合理、更低碳環保的鋼結構設計。本文進一步分析了鋼結構廠房結構設計，以供同仁參考借鑒。

關鍵詞：鋼結構廠房；結構設計

1 設計鋼結構工業廠房支撐系統時要遵循的原則

在布置支撐系統時要注意保證鋼結構廠房的工作空間，使廠房的承受能力、整體的剛度、傳遞縱向的水平力都得到很好的控制，這樣才能有有效的避免壓桿的不穩定性，防止桿件出現變形的狀況。只有這樣，才能夠建筑結構在整體上更加的穩定。此外，在設計時，還應該考慮廠房結構的具體形式、車間吊車的設置情況、廠房的跨度、廠房的溫度以及相關的振動設備。在廠房的每一個溫度區段都應該設置穩定的柱間支撐系統，設置的柱間支撐系統要和屋蓋橫向的水平支撐相互協調。下柱支撐對廠房的結構有很大的影響，它決定著廠房結構的變形方向，還對廠房的溫度應力有很大影響。在布置下柱支撐系統時應該盡量使其設置在溫度區段的中部，這樣才能夠保證縱向構件能夠在溫度的變化下能夠自由的向區段兩邊移動。如果溫度的區段長度很小，那么就可以在溫度區段上裝置一道下段柱，這樣可以起到一定的支撐作用，但是要注意的是，當溫度區段的長度很長，大于一百五十米時，要想使廠房的縱向剛度達到標準，就要在溫度區段上安裝兩道下段柱，這樣才能夠保證建筑結構的穩定性。但是在布置時要注意下段柱的安裝位置，盡量在溫度區段的三分之一處。這樣可以降低溫度應力，防止其過大。此外，要注意兩道支撐中間的距離，盡量不要大于72米。

2 鋼結構廠房結構設計的相關要點

2.1 廠房結構體系的選型

廠房結構方案的選擇主要是從滿足工藝流程、建筑節能設計、結構設計分析和技術經濟分析等方面綜合考慮確定的。格構式鋼框架也是可選擇方案之一，它選擇鋼綴條柱和桁架構成平面框架，以雙層保溫壓型鋼板作為屋蓋和墻體的圍護。柱-網架結構方案是另一個可選擇方案。采用輕鋼或鋼筋混凝土柱作為承重結構，屋蓋采用鋼網架承重，上設雙層保溫壓型鋼板屋蓋，墻體可選用保溫壓型鋼板，也可選用砌體作保溫圍護。現行方案的主要優點是結構輕盈、經濟性好。制造和安裝周期短，造價較低，外形和內部都較為美觀，符合建設單位要求，因而得以實施。但是已建結構也存在著它固有的弱點，主要是結構剛度較差，特別是對于存在長期積雪可能的高寒地區，剛度問題會表現出來。此外在高寒地區圍護結構的耐久性也有待于考察。但作為一個高速發展領域的產品生產廠房，它的產品本身有高換代性，因而這些問題將不會影響到生產的正常進行。

2.2 門式剛架柱網尺寸的選擇及結構體系的布置

門式剛架柱網布置首先應滿足廠房工藝使用的要求，門式剛架間距通常為6m～9m，不論是否具有吊車、門式剛架的合理柱距，建議采用8m～9m，因為工程中構件數量的多少，將直接影響加工、安裝的工程量、施工進度及造價，一個工程采用9m柱距時的剛架、檁條、吊車梁等構件的數量要比采用6m柱距時約減少30%，雖然其截面有所增大，但其對縮短施工周期、降低工程造價的有利影響十分明顯。門式剛架的較經濟跨度建議在21m～24m范圍內采用，其合理的最大跨度不宜大于36m。其次，結構體系的選擇。檁條和墻梁既是承受豎向和水平荷載的構件，也是剛架和剛架之間的連系構件。廠房縱向水平力由支撐體系承受，在每個溫度區段端部柱間或第二柱間應設置屋蓋橫向支撐，其余位置每隔40m左右設置一道橫向支撐，以使整個房屋形成空間穩定結構。門式剛架輕型結構房屋的縱向溫度區段不大于300m；橫向溫度區段不大于150m。

2.3 屋面支撐系統

屋蓋支撐系統的布置應根據廠房跨度、高度、柱網布置、屋蓋結構形式、吊車噸位和所在地區的抗震設防烈度等條件來決定。一般情況下無論有檁或無檁體系的屋蓋結構均應設置垂直支撐；在無檁體系中，大型屋面板有三點和屋架焊接，可起到上弦支撐作用，但考慮到施工條件的限制和安裝需要，無論有檁或無檁體系屋蓋均應在屋架上弦和天窗架上弦設置上弦橫向支撐。對于屋架間距不小于12m 的廠房或廠房內設有特重級橋式吊車或廠房內有較大振動設備的均應設置縱向水平支撐。屋面的排水及防水設計在屋面設計中需重點考慮，根據《屋面工程技術規范》的規定，屋面坡度最小為5%，在積雪較大的地區，坡度應適當加大。單坡屋面的長度主要取決于所在地區的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據工程設計經驗，單坡屋面長度宜控制在 70m 以內。目前，市場上鋼結構屋面的做法常用的有兩種：①剛性屋面：雙層彩色壓型鋼板內夾保溫棉；②復合柔性屋面：由屋面彩鋼板內板、隔氣層、保溫層、卷材防水層組成。

2.4 抗震性

鋼結構廠房的抗震性對廠房的安全性也有很重要的作用。在對鋼結構工業廠房做抗震設計時應注意：首先，在總體布置方面要求廠房結構的質量和剛度均勻分布，使廠房受力均勻，變形協調，盡量避免因結構剛度不均勻對抗震造成不利影響，廠房橫向結構宜采用剛架或者使屋架與柱有一定固結的框架，以便充分利用鋼結構的受力性能并減少橫向結構變形；其次，鋼結構廠房的破壞一般情況不是由于桿件強度不足而常常因為桿件失穩而造成，所以合理布置支撐系統，保證廠房結構整體穩定性，對鋼結構廠房尤為重要；最后，在地震作用下，存在著低周疲勞作用，設計時應注意其對廠房的影響。對結構連接點的設計，應保證節點的破壞不先于結構構件的全截面屈服，應使結構構件能進入塑性工作，充分吸收地震能量發揮其抗震能力。這樣才能保證建筑的質量，防止遇到地震后出現過大的傷亡或損失。

2.5 耐熱及防火

鋼材具有很高的導熱性能，其導熱系數為50w（m·℃），當受熱達到100℃以上時，其抗拉強度就會降低，塑性增大；溫度達到 250℃時，鋼材抗拉強度會稍提高，但塑性卻降低，出現藍脆現象；溫度達到 500℃時，鋼材強度降至很低，會致使鋼結構塌落。所以當鋼結構所處環境溫度達到 150℃以上時，就必須做隔熱防火設計。其做法一般為：鋼結構外側包耐火磚、混凝土或硬質防火板材。或者鋼結構表面刷厚涂型防火涂料，厚度按《鋼結構防火涂料技術規程》計算。

2.6 防腐

鋼結構廠房容易受到環境的影響而被腐蝕。若是鋼結構出現腐蝕問題，則會造成構件截面縮小及在受力過程中發生應力集中情況，進而縮短鋼結構工業廠房的使用年限。現階段，為了防止鋼結構出現腐蝕問題，提升其抗腐蝕性，我國主要是通過防銹防腐涂料的使用，作用是使鋼結構材料與各種腐蝕因子，比如說氯離子、氧氣以及水蒸氣等隔離開來，以使鋼結構獲得充分的保護。另外在涂刷防腐材料的過程中，需要針對鋼結構的各個部位具體的防銹防腐要求，對防腐涂料的厚度加以控制。

3 結束語

鋼結構廠房的設計工作至關重要，它不僅是工作人員生命財產安全的保證，也是工業行業能否獲得更好發展的關鍵。因此，作為一名設計人員，深刻體會到鋼結構廠房相對于傳統廠房結構形式的優越性，推廣鋼結構形式和提高鋼結構設計水平已顯得相當重要，要保證結構設計的質量達到一個最優值，使廠房的結構設計得到優化。

參考文獻：

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[2]劉皓.單層多跨鋼結構廠房的結構設計及地震作用分析[D].南昌大學，2015（5）.