鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房運(yùn)用部分要點(diǎn)探討

郭俊海

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各大型工業(yè)廠區(qū)數(shù)量越來(lái)越多，特別是在一些化工石油等行業(yè)，鋼結(jié)構(gòu)體系憑借自身的質(zhì)輕、安裝便利、綠色環(huán)保、抗震性能強(qiáng)、施工簡(jiǎn)潔等優(yōu)越性能在工業(yè)廠房中運(yùn)用的越來(lái)越廣泛，現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用中的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探討，供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考以提高在該領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);工業(yè)廠房;

1 導(dǎo)言

工業(yè)建筑一般有著設(shè)備荷載較重、柱距較長(zhǎng)、設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)強(qiáng)等特點(diǎn)，而且一般廠房的結(jié)構(gòu)平、立面布置不規(guī)則，對(duì)于抗震來(lái)說(shuō)屬于不利的結(jié)構(gòu)布置，調(diào)整至符合規(guī)范要求的整體指標(biāo)難度較大。由于中大型工業(yè)廠區(qū)，工藝設(shè)備的投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土木工程部分的投資，因此可適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)布置、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等部分的安全富裕度，提高結(jié)構(gòu)在地震下的安全性，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)類型以加快施工進(jìn)度、縮短施工周期。

2 工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分要點(diǎn)探討

2.1 前期與各專業(yè)的交接

工業(yè)廠房一般平、立面均不規(guī)則，而特別是在一些高烈度區(qū)，在地震作用計(jì)算下較難滿足規(guī)范的一些設(shè)計(jì)位移要求，因此在初步設(shè)計(jì)中盡量與工藝、建筑專業(yè)交流好結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)，如大型設(shè)備盡量布置于結(jié)構(gòu)下部、強(qiáng)振動(dòng)設(shè)備盡量置于地面，大開洞盡量避免設(shè)于樓板的角部與端部，當(dāng)確有需要時(shí)，可在結(jié)構(gòu)下部一兩層設(shè)計(jì)為混凝土結(jié)構(gòu)（可將振動(dòng)大的設(shè)備置于此層）、上部設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系。

對(duì)于高烈度區(qū)，也可讓工藝、建筑專業(yè)在前期設(shè)計(jì)中先預(yù)留支撐布置位置，原則是盡量由下往上貫通（如無(wú)法貫通可在局部錯(cuò)開一跨）、每一榀應(yīng)至少布置一道，同時(shí)應(yīng)考慮通行及美觀問(wèn)題，如果工藝與建筑專業(yè)無(wú)法滿足時(shí)，條件許可可在結(jié)構(gòu)外增加一跨以布置支撐，滿足結(jié)構(gòu)在地震設(shè)計(jì)中的位移要求。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)剛接柱腳的設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)柱腳剛性設(shè)計(jì)一般可設(shè)計(jì)成外露式柱腳、埋入式柱腳和外包式柱腳。

外露式柱腳一般適用于跨度較小、設(shè)備重量較輕的鋼結(jié)構(gòu)柱，如中小跨度的門式剛架、廠區(qū)或各單體里的操作平臺(tái)等，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意為滿足柱腳的剛接假定、提高節(jié)點(diǎn)在豎向荷載與地震作用下的承載能力和變形能力，為使柱腳形成塑性餃之前地腳螺栓與鋼底板不發(fā)生屈曲破壞，底部混凝土也不致被壓壞，應(yīng)采用增設(shè)加勁肋和地腳螺栓支撐托板等加強(qiáng)措施，同時(shí)為使地腳螺栓屈服在柱與底板之后，設(shè)計(jì)中應(yīng)預(yù)留20% 左右的富裕量。柱腳板底面與基礎(chǔ)頂面之間的摩擦力不于剪切荷載處，應(yīng)設(shè)置抗剪鍵。地腳螺栓僅用于定位與抗拔。

剛性埋入式柱腳因?yàn)殇撝_的埋入長(zhǎng)度是影響鋼柱腳節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)假定、設(shè)計(jì)荷載與轉(zhuǎn)動(dòng)能力的重要因素，一般使用該節(jié)點(diǎn)形式時(shí)基礎(chǔ)埋置深度較深（按規(guī)范要求，一般是鋼柱長(zhǎng)邊尺寸的2～3 倍），混凝土外皮至鋼柱邊就不小于180（中柱）毫米、250（邊柱與角柱）毫米。設(shè)計(jì)中應(yīng)注意：柱腳設(shè)計(jì)軸力直接傳給鋼筋混凝土基礎(chǔ)或者基礎(chǔ)梁，為減少基礎(chǔ)埋深將鋼柱部分插入基礎(chǔ)內(nèi)部時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算鋼柱腳下的混凝土沖切是否滿足規(guī)范要求。

剛性外包式柱腳外包高度對(duì)柱腳的內(nèi)力傳遞和應(yīng)變恢復(fù)特性有重要作用，一般外包高度為柱長(zhǎng)邊尺寸的2～3 倍，因外包高度較高、鋼柱邊混凝土保護(hù)層較厚（一般為180 毫米），用于門式剛架時(shí)有可能該部分混凝土?xí)谕鈮ν怀觯瑢?duì)建筑外形造成一定影響。

2.3 支撐的設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)框架中的支撐分為中心支撐與偏心支撐等，中心支撐形式包括單斜桿、交叉桿和A 型桿等，對(duì)廠房高度不大于50 米且抗震為三、四級(jí)的鋼結(jié)構(gòu)廠房，宜優(yōu)先考慮采用中心支撐形式中的交叉桿支撐，此時(shí)交叉桿支撐按拉桿設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性好。也可布置偏心支撐，按強(qiáng)鋼柱、強(qiáng)支撐、弱消能段原則設(shè)計(jì)，在大地震時(shí)可以調(diào)節(jié)鋼框架的剛度、增大變形能力并提高耗能能力，具有穩(wěn)定的恢復(fù)力的特性。

2.4 鋼梁與鋼柱的連接

鋼梁與鋼柱連接一般是框架梁與鋼柱采用剛接，鋼次梁與主梁采用餃接，而采用一定的設(shè)計(jì)方法可減少現(xiàn)場(chǎng)的焊接工作量與保證施工質(zhì)量，如框架梁與鋼柱的剛接可采用鋼柱在工廠焊接一段外伸鋼梁后，在現(xiàn)場(chǎng)與框架梁采用腹板高強(qiáng)螺栓連接、翼緣焊接或高強(qiáng)螺栓連接的等強(qiáng)拼接，鋼次梁與主梁的連接方式統(tǒng)一采用高強(qiáng)螺栓等強(qiáng)連接，此時(shí)連接節(jié)點(diǎn)一般只與截面有關(guān)，方便工廠加工與現(xiàn)場(chǎng)施工人員操作，縮短施工周期與減少操作失誤。

2.5 化學(xué)螺栓的使用

因前期設(shè)計(jì)中其它專業(yè)的支架條件可能不齊，或者在施工后才提支架條件給結(jié)構(gòu)專業(yè)，需在底層的混凝土結(jié)構(gòu)上使用化學(xué)螺栓來(lái)設(shè)計(jì)連接鋼板，但是應(yīng)盡量避免此種情況，因使用化學(xué)螺栓的節(jié)點(diǎn)對(duì)施工要求較高，容易造成螺桿歪斜安裝或切斷混凝土內(nèi)的鋼筋，使節(jié)點(diǎn)處于受力的不利狀態(tài)。

2.6 組合樓板的設(shè)計(jì)

組合樓板包括開（閉）口型組合樓板、鋼筋桁架組合樓板等，而在具體設(shè)計(jì)中，組合樓板充當(dāng)施工的模板時(shí)，應(yīng)注意此時(shí)需在組合樓板板低涂抹防火防腐涂料帶來(lái)的投資費(fèi)用增加。

2.7 在腐蝕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的氧化作用，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)受到不同程度的腐蝕，當(dāng)工業(yè)廠房中的環(huán)境溫度較大時(shí)會(huì)加速腐蝕，而鋼構(gòu)件腐蝕后截面減小、載荷能力下降。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮腐蝕因素制定合理的防腐方案，并宜在截面設(shè)計(jì)中考慮廠房在使用過(guò)程中的腐蝕量。

2.8 鋼廠房的防火設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)防火性能差，而一些工業(yè)廠房?jī)?nèi)存在高溫操作環(huán)境要求，隨著溫度的不斷上升，構(gòu)件的強(qiáng)度逐漸降低、應(yīng)變逐漸變大，帶來(lái)不容忽視的隱患。所以在設(shè)計(jì)中，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房的防火等級(jí)與防火范圍需進(jìn)行合理的劃分，防火涂層的底漆、防火涂料及面漆盡量由同一生產(chǎn)廠提供，否則應(yīng)保證防銹底漆、防腐面層與防火涂料相適應(yīng)，并具有良好的結(jié)合力，確保工業(yè)廠房在高溫環(huán)境中的防火性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.9 荷載的組合

部分工業(yè)設(shè)備的荷載包括凈質(zhì)量、操作質(zhì)量和充水質(zhì)量，一般充水質(zhì)量會(huì)比凈質(zhì)量與操作質(zhì)量大很多，如果將些充水荷載直接輸入結(jié)構(gòu)模型中參與各種荷載組合，不止造成基礎(chǔ)荷載的增加，還會(huì)造成各構(gòu)件計(jì)算錯(cuò)誤與材料浪費(fèi)。

按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《化工、石化建（構(gòu)）筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)定》HT/T20674 的規(guī)定，在進(jìn)行荷載組合時(shí)充水質(zhì)量與操作質(zhì)量并不參與地震組合，此時(shí)可大幅度降低在地震組合下的地震力，節(jié)約結(jié)構(gòu)材料的重量并保證計(jì)算結(jié)果的合理性。

3 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能只看到建筑本身，更要考慮建筑的服務(wù)目標(biāo)、所處環(huán)境等各種要素。

隨著科技發(fā)展與人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，鋼結(jié)構(gòu)體系在土木工程的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，是很多企業(yè)建造廠房的首選體系，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視概念設(shè)計(jì)與傳力路徑的明確，從前期就抓住設(shè)計(jì)要點(diǎn)，保證后期設(shè)計(jì)的順利開展和設(shè)計(jì)質(zhì)量，確保廠房的安全性與可靠性滿足使用要求。

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