論輕鋼結構廠房的選材與設計

【摘要】本文根據鋼柱鋼材的選用，對鋼結構設計及其設計中該注意的問題，以及其特點進行了詳細的論述。

【關鍵詞】輕鋼結構；大跨度；鋼材，設計

引言

隨著社會經濟的發展和科技的進步，鋼結構在建筑領域扮演著越來越重要的角色。鋼結構廠房因其抗震性能好、施工速度快、承載力高的特點在工業廠房設計中逐漸代替了鋼筋混凝土結構，并得到了廣泛的運用。

1、鋼柱鋼材的選用及要求

1.1鋼柱鋼材的選用

為了保證承重結構的承載能力和防止在一定條件下出現脆性破壞，應根據結構的重要性、荷載特征、結構形式、應力狀態、連接方法、鋼材厚度和工作環境等因素綜合考慮，選用合適的鋼材牌號和材性。一般可選用的鋼材有：Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼、Q420鋼。因本工程柱距、跨度均較小，屋面為輕型彩板屋面，故鋼柱選用Q235鋼。

1.2對鋼材材性的要求

1.2.1在鋼結構設計中，應注明建筑結構的設計使用年限、鋼材牌號、連接材料的型號（或鋼號）和對鋼材所要求的力學性能、化學成分及其他的附加保證項目。此外，還應注明所要求的焊縫形式、焊縫質量等級、端面刨平頂緊部位及對施工的要求。另外還應注明對有害元素的限值及對鋼材塑性、韌性的要求，主要是對硫（S）、磷（P）含量的限值，S會增加鋼材的熱脆性，P會增加鋼材的冷脆性，最后對碳（C）的含量也應有限值，雖然增加C含量會提高鋼材的強度，但是會降低鋼材的塑性及可焊性。

1.2.2對焊接結構及非焊接結構限制采用Q235沸騰鋼須注明。雖然現在隨著煉鋼技術的改進，沸騰鋼在市場上已經很少遇到，但是一些小鋼廠還會生產沸騰鋼，所以對不能用沸騰鋼的結構須明確指出。本工程主要結構受力構件的鋼材選用Q235-B鋼。

1.2.3對鋼材強度及塑性、韌性的要求。鋼材的抗拉強度是鋼材受力破壞時所能達到的強度值，屈服強度是設計時我們取用的強度值，抗拉強度至少大于屈服強度20%，作為結構的安全儲備。伸長率的要求是對鋼材塑性的要求，是為了保證結構的塑性設計而提出的要求。冷彎試驗的合格保證及對沖擊韌性的要求是為了防止結構發生脆性破壞而提出的，須嚴格執行。

1.2.4設計中須明確規定對需要驗算疲勞的焊接、非焊接結構鋼材沖擊韌性的合格保證。雖然本廠房為采暖房屋，但考慮到會出現廠房采暖系統出現故障吊車還會工作的情況時，且本地區最低氣溫為-34℃，所以對吊車梁的材質提出了應具有0℃沖擊韌性的合格保證，選用Q345-C鋼。

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300m；②橫向溫度區段變形縫間距不大于150m。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。

（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。

2.4.3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30kg/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、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0.5kN/m2。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60m2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。

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，作為一名工程人員應不斷積累經驗，不斷學習國外的新知識，也希望今后有更多的學者投入相關的研究中來。

參考文獻

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