輕型鋼在工業建筑結構設計中應用分析

【摘要】隨著現代工業建筑的發展，輕型鋼結構憑借著諸多優勢逐漸得到了廣泛應用，包括施工便利性、環保性以及經濟性等。本文首先針對輕型鋼結構建筑概念進行了簡要分析，明確了輕型鋼在工業建筑的應用優勢，其后分析了工業建筑輕型鋼結構設計原則，并圍繞工程案例探討了輕型鋼在工業建筑結構設計中應用要點，以期可供參考。

【關鍵詞】輕型鋼;工業建筑;結構設計;輕型門式剛架廠房? ? ? ? ? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.31.029

1、引言

工業建筑是建筑領域的重要組成部分之一，由于承載要求高，自身結構荷載量不斷提高，如何在保證結構力學性能的同時合理控制自身荷載量成為一大重要問題。近年來，輕型鋼憑借著質輕、強度高、裝配簡單等諸多優勢，在工業建筑中得到了廣泛應用，其性價比較高，施工現場操作便利，可有效縮短施工工期，打造優質項目。為保障工業建筑結構整體性能，必須將輕型鋼結構設計作為一項重點工作來抓，合理確定各個構件的布置方案，從技術經濟性的角度出發落實設計參數的優化工作，本文圍繞此展開詳細分析。

2、輕型鋼結構建筑概念

國外輕型鋼發展較早，主要是源于歐洲傳統建筑中木結構的影響，小斷面型鋼、薄壁逐漸發展起來，并逐漸運用于工業建筑工程。傳統的重型工業廠房，逐漸被輕型鋼結構替代，尤其是門式鋼架結構體系的運用較為廣泛，其與一般輕型鋼結構相比，側向剛度更大，在抗震、水平承載能力方面具有較大優勢。

近年來，我國鋼鐵行業發展迅猛，從2020年整體產量來看，生鐵、粗鋼和鋼材產量分別為8.88億噸、10.53億噸和13.25億噸，同比分別增長4.3%、5.2%和7.7%?；谌绱司薮蟮匿摬漠a量背景下，推動了我國鋼結構建筑的發展，工業建筑中輕型鋼結構越加常見。結合相關理論與工程實踐分析顯示，輕型鋼在工業建筑中的運用，可減少約50%混凝土使用量，同時建筑自身質量可減輕3 /4;輕型鋼材料施工工期較短，無需現場綁扎鋼筋、制作模板，但建筑整體強度有所保障;輕型鋼結構減少了砂、石、灰用量，且建筑拆除時多數材料可回收再利用，污染小且整體經濟性好?；谏鲜龇治隹傻茫p型鋼在工業建筑中的應用具有諸多優勢，施工便利、經濟性好、綠色環保，值得推廣應用。

3、工業建筑輕型鋼結構設計原則

3.1適用性原則

輕型鋼在工業建筑領域中的運用，主要適用于低載荷承重的建筑。隨著我國鋼結構產業的發展與相關技術體系的完善，輕型鋼的運用越加廣泛，結構體系較為靈活，在抗腐蝕、抗震方面表現較好。輕型鋼在工業建筑中需根據實際情況開展設計工作，重視隔音性能、保溫隔熱性能以及采光性能分析，合理運用輕型鋼骨等材料，發揮輕型鋼結構高效、節能、環保等優勢。

3.2安全性原則

工業建筑輕型鋼結構設計過程中，必須重視安全系數問題，既要保證作業人員安全，也要確保建筑材料各方面安全性。根據工業建筑實際運行情況分析顯示，工業生產往往對環境要求較高，工業建筑輕型鋼結構必須具備良好的抗壓、抗震、抗腐蝕以及防火性能，一方面需嚴格選用輕型鋼材料，另一方面需科學開展結構設計與優化工作，保證工業建筑整體結構安全可靠。

3.3經濟性原則

輕型鋼在工業建筑中的推廣運用，主要取決于其重量輕、成本低兩大優勢。對此，在工業建筑輕型鋼結構設計時，必須遵循經濟性原則，根據工業建筑環境、使用需求，科學開展結構設計工作，合理確定建筑方案，不得盲目設計，避免不必要的浪費，切實保障工業建筑項目經濟效益。

4、輕型鋼在工業建筑結構設計中應用要點

本文以常見的門式剛架輕型鋼結構工業建筑為例，詳細分析了結構設計要點。

4.1工程概況

本項目為某輕型門式剛架廠房，擬建尺寸為220m×130m，主體建筑高度9.7m，地上一層。具體設計參數如下表1所示。

4.2門式剛架輕型鋼結構設計要求

（1）構件空間布置：門式剛架輕型鋼結構工業建筑，主要構成包括屋面壓型鋼板、墻面與屋面檁條、支撐系統、吊車梁、鋼梁與鋼柱，結構設計與優化中必須對各種影響因素的綜合分析，包括：建筑高度、吊車噸位、屋面荷載、跨度、柱距、坡度等，合理布置各個構件，如：確定最優柱距，合理控制檁條、吊車梁用鋼量與剛架數量，保證結構設計方案的技術經濟性。

（2）構件截面優化：確定門式剛架輕型鋼結構布局、材料方案的基礎上，對各個構件截面尺寸進行優化，在保證的構件內力的前提下，提高廠房整體經濟性。鋼架主要利用變截面H型鋼實現鋼材節約，H型鋼腹板高度、厚度可根據需要進行變化，兼顧結構安全性與經濟性要求。

4.3門式剛架輕型鋼結構設計與優化要點

4.3.1跨度確定

結合相關實踐經驗總結，門式剛架輕型鋼結構建筑跨度以15～36m為主，主要影響因素為屋面荷載，當屋面荷載增加時，柱截面尺寸須隨之增大，否則用鋼量必然增加;若是跨度過大，則梁截面尺寸將進一步增大，用鋼量增加。

本工程1跨2臺吊車，吊車噸位為5t，屋檐位置高度9. 7m，屋面坡度1 /20（暫定），采用PKPM - STS構建單榀剛架模型，選取三種柱距進行計算，分別為6m、7. 5m、9m;在輕型鋼結構用鋼量計算時，需根據柱距確定作用在單榀剛架模型上的面荷載、吊車梁荷載。根據實際計算與分析顯示，跨度在24～27m時，輕型鋼結構經濟性最優，通過與甲方溝通最終將跨度取為21m，設置6跨，合計126m。

4.3.2柱距確定

在進行門式剛架輕型鋼結構建筑柱距設置時，受到多個因素的影響，包括：跨度、屋面荷載、墻面與屋面檁條形式等。本工程采用PKPM-STS 構建整體剛架模型，對不同跨度下，6m、7. 5m、9m三種柱距的用鋼量，根據實際計算與分析顯示，當柱距6m的情況下，廠房的用鋼量最少，最終將柱距確定為6m。

4.3.3坡度確定

根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》要求，輕型門式剛架坡度最小值為1 /20。從坡屋面的功能來看，以排水為主，由此坡度變化不會對鋼架內力產生直接影響，但是坡度一旦變大將導致斜梁長度變化，進而對輕型鋼結構的用鋼量產生影響。本工程采用PKPM - STS 構建整體剛架模型，將已經確定的跨度（21m）、柱距（6m）導入，并對不同坡度的輕型鋼結構用鋼量進行計算，分別為1 /20、1 /15、1 /10、1 /8。根據實際計算與分析顯示，當坡度取值為1 /20時，整體用鋼量最少，適用于廠房跨度不大的情況。

4.3.4構件截面優化

本工程采用變截面剛架斜梁，變截面位置以斜梁反彎點處為宜，1跨主要分為三段，比例控制在1∶2∶1，端部跨度可根據輕型鋼結構建筑整體跨度適當減小 0. 5～1m，實際可采用PKPM-STS繪制彎矩分布圖，并以此為依據進行調整優化;本工程采用的是5t吊車，剛架梁、柱的應力比最大值以0.9以內為宜;剛架梁、柱H 型鋼最小高度以350mm為宜，最小腹板厚度5mm;本工程吊車梁容許撓度限值，建議按下表2取值。

結語：

綜上所述，隨著我國鋼鐵產業的發展，以及工業建筑施工速度、成本等方面的要求，輕鋼結構逐漸成為一大發展趨勢，在工業建筑領域中得到了廣泛運用。與鋼筋混凝土結構相比，輕鋼結構材料具有重量輕、強度高、現場施工便利等特點，有利于縮短施工周期，提高建筑經濟效益。為充分發揮輕型鋼在工業建筑的應用優勢，必須根據項目實際情況科學開展結構設計與優化工作，在保證結構安全性、可靠性的基礎上，通過各個構件的合理布置與截面優化，有效控制整體用鋼量，由此實現工業建筑成本的合理管控，提高建筑工程綜合效益。

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作者簡介：

招云杰（1970-），男，廣東廣州人，工程師，本科，工作方向：工業與民用建筑結構設計與研究。