鋼結構廠房設計中常見問題分析和解決措施

王建群

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330031）

現如今，建筑工程施工中，鋼結構的運用越發普遍，不但在一些道路橋梁等公共基礎設施中得到廣泛運用，部分民用建筑中也經常出現。鋼結構因其自身的優勢特點，慢慢地對磚混房屋建筑結構進行了代替，給建筑行業的良好發展提供了新的契機。伴隨著鋼結構建筑的逐漸增多，鋼結構的實際應用也漸漸變得更加寬廣，然而鋼結構實際運用中存在眾多不足，這在一定程度上影響了建筑工程施工。對此，有關工作人員針對鋼結構建筑實施設計的過程中，需要從整體層面出發，力爭能夠在第一時間內發展問題，確保鋼結構設計良好的質量，從而為建筑施工提供良好保障。

1 鋼結構的優勢和特征

同鋼筋混凝土結構相比較，鋼結構具備如下優勢：大幅減少了地基處理過程中成本投入，自身重量相對較輕。鋼結構可以在工廠中進行預加工處理，明顯減短工程施工周期，減少了工程實際施工量[1]。鋼結構具有良好的抗震效果，鋼結構本身具備足夠的強度，可以對空間進行更為靈活的布設。鋼結構建筑的結構形式包含多種，具體如表1所示。

表1 鋼結構建筑結構型式

設計鋼結構建筑的過程中，結構是建筑形象的主要組成因素，結構型式、構件截面型式和連接節點等都會在一定程度上影響建筑物的效果。唯有保證結構設計和功能之間的統一性，方能保證建筑具有功能化特點，同時給今后建筑的設計奠定良好基礎，方能設計出技術和藝術之間統一的鋼結構建筑。當前，我國是全球范圍內最大的磚砌體和鋼筋混凝土結構建筑國家，這之于目前能源緊張的形勢而言，具有十分重要的現實意義。鋼材不但具備足夠的強度，同時實際生產加工中產生的一些角料都具有一定價值，可以進行回收利用。

2 鋼結構廠房設計中常見問題分析

2.1 鋼材材質的選擇

關于鋼結構的設計，一些相關資料中都對焊接材料的質量等級和所運用的材料做出了明文規定。鋼材應具有足夠的抗拉伸強度、硫含量以及屈服強度等。針對一些容易發生地震的地帶對鋼材的一些性能做出了特別的規定，如伸長率需要保證在20%之上，屈強比需要保證在1.2%之上，鋼材需要存在比較顯著的屈服臺階。另外，鋼材也應具有一定的可焊性和沖擊韌性，并且保證鋼結構具備較強的塑性變形。通常情況下可以采用Q355B或是Q235B之上碳素鋼便可以達到實際要求，無需采用Z級或是C級之上的鋼材，盡量縮減經濟成本投入。

2.2 溫度區域中需要設計相對獨立的空間穩定支撐體系

以門式鋼結構廠房為例，其支撐體系的設計通常存在如下問題：柱間支撐中，橫向水平支撐設計在各個不同的跨區內，如此便構成了相對獨立的支撐體系，不僅會對廠房的抗震性能產生一定影響，也會給工程現場施工制造一定困難；在第二個開間位置設計橫向水平支撐，但末端跨對應的位置并未設置剛性縱向系桿，造成山墻的水平載荷不能正常傳遞；屋脊或是柱頂等橫向水平支撐位置并未根據對應的剛性系桿加以考量，在采用檁條兼做形式的過程中，沒有對檁條實際所能夠承受的剛度和承載能力進行驗證[2]。除卻屋脊設計的雙檁，與結合檁條跨度在彼此之間連接的多于兩點的剛性連接件可以具有剛性系桿的作用之外，柱頂等其它位置未經過加強處理的檁條都無法起到剛性系桿的重要作用，主要是因為一般所運用的C冷彎薄壁型鋼檁條不具有足夠的側向剛度。

2.3 鋼結構穩定性的設計

近年來，國內在鋼結構穩定設計方面獲取了一定發展，然而依然存在眾多不足需要做出改善。具體包含如下問題：現今鋼結構網殼模型中，柱和梁的單元是主要的研究對象，然而很多業內人士對于此問題依然抱有懷疑的態度，主要是由于不能確定這些單元可否更加真實地對網殼的實際受力情況加以反映，當前存在的最主要問題是不知怎樣對軸力與彎矩之間的耦合效應作出反映；建筑行業中并不存在健全的理論對預張拉體系進行分析，這一方面的理論依然處于空白狀態；針對大跨度結構怎樣對整體與局部穩定性之間的關聯進行分析亦是一個比較困難的問題，很難真實地對二者之間的問題做出反映；鋼結構穩定性研究中存在眾多無法確定的因素，當前業內人士的影響分析主要集中在結構參數和隨機載荷較小的范圍中[3]。事實上，由于結構參數具有一定隨機性，結構響應亦會出現較大變化，所以大力關注隨機參數結構失穩、跳躍性失穩和干擾性屈曲等方面的研究。

3 鋼結構廠房常見問題解決策略

3.1 防火問題的解決策略

鋼材是鋼結構的基礎，針對鋼材物理性質實施分析我們能夠得知，鋼材具有十分良好的導熱性能，在鋼結構表層溫度超過100度時，其所具有的抗拉性會明顯下降，但彈塑性會變大；在鋼結構表層溫度超過250度時，其所具有的彈塑性會大幅降低，這樣便會產生藍脆現象，情況嚴重時，還會產生結構斷裂和坍塌的現象。所以，實際設計鋼結構廠房的過程中，防火問題是首要考慮的問題。例如，若是廠房溫度存在超過150度的可能，便需要對隔熱防火方面的問題加以考量。目前，比較常用的防火策略是將硬質防火板或是防火磚安裝在鋼結構表層，針對那些具有特殊用途的鋼結構應在其表層涂上一層相對較厚的防火材料，涂抹的實際厚度應嚴加遵照有關規定執行，針對一些重要位置需要進行反復涂抹。若是鋼結構廠房低于7m，需要在那些容易發生火情的位置設計自動噴水系統，這樣在發生火情的過程中，可以在第一時間內執行噴水降溫操作，有效規避火情蔓延情況的發生。

3.2 支撐系統問題的解決策略

支撐系統有利于提高結構抗側剛度，使結構受力均勻、合理及提高結構的整體性，能有效保證廠房整體結構和單個構件的穩定性、傳遞水平作用至基礎。具體設計過程中，對于有振動的設備操作鋼結構平臺，通過合理布置支撐系統調整結構的剛度，以避免發生共振現象。鋼結構廠房的支撐系統設計主要包含柱間支撐以及屋蓋水平支撐兩個方面。

3.2.1 柱間支撐

關于鋼結構廠房，其柱間支撐會在每個溫度區域中均勻分布，并且屋蓋的橫向支撐會對其造成一定影響。柱間支撐的具體位置與鋼結構的縱向變形之間存在密切關聯，所以，針對實際跨度相對偏大的廠房而言，在縱向端頭位置設計柱間支撐并不合理，因為若是在這一位置設計縱向支撐結構在廠房溫度發生改變時無法向兩側位置伸縮。

3.2.2 屋蓋支撐

關于屋蓋支撐系統，其主要包含橫向、縱向支撐以及連接桿件等基本構成部分。具體針對屋蓋支撐系統進行設計的過程中，應對如表2所示幾個方面的因素加以考慮。

表2 屋蓋支撐系統設計考慮因素

因為屋面支撐系統會依附在柱間支撐系統，所以應對柱間支撐結構和屋面結構相互之間力的傳遞加以考量，確保鋼結構廠房具有更大的剛度。

3.3 溫度伸縮問題的解決策略

伴隨著溫度的變化，鋼結構會產生一定的溫度應力，即所謂的溫度伸縮問題。廠房整體的大小與柱剛度和吊車軌頂的高度等各方面因素密切相關，面積相對較大的鋼結構廠房所承受的溫度應力也較大，鋼結構就更有可能出現變形的情況。要想有效規避鋼結構廠房出現變形問題，可以在廠房中設計溫度伸縮縫。關于溫度伸縮縫，橫向與縱向是兩種比較常見的溫度伸縮縫種類。實際中需要采用何種形式的溫度伸縮縫，應根據廠房的具體情況做出決定[4]。溫度伸縮縫設計過程中，需要將廠房整體分為幾個不同的溫度區域，溫度區域的實際長度應結合鋼結構設計規范內的有關規定執行。針對橫向溫度收縮縫實施處理的過程中，需要在鋼結構廠房行條和框架梁連接的地方設計橢圓孔滑動支座；針對縱向溫度收縮縫實施處理的過程中，通常運用雙柱設計的方式，在屋架支座的地方設計一個能夠自由滾動的滑行支座。

3.4 抗震問題的解決策略

雖然發生地震的概率相對較低，但近些年的一些大地震引起了人們對此問題的高度重視，盡管地震的發生只是在一瞬間，然而卻會給建筑物帶來毀滅性的打擊。所以，實際設計鋼結構廠房的過程中應對鋼結構抗震方面的問題加以考量。通常情況下，鋼結構具有良好的延性性能，即使鋼結構在很大的變形下仍不致倒塌，從而保證鋼結構的抗震安全性。然而若是結構設計不夠科學，其所具有的抗震性也不能得以充分發揮。實際設計過程中，應嚴加遵照建筑物抗震性能方面的規定，針對工藝結構要求相對偏高的生產加工車間，應采用更為完善的結構設計，保證鋼結構在承受強烈的震動中依然能夠具有良好的穩定性。對于鋼結構整體的布置，應根據鋼材所具有抗震性針對剛度進行均勻分布，確保鋼結構廠房受力更加均勻，以規避局部結構變形情況的發生。在地震作用下，可能發生桿件的失穩或連接節點破壞導致鋼結構整體喪失抗震能力，造成災難性后果，所以應對鋼結構連接節點和桿件的設計予以高度重視，確保各節點具有更加良好的抗震承載力，不會輕易出現破壞的現象。

4 結語

現如今，國家的經濟正處于高速發展中，科學技術也得到了快速進步。鋼結構建筑這種新型建筑形式，其在建筑行業中的運用越發受到人們的關注，為建筑行業的良好發展提供了助力，建筑工程施工單位也能夠從中收獲更多經濟和社會效益。然而鋼結構廠房設計中依然存在眾多不足，給鋼結構建筑整體施工質量造成了一定不良影響。因此，有關的工作人員需要努力提高自身專業能力，在實際設計中總結經驗教訓，提高自身設計水平，優化鋼結構廠房的設計，促進我國建筑行業的良好發展。