廠房鋼結構設計研究

蔣滔滔

(宜興市建筑設計研究院有限公司，江蘇 宜興 214200)

隨著我國工業生產的迅速發展，廠房規模和數量也呈逐年上升趨勢，各行各業的廠房均向著大柱距、大跨度的方向發展。早期的工業廠房結構以鋼筋混凝土為主，但其施工周期較長，所需建筑材料也較多，因而被大多數生產企業所淘汰［1］。隨著新型建筑材料的推廣使用，鋼結構因其強度高、自重小、施工周期短、節能環保等優勢開始取代鋼筋混凝土成為主流廠房結構。通過近幾年的鋼結構設計施工實踐，在設計過程中往往存在一些重點難點問題，包括結構選型、結構計算等內容，這些問題深刻影響著廠房鋼結構的施工安全和質量。

一、廠房鋼結構應用特點

鋼結構分為重鋼和輕鋼兩類，關于重鋼和輕鋼的界定尚沒有統一的行業標準，一般將廠房起吊重量在25t以上的認定為重鋼結構。重鋼主要應用于石化廠房、電廠廠房等跨度較大的廠房結構中，輕鋼則主要應用于小型廠房、站棚等跨度較小的結構中。

(一)自重輕施工簡便

當鋼結構與其他建筑材料的跨度、荷載相同時，其屋架的重量僅為鋼筋混凝土屋架的三分之一，因此，運輸、吊裝、施工起來更加便捷，可大幅度的降低運輸和施工成本。鋼結構可滿足廠房的較大跨度需求，最大跨度直徑可達48m。鋼結構組成材料的成品性較大，施工中可由專業化的金屬構件直接拼裝而成，節約了人力、物力，大大縮短了施工周期。

(二)鋼結構可回收利用更加節能環保

由于鋼結構金屬網架下面閑置空間較大，可布設消防管道、給水管道、通風管道、壓縮空氣管道等多種管道，因此，應用鋼結構的廠房，可充分利用其上部閑置空間，節省多余的管道安裝費用，有效節約建筑成本。鋼結構是一種利用率較高的建筑材料，可實現多次回收利用，且安裝過程中不會產生粉塵和噪聲污染，拆卸也比較容易，拆除的金屬構件可直接回收，因此，具有較高的循環利用價值［2］。

二、廠房鋼結構設計準備工作

(一)鋼結構選擇

考慮是否可以采用鋼結構作為廠房主結構之前，設計人員應當首先按照現場實際測量數據，判斷該廠房是否適合鋼結構施工，以及采用鋼結構是否存在安全隱患等，只有其適用性和安全性確定無誤后才可考慮鋼結構廠房。

(二)鋼結構評估

設計師需要根據實際測量數據建立相應的力學模型，分析鋼結構構件受力情況，預估廠房梁柱支撐斷面參數，最后確定采用軋鋼、H型鋼、槽鋼中的一種或多種。

(三)鋼結構設計綜合分析

確定設計方案后，應當評估廠房鋼結構是否符合施工標準，并反復比對重要設計參數，判斷施工周期是否符合施工要求，分析鋼結構總剪力、結構受力變形情況。

三、廠房鋼結構設計要點

(一)防火設計

鋼結構廠房的防火能力要弱于鋼筋混凝土廠房，鋼結構抗拉強度會隨溫度升高而逐漸降低，甚至出現塑性增大的情況，當環境溫度升高到250℃以上時，鋼結構金屬構件就會產生徐變現象，當溫度達到500℃時，鋼材強度會降到最低值，導致整個廠房坍塌。因此，在進行廠房鋼結構設計時，有必要嚴格按照防火規范，確定廠房發生火災的危險等級，選擇耐火極限符合要求標準的建筑鋼材。廠房鋼結構實踐中，應用最廣泛也是最有效的一種防火方式就是在鋼結構表面涂抹一層防火涂料，以此提高鋼材的耐火極限，當火災發生時，防火涂料可以起到隔熱作用。

(二)協調好鋼結構設計與廠房工藝設計

鋼結構廠房是企業生產中的一個重要區域，如果鋼結構廠房與整個生產模塊的工藝設計不協調，就會影響正常的生產作業。鋼結構廠房與工藝設計的不協調主要表現在:鋼結構廠房墻體厚度和高度不符合工藝設計指標、鋼支架分布情況不合理等［3］。鋼結構的鋼支架分布形式一般有網架、平面桁架、空間桁架、塔桅、索膜、框架等幾種，設計人員需要按照企業的實際建廠條件和建筑要求，選擇合理的鋼支架形式。除了鋼支架形式外，鋼材也是影響其建筑性能的重要因素。不同的鋼材其結構性能不同，例如，無縫鋼管中含有中空截面，可作為液體輸送管道，圓鋼為實心鋼材，可起到穩定鋼結構的作用。因此，在具體選擇何種鋼材時，需要考慮其與廠房的工藝設計要求是否相符。

(三)重視鋼結構計算過程

鋼結構計算一般采用的是結構設計中的計算程序，計算結果評估是鋼結構設計中的重要組成部分，對不同軟件的計算結果進行對比分析，最終選擇最合適的截面有利于成本的節省。荷載取值時，對于降雪量較大的地區，設計人員應當根據本地區的實際降雪情況，考慮適當增加鋼結構荷載，檢驗荷載最大值是否可以承受最大量的降雪。構件設計時，應充分重視凈截面、長細比這些概念的重要性。連接設計時，應根據施工條件等選擇合適的連接方式，若采用承壓型連接，則考慮到承壓力和剪切力兩方面的要求，螺栓不得安裝在剪切面上，此時須討論其連接位置是否合理，是否施工方便。

結論

鋼結構應用優勢顯著，但在廠房鋼結構設計中，應當嚴格遵守設計規范，綜合考量其耐久性、安全性、防火性、適用性等是否滿足施工要求。此外，應當在綜合考慮現場施工環境和施工圖設計的前提下確定設計方案，反復計算荷載值，并采用最佳的鋼結構形式和鋼材，避免影響廠房鋼結構強度。

［1］李勇.基于冶金化工單層工業廠房鋼結構防腐的探討［J］.中華民居 (下旬刊)，2013，01:94－95.

［2］武雅卿，李寧瑞.試論工業廠房鋼結構設計中存在的問題及改進要點［J］.中國建筑金屬結構，2013，06:14.

［3］張留.廠房鋼結構設計中的問題分析及對策探討［J］.中國建筑金屬結構，2013，24:47.