多層鋼結構工業廠房的輕型化設計與應用研究

【摘要】隨著我國工業產業的不斷向前發展，工業廠房的數量也在不斷增長，并且很多工業廠房主要是以鋼結構為主。基于此，本文以工業廠房輕型化設計工作為例展開相關分析和研究，有效提出多層鋼結構工業廠房的結構體系與布置工作特點，同時對工業廠房輕型化設計工作要點進行深入探索，充分發揮出多層鋼結構工業廠房的使用工作優勢，提高工業廠房的結構安全性和穩定性，降低工程整體經濟造價，為后續類似工業廠房設計工作開展提供有效參考和借鑒。

【關鍵詞】工業廠房;多層鋼結構;輕型化;設計;應用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

多層鋼結構工業廠房與傳統的鋼筋混凝土廠房進行對比，多層輕型鋼結構具有自重更輕、材料消耗量更少、抗震性能更強以及施工效率更快等多方面優勢，多層鋼結構工業廠房在設計制造和施工方面具有一體化的特性，因此工程項目的建設周期更短、經濟效益更加明顯。鋼結構材料屬于一種綠色環保型材料，通過使用螺栓進行連接，不存在濕作業，噪音更小，污染程度更低，因此受到我國各大工業產業的廣泛使用和認可，同時也受到人們的廣泛關注和重視。

1、多層鋼結構工業廠房結構體系與設計特點分析

1.1 結構體系構成

由于工業廠房的鋼結構層數更少、高度更低，因此通常情況下，多層輕鋼工業廠房主要是以純鋼結構框架為主，屬于一種框架支撐結構。在工業廠房的設計工作當中，必須要合理選擇鋼結構的構成體系，最大限度上減少鋼材料的使用量，有效滿足工業廠房的輕型化設計工作要求和標準。

1.2 純鋼結構框架

某些工業廠房因為各種機械設備的使用需求，需要進行大量的設備擺放和管線設置等，受到這些因素的影響，鋼結構內部空間不能使用大量的支撐柱來進行支撐，因此需要在框架結構設計工作中，選用純鋼結構框架體系。純框架結構通常情況下，包含箱型柱或者H型柱以及工字形鋼梁結構組構成，因為在建筑體的縱橫兩個方向梁柱之間需要形成對接，同時四面銜接的箱形柱結構，節點數量相對較多同時具有一定的復雜性。純框架結構的平面設計工作相對比較靈活，可以為鋼結構廠房內部提供出更大的室內空間，并且鋼結構各部分的剛性程度分布比較均勻。框架結構的延展性相對較強，制證自振周期較長，因此可以起到良好的抗震作用和效果[1]。如圖1。

1.3 框架支撐結構

相比于純鋼框架結構而言，框架支撐結構具有消耗鋼材料更少、節點的構成更加簡單、鋼結構側移剛性程度更大等多方面特點。框架支撐體系主要是通過工字形鋼梁柱所構成，支撐體通常設置成X型，同時也可以設計成人字形或者是偏心支撐結構。該結構通常情況下是以橫向承重體系，縱向支撐梁以及支撐柱結構所構成，通過樓板起到內部空間相互關聯的作用和效果。基于這一設計形式下，鋼結構的縱向相當于排架結構剛性程度相對較小，因此需要保證在縱向方向上設置支撐體，提供主鋼架的平面外約束，可以有效抵御外部風力荷載以及地震災害所產生的作用力，輕型鋼結構的屋蓋鋼度相對較小，因此為了有效提高鋼結構的整體強度和穩定性，需要在支撐柱的開間位置設置出橫向支撐結構，有效保證支撐體兩端的結構穩定性[2]。如圖2。

1.4 鋼維護結構

彩色涂層的壓型鋼板與夾心金屬板自重相對較小、保溫隔熱性能更強、安裝施工效率更快同時外表更加美觀，在我國各大工業廠房當中應用非常明顯，多層輕質鋼維護結構的有效使用，可以最大限度上降低鋼結構廠房的自重大小，同時可以降低基礎工程的施工要求。外墻體部分可以通過使用非承重式墻體結構，比如鍍鋁新型壓板，底層部位的墻體使用的是空心砌體結構保溫材料，主要是以玻璃絲棉材料為主，對于保溫性能要求相對較高的廠房，可以將玻璃絲棉材料的厚度進行適當提升。

2、多層鋼結構廠房的設計工作方法和應用

2.1 設計工作方法

傳統形勢下，我國很多工業廠房在設計工作過程中，經常會通過人工的手段和簡化公式的計算設計工作方法，但是在實際工作過程中，通常是用有限元結構模型分析鋼結構的構成情況，或者是直接使用專用的工業廠房鋼結構設計工作程序。對于鋼結構設計地震烈度為6度以上的區域，需要有效考慮到水平地震力所產生的作用和影響結構，分布均勻的多層輕型鋼廠房，可以運用底部剪力法來進行設計和計算，鋼結構對稱的多層鋼結構廠房，可以將其簡化成平面框架結構模型，相反需要有效建立起鋼結構空間框架結構模型來進行計算。通常通過使用增大鋼梁剛性程度的方式，結合樓板組合設計工作模式，提高鋼結構的整體穩定性。現階段，對于組合梁剛性程度的評價分析方式，主要包含Newmark方程分析法、等價截面慣性分析法、鋼結構平均剛度分析法等，在工業多層鋼結構廠房的設計工作中，比較常用的是平均剛度分析法[3]。

2.2 具體設計工作案例

有效結合我國某地區一處工業廠房結構設計展開分析和研究，該工業廠房主體結構總共分為4層，局部3層，寬度大小為15m，鋼鐵支撐住間距大小為7m，總長度為63.5m。鋼結構建筑實際面積為3600m2，主要是以條形基礎為主。鋼結構屋面部分使用的是PHP壓型鋼板保溫屋面系統，首層窗臺部分以下為240粘土磚墻，剩余部分的外墻面，使用的是BHP壓型鋼板保溫墻面系統，內墻板為60mm的厚保溫墻板。支撐柱之間使用114×3.0圓形鋼管來進行支撐，樓面活荷載大小為3.5kN/m2，恒荷載大小為4.0kN/m2，鋼結構屋面活荷載大小為0.5kN/m2，鋼結構基本風壓為0.35kN/m2，鋼結構設計地震烈度為7度。

2.3 多層鋼結構輕型化設計應用

在本次輕型鋼結構橫向承重體系設計過程中，需要保證梁柱截面面積大小復合設計工作要求，通過對比分析之后，該鋼結構工業廠房使用的是純框架結構體系與框架支撐結構體系兩種形式。在不改變量體截面面積大小的情況下，對鋼柱支撐位置進行改動，其中純框架空間結構模型分為框架、支撐結構模型和空間整體模型兩種形式，側向支撐體部分起到了重要的空間關聯作用，可以有效減少橫向結構所形成的自振周期，提高鋼結構的剛性程度，平面模型的計算結果相對偏柔，忽略了地震重力所產生的影響，造成鋼結構在地震中條件下，層間之間的位移偏差量達到45%。因此，在設計工作過程中對于地震烈度為7度或者7度以上的區域，采用的是多層輕鋼廠房結構為主，建立起空間模型進行計算和分析。通過兩種空間結構模型的計算分析工作，結果可以得出以下幾個方面結論：第一，因為支撐體的作用和效果框架支撐結構，在縱向方向上具有更強的剛性程度。第二，因為工字型鋼柱在橫向方向上具有較大的慣性力矩作用，相比于純框架結構而言，框架支撐體系的自振周期相對較小、剛性程度更大同時側向位移量更小，盡管純框架結構可以滿足鋼結構的強度以及側向位移的使用要求，但是鋼材料的實際消耗量相對較大，因此在本次工業廠房輕型鋼結構設計工作中，選用的是框架支撐體系，在整體的經濟性上更加明顯節省鋼材消耗量達到17%以上[4]。

結語：

綜上，對于工業廠房的輕型化設計工作而言，需要有效發揮出多層鋼結構的使用優勢，需要保證鋼結構設計更加科學合理，提高工業廠房的整體結構穩定性，避免在后續的使用過程中出現安全隱患。

參考文獻：

[1]許亞君.BIM技術在多層裝配式鋼結構住宅建筑設計與施工中的應用[J].居舍，2020（33）：27-28.

[2]劉喆.多層工業建筑的計算機設計應用探究[J].電子世界，2019（03）：87+89.

[3]趙建修.裝配式鋼結構住宅抗側力體系分類及研究進展[J].施工技術，2018，47（S4）：575-583.

[4]王曉波.淺談門式鋼架輕型鋼結構工業廠房的結構設計與研究[J].建筑與預算，2017（08）：25-27.

作者簡介：張賓（1990.10-），男，漢族，河南新鄉人，本科，工程師，研究方向：結構設計工作。