輕鋼結構在工業廠房設計中的應用

梁 濤

（山西太鋼工程技術有限公司，山西 太原 030009）

1 概述

輕型鋼結構在我國發展迅猛，特別是《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》公布以來，伴隨著彩鋼板、太空板、巖棉板、薄壁型鋼等產業的規模化，我國每年都有上千萬平方米的輕鋼建筑工程，這些建筑主要用于輕型的倉庫、廠房、體育館、汽車展廳、機場航站樓、機庫及加層建筑等。輕型門式剛架的梁、柱根據需要可加工成變截面構件，也可采用焊接H形鋼。梁柱節點參考當地的抗震情況及地基情況采用剛接、鉸接或者二者并用。

2 大跨度門式剛架結構的設計

2.1 荷載的分析及合理取值

首先，根據所處的地理位置選擇當地的抗震設防烈度、風荷載、雪荷載。

其次，根據使用情況和結構構成選取樓面及屋面的恒荷載、活荷載。

第三，選取合理的恒荷載、活荷載分項系數。對于可能出現的危險，要留有足夠大的安全系數，并進行最不利的荷載組合。

2.2 梁、柱截面的預估

當建筑結構體系布置結束后，需對重要構件截面作初步估算，特別是指梁、柱、支撐等的斷面尺寸的預估。

根據荷載與支座情況，鋼梁截面高度通常在跨度的1/20～1/50之間選擇。翼緣寬度可根據梁間側向支撐的間距按l/b限值確定，這樣可避免鋼梁整體穩定的復雜計算。在截面高度和翼緣寬度確定后，板件厚度可按規范中局部穩定的構造要求判定。

柱截面按長細比預估，通常為50＜λ＜150，簡單選擇值在100附近。根據軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。

2.3 變形縫間距的規范要求

輕型房屋鋼結構的溫度區段長度應按下列要求規定：①縱向溫度區段變形縫間距不大于300 m；②橫向溫度區段變形縫間距不大于150 m。這是規范的基本要求，解釋為：當有計算依據時，溫度區段長度要求可以適當放寬。溫度區段超限，可以通過增加支撐來約束溫度應力，使溫度應力均勻分配到各個柱基礎，從而保證廠房的整體穩定不被破壞。

2.4 失穩的控制

2.4.1 設計過程中需注意的問題

建筑體系的穩定不但要考慮整個體系，同時還要對組成體系的單體構件進行受力分析。目前，公司應用軟件大多進行的是平面計算，很少能進行空間計算。雖然有的軟件能進行空間計算，但由于使用過程復雜，不易上手，所以未能廣泛地應用。由于不進行空間整體分析，就不能簡單地確定穩定情況，所以必須設計必要的支承構件，以確保足夠的平面外支撐。

2.4.2 施工過程中的失穩問題

大跨度鋼結構的設計很重要，但施工工序同樣重要，不當的施工流程會造成致命的后果，有時不單單是財產損失，甚至會付出生命的代價。所以，施工中要注意以下幾點：

（1）鋼結構焊接。對于施工單位首次焊接的鋼種，一定要進行焊接工藝評定，并制定相應的焊接工藝。嚴格把好接頭裝配質量關。接頭的裝配質量包括：坡口質量、根部間隙、對口錯邊量等幾個方面。焊接過程中為減少焊接應力，防止產生焊接裂紋，應嚴格按照標準規定要求對焊接部位進行預熱，在整個焊接過程中應隨時加熱以保證焊縫道間溫度，并一次焊完一條焊縫，在焊接完成后，應及時按標準要求進行后熱。對設計及國家規范要求探傷的焊縫，應對每條焊縫按比例要求進行無損探傷。焊縫完成后質檢人員要及時按設計和GB50205等標準要求進行外觀檢查和無損檢驗，不合格部分及時通知焊工返修。

（2）鋼結構安裝質量控制。安裝前，施工單位應對構件的產品合格證、設計文件與預拼裝記錄進行檢查，并復驗記錄構件的尺寸。鋼結構的變形、缺陷超出允許偏差時，應進行處理。鋼結構安裝前，應編制詳細的測量和矯正工藝，厚鋼板的焊接應在焊接安裝前進行模擬產品結構的工藝試驗，編制相應的施工工藝。對拼裝好的屋架應預設一定的起拱度。鋼結構吊裝就位后，應對構件定位軸線、標高等設計要求控制點進行測量，并做好標記，對吊裝對接接頭質量進行焊前檢查。安裝好臨時支撐及鋼索以使鋼屋架在施工過程中安全穩定。

2.4.3 維護、使用過程中的失穩問題

在工業車間的使用過程中，由于誤操作、雨雪和熱輻射常常造成承重構件的失穩。在物流車間，車輛頻繁操作，司機不小心會誤撞柱子，由于輕鋼結構跨度大、重量輕、柱子截面小，很容易導致柱子移位，進而造成車間垮塌。有效的辦法是設置護欄，對重要通道的柱子進行保護，以避免對柱子造成傷害。

屋面天溝設置不當，屋面坡度過緩會造成排水不暢，特別是下雪天，雨雪白天不能及時排走，晚上結了冰凍在屋面上，第二天又接著下雪，就會造成屋面雪荷載過大，導致屋面檁條發生彎曲，屋面板出現縫隙，發生漏水，嚴重的還會造成屋面梁垮塌，引發安全事故。

2.4.4 掃雪操作不當

連續大雪會使屋面荷載增加明顯，有時候還會達到設計強度界限。業主急于減少屋面強度，便盲目讓人掃雪，由于掃雪區域順序不合理會造成不利情況發生，進而引發屋面坍塌。

3 鋼結構的特點

（1）結構自重輕。鋼結構一般由壓型金屬保溫板、保溫層及檁條等材料組成，屋面、墻面的質量都很輕。用鋼量一般為30 kg/m2左右。

（2）施工周期短。鋼結構的工廠化制作，使工程質量易于保證，施工時間短。

（3）空間設置靈活。門式剛架采用金屬壓型板封閉，因而柱網布置不受模數制約，柱距大小可以根據使用要求來確定。

（4）截面尺寸小。同等的受力條件，所需鋼結構梁柱的截面只有混凝土構件的1/2左右，極大地節約了空間，更好地滿足使用的空間要求，從而也降低了建筑成本。

4 如何做好鋼結構的設計

4.1 荷載取值準確

嚴格按規范辦事，屋面結構豎向均布活荷載的標準值（按水平投影面積計算）應取0.5 kN/m2。《門式剛架技術規程》規定，不上人屋面的活荷載為0.5 kN/m2，同時當構件的荷載面積大于60 m2時可乘折減系數0.6，取0.3 kN/m2，與鋼結構設計規范的解釋一致。但近兩年，我國大部分地區常出現強降雪天氣，導致很多加油站、場館倒塌。因而，施工人員一方面要考慮投影面積大于60 m2的荷載折減，另一方面還要根據當地的雪荷載情況取其中的最大值，以確保建筑安全。

4.2 考慮活荷載的最不利布置

應該按照規范要求考慮活荷載的不利布置，雖然規范沒有明確活荷載不利布置的條件，但根據經驗，大部分非臨時建筑都應該考慮活荷載的不利布置。

4.3 節點的處理

強柱弱梁是設計要遵循的原則，同時，強節點弱構件也是必不可少的設計準則。很多情況下，構件滿足設計要求，節點卻不能滿足抗震要求，因此，加強節點域設計是要重點考慮的問題。

4.4 抗剪鍵的設置

在地震作用下，廠房的縱向水平力和橫向水平力很大。超出了柱腳螺栓承受的能力，這個時候柱腳底板剪力驗算不滿足，需要設抗剪連接件。《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力。此水平剪力可由底板與混凝土基礎間的摩擦力（摩擦系數可取0.4）或設置抗剪鍵承受。規范的意思是：水平力由摩擦力承受，或者由抗剪鍵承受，注意是“或設置抗剪鍵承受”，不是“和設置抗剪鍵承受”。

5 結論

鋼結構的應用正處在大發展的時期，不久的將來還會有更廣泛的應用，作為一名從事工民建設計的工作人員應不斷積累經驗，不斷學習國外的新知識，緊密結合冶金工業的發展，為鋼結構的應用作出應有的貢獻。