輕鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房設(shè)計中的應(yīng)用

高善婕

（天津市化工設(shè)計院，天津 300193）

1 輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系

輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系不僅僅指由圓鋼，角鋼和薄壁型鋼組成的結(jié)構(gòu)，它具有更廣泛的內(nèi)容和含義。目前，薄壁型鋼桁架結(jié)構(gòu)，實(shí)腹式和格構(gòu)式截面剛架結(jié)構(gòu)和屋面體系為網(wǎng)架或網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的工業(yè)和民用建筑是輕鋼結(jié)構(gòu)的主要代表形式，其次，多層房屋輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系也正在日本和美國崛起。輕鋼結(jié)構(gòu)中，輕有兩層含義，一是指自重輕，二是指經(jīng)濟(jì)效益好。以房屋建筑結(jié)構(gòu)為例，屋蓋采用輕型屋面材料和結(jié)構(gòu)體系每單位面積的用鋼量指標(biāo)，是判斷和衡量是否為輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的兩個重要因素；對其它結(jié)構(gòu)形式，主要視用鋼量而定。

一般而言，對于中小跨度的工業(yè)建筑，輕型剛架結(jié)構(gòu)體系較為經(jīng)濟(jì)。對于大跨度或超大跨度的工業(yè)廠房和民用建筑，則選擇屋蓋體系為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的輕鋼結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)越性。因此，輕型鋼結(jié)構(gòu)研究和開發(fā)的主要結(jié)構(gòu)形式包括：單跨或多跨剛架結(jié)構(gòu)體系；薄壁型鋼桁架結(jié)構(gòu)體系；輕型房屋鋼網(wǎng)架或網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系；多層房屋輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系。

2 大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 荷載的分析及合理取值

首先，根據(jù)所處的地理位置選擇當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度、風(fēng)荷載、雪荷載。其次，根據(jù)使用情況和結(jié)構(gòu)構(gòu)成選取樓面及屋面的恒荷載、活荷載。再有，選取合理的恒荷載、活荷載分項系數(shù)。對可能出現(xiàn)的危險，要留足夠大的安全系數(shù)，并進(jìn)行最不利的荷載組合。

2.2 梁、柱截面的預(yù)估

當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)體系布置結(jié)束后，需對重要構(gòu)件截面作初步估算，特別是指梁、柱、支撐等的斷面尺寸的預(yù)估。根據(jù)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(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b 限值確定，這樣可避免鋼梁整體穩(wěn)定的復(fù)雜計算。在截面高度和翼緣寬度確定后，板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造要求判定。柱截面按長細(xì)比預(yù)估，通常為50＜λ＜150，簡單選擇值在100 附近。根據(jù)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(guī)范要求

輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段長度應(yīng)按下列要求規(guī)定：①縱向溫度區(qū)段變形縫間距不大于300 m；②橫向溫度區(qū)段變形縫間距不大于150 m。這是規(guī)范的基本要求，解釋為：當(dāng)有計算依據(jù)時，溫度區(qū)段長度要求可以適當(dāng)放寬。溫度區(qū)段超限，可以通過增加支撐來約束溫度應(yīng)力，使溫度應(yīng)力均勻分配到各個柱基礎(chǔ)，從而保證廠房的整體穩(wěn)定不被破壞。

2.4 失穩(wěn)的控制

2.4.1 設(shè)計過程中需注意的問題

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

2.4.2 施工過程中的失穩(wěn)問題

大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計很重要，但施工工序同樣重要，不當(dāng)?shù)氖┕ち鞒虝斐芍旅暮蠊袝r不單單是財產(chǎn)損失，甚至?xí)冻錾拇鷥r。所以，施工中要注意以下幾點(diǎn)：

（1）鋼結(jié)構(gòu)焊接。對于施工單位首次焊接的鋼種，一定要進(jìn)行焊接工藝評定，并制定相應(yīng)的焊接工藝。嚴(yán)格把好接頭裝配質(zhì)量關(guān)。接頭的裝配質(zhì)量包括：坡口質(zhì)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(yīng)力，防止產(chǎn)生焊接裂紋，應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求對焊接部位進(jìn)行預(yù)熱，在整個焊接過程中應(yīng)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(yīng)及時按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行后熱。對設(shè)計及國家規(guī)范要求探傷的焊縫，應(yīng)對每條焊縫按比例要求進(jìn)行無損探傷。焊縫完成后質(zhì)檢人員要及時按設(shè)計和 GB50205 等標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行外觀檢查和無損檢驗(yàn)，不合格部分及時通知焊工返修。

（2）鋼結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量控制。安裝前，施工單位應(yīng)對構(gòu)件的產(chǎn)品合格證、設(shè)計文件與預(yù)拼裝記錄進(jìn)行檢查，并復(fù)驗(yàn)記錄構(gòu)件的尺寸。鋼結(jié)構(gòu)的變形、缺陷超出允許偏差時，應(yīng)進(jìn)行處理。鋼結(jié)構(gòu)安裝前，應(yīng)編制詳細(xì)的測量和矯正工藝，厚鋼板的焊接應(yīng)在焊接安裝前進(jìn)行模擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝試驗(yàn)，編制相應(yīng)的施工工藝。對拼裝好的屋架應(yīng)預(yù)設(shè)一定的起拱度。鋼結(jié)構(gòu)吊裝就位后，應(yīng)對構(gòu)件定位軸線、標(biāo)高等設(shè)計要求控制點(diǎn)進(jìn)行測量，并做好標(biāo)記，對吊裝對接接頭質(zhì)量進(jìn)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(wěn)定。

2.4.3 維護(hù)、使用過程中的失穩(wěn)問題

在工業(yè)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(gòu)件的失穩(wěn)。在物流車間，車輛頻繁操作，司機(jī)不小心會誤撞柱子，由于輕鋼結(jié)構(gòu)跨度大、重量輕、柱子截面小，很容易導(dǎo)致柱子移位，進(jìn)而造成車間垮塌。有效的辦法是設(shè)置護(hù)欄，對重要通道的柱子進(jìn)行保護(hù)，以避免對柱子造成傷害。屋面天溝設(shè)置不當(dāng)，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(jié)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(dǎo)致屋面檁條發(fā)生彎曲，屋面板出現(xiàn)縫隙，發(fā)生漏水，嚴(yán)重的還會造成屋面梁垮塌，引發(fā)安全事故。

2.4.4 掃雪操作不當(dāng)

連續(xù)大雪會使屋面荷載增加明顯，有時候還會達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度界限。業(yè)主急于減少屋面強(qiáng)度，便盲目讓人掃雪，由于掃雪區(qū)域順序不合理會造成不利情況發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)屋面坍塌。

3 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)自重輕。鋼結(jié)構(gòu)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(zhì)量都很輕。用鋼量一般為30 kg/m2左右。

3.2 施工周期短。鋼結(jié)構(gòu)的工廠化制作，使工程質(zhì)量易于保證，施工時間短。

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

3.4 截面尺寸小。同等的受力條件，所需鋼結(jié)構(gòu)梁柱的截面只有混凝土構(gòu)件的1/2 左右，極大地節(jié)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(jié)構(gòu)的設(shè)計

4.1 荷載取值準(zhǔn)確

嚴(yán)格按規(guī)范辦事，屋面結(jié)構(gòu)豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值（按水平投影面積計算）應(yīng)取0.5 kN/m2。《門式剛架技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，不上人屋面的活荷載為0.5 kN/m2，同時當(dāng)構(gòu)件的荷載面積大于60 m2時可乘折減系數(shù)0.6，取0.3 kN/m2，與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的解釋一致。但近兩年，我國大部分地區(qū)常出現(xiàn)強(qiáng)降雪天氣，導(dǎo)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(jù)當(dāng)?shù)氐难┖奢d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(yīng)按照規(guī)范要求考慮活荷載的不利布置，雖然規(guī)范沒明確活荷載不利布置的條件，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大部分非臨時建筑都應(yīng)該考慮活荷載的不利布置。

4.3 節(jié)點(diǎn)的處理

強(qiáng)柱弱梁是設(shè)計要遵循的原則，同時，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件也是必不可少的設(shè)計準(zhǔn)則。很多情況下，構(gòu)件滿足設(shè)計要求，節(jié)點(diǎn)卻不能滿足抗震要求，因此，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)域設(shè)計是要重點(diǎn)考慮的問題。

4.4 抗剪鍵的設(shè)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(yàn)算不滿足，需要設(shè)抗剪連接件。《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)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(chǔ)間的摩擦力（摩擦系數(shù)可取0.4）或設(shè)置抗剪鍵承受。規(guī)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(shè)置抗剪鍵承受”，不是“和設(shè)置抗剪鍵承受”。