淺析鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計要點

曹淑娟

山西太鋼工程技術(shù)公司（030021）

0 前言

隨著社會工業(yè)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)因其在各方面的優(yōu)越性，在工業(yè)廠房建設(shè)中應(yīng)用越來越廣泛。鋼結(jié)構(gòu)建筑越來越受到人們青睞，滿足了工業(yè)建筑的建設(shè)要求，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房已逐漸取代混凝土廠房。

1 鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)越性

鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用廣泛。隨著改革開放和經(jīng)濟發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑除工業(yè)廠房外，還適用于倉庫、體育館、高鐵站、飛機庫等大跨度建筑。

鋼結(jié)構(gòu)建筑建造速度快，施工周期短。依據(jù)設(shè)計圖紙，大多數(shù)構(gòu)件已在工廠預(yù)制加工完成，現(xiàn)場安裝工業(yè)化程度高，可縮短施工周期，早日建成投入使用，大幅度提高綜合經(jīng)濟效。在實際工程中，面積8 000 m2的工業(yè)廠房，只需兩個月即可完成。

鋼結(jié)構(gòu)建筑自重輕，強度高、塑性韌性好，變形能力強。鋼結(jié)構(gòu)對動荷載適應(yīng)性強，節(jié)點延性好，抗震性能高。同時，柱網(wǎng)布置靈活，可以提高空間利用率，最大程度滿足工業(yè)建筑生產(chǎn)工藝要求，尤其適用于大跨度工業(yè)廠房。

鋼結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)濟性能好，綠色環(huán)保。鋼結(jié)構(gòu)建筑成本較低，因其自重輕，相應(yīng)基礎(chǔ)面積小，造價低，對地基承載力要求相應(yīng)降低。鋼結(jié)構(gòu)可重復(fù)利用，大大減少建筑垃圾，更加綠色環(huán)保。

2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計要點

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房一般是由橫向結(jié)構(gòu)和縱向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成。橫向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是框架（包括屋架或橫梁、天窗架和柱），是鋼結(jié)構(gòu)廠房的基本承重結(jié)構(gòu)，承受屋面荷載、橫向風(fēng)荷載和地震作用，在有吊車的工業(yè)房屋中還要承受吊車的豎向荷載和橫向水平荷載。縱向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是由柱、托架（用于大柱距）、柱間支撐、墻梁等構(gòu)成。橫向框架承重體系通過檁條、墻梁、屋面板、墻板等圍護體系及由柱、柱間支撐、屋面支撐、系桿等支撐體系組成空間受力體系。

首先，要對廠房的建筑和結(jié)構(gòu)進行合理的規(guī)劃，使其滿足工藝和使用要求，并預(yù)測未來可能產(chǎn)生的工藝流程變化及發(fā)展，盡可能滿足未來發(fā)展需求。然后，根據(jù)工藝設(shè)計方案確定車間平面及高度方向的主要尺寸，布置柱網(wǎng)和溫度伸縮縫，確定橫向承重體系的形式，預(yù)估承重構(gòu)件的型號大小。根據(jù)吊車梁跨度及吊車荷載選擇吊車梁類型，根據(jù)柱距及柱高確定支撐形式，根據(jù)柱距布置墻架柱、墻梁等。上述各受力體系有了具體結(jié)構(gòu)形式后，接下來根據(jù)荷載、跨度、高度等數(shù)據(jù)預(yù)估桿件型號進行受力分析及內(nèi)力計算、詳細(xì)節(jié)點連接設(shè)計，最后繪制施工圖。

2.1 柱網(wǎng)和溫度伸縮縫的布置

2.1.1 柱網(wǎng)布置

進行柱網(wǎng)布置時，應(yīng)注意以下幾方面的問題。

2.1.1.1 滿足生產(chǎn)工藝要求

柱網(wǎng)的布置應(yīng)滿足產(chǎn)品工藝流程和生產(chǎn)設(shè)備的空間需求，還應(yīng)考慮未來生產(chǎn)發(fā)展和工藝設(shè)備更新方面的需要。

2.1.1.2 滿足結(jié)構(gòu)傳力合理的要求

柱網(wǎng)布置需保證廠房結(jié)構(gòu)的傳力合理，保證廠房的橫向剛度，應(yīng)盡可能將柱網(wǎng)布置在同一橫向軸線上。

2.1.1.3 符合經(jīng)濟合理的要求

柱的縱向間距同時也是縱向構(gòu)件（吊車梁、托架等）的跨度。廠房的柱距增大，可減少柱的數(shù)量，廠房耗鋼量隨之減少，同時也可減少柱基礎(chǔ)的工程量，但柱距增大，吊車系統(tǒng)構(gòu)件及托架的重量隨之增加。為盡可能減少投資，降低單位面積耗鋼量，需比較權(quán)衡來確定最合理的柱網(wǎng)布置。

2.1.1.4 符合柱距規(guī)定要求

按照《廠房建筑統(tǒng)一化基本原則》《建筑統(tǒng)一模數(shù)制》的規(guī)定:結(jié)構(gòu)構(gòu)件的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化可降低制作和安裝的工作量。沿廠房跨度方向，當(dāng)L≤18 m時，橫向框架跨度宜采用3 m的倍數(shù)；當(dāng)L＞18 m時，其跨度宜采用6 m的倍數(shù)；沿廠房縱向柱列，基本柱距一遍采用6 m或12 m，根據(jù)工藝生產(chǎn)流程需要柱距可按18 m甚至24 m布置。

2.1.2 溫度伸縮縫

眾所周知，溫度升降會引起鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件熱脹冷縮，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，結(jié)構(gòu)變形引起鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)生溫度應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)使用性能降低甚至損壞。為避免產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力和溫度變形，應(yīng)在縱向長度及橫向跨度較大的廠房中間設(shè)置溫度伸縮縫。

溫度伸縮縫最常見的做法是設(shè)置雙柱。即在縫的兩側(cè)布置兩個無任何縱向構(gòu)件聯(lián)系的橫向框架，使溫度伸縮縫的中線和定位軸線重合。

2.2 橫向框架的荷載和內(nèi)力

2.2.1 永久荷載和可變荷載

永久荷載有:橫向剛架、屋面系統(tǒng)、支撐體系、吊車梁系統(tǒng)、墻架系統(tǒng)及設(shè)備管道等。

可變荷載有:風(fēng)荷載、雪荷載、積灰荷載、屋面活荷載、吊車荷載、地震荷載等。

2.2.2 內(nèi)力分析和內(nèi)力組合

下面進行橫向框架即廠房承重體系的計算。依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[1]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[2]，為簡化計算，將空間受力的鋼結(jié)構(gòu)廠房假設(shè)成平面受力體系進行計算。每榀框架即為一個計算單元。先計算出每個計算單元內(nèi)的永久荷載和可變荷載，確定荷載之后即可根據(jù)梁柱強度、穩(wěn)定、柱位移比、梁撓度各項控制指標(biāo)來確定梁柱承重構(gòu)件具體型號及鋼材等級。

2.3 支撐的作用及布置原則

對鋼結(jié)構(gòu)廠房而言，因其構(gòu)件自重輕，抵抗水平荷載（如風(fēng)荷載、吊車荷載及地震荷載）能力差，支撐的作用尤其重要。鋼結(jié)構(gòu)廠房的支撐分為屋面支撐和柱間支撐。

屋面支撐的作用：橫向支撐和縱向支撐形成封閉型，保證鋼結(jié)構(gòu)廠房的空間整體作用；避免受壓桿件側(cè)向失穩(wěn)，減小鋼架梁平面外計算長度；承擔(dān)山墻水平荷載，將其傳遞給柱間支撐及基礎(chǔ)；保證施工安裝階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

柱間支撐的作用:組成縱向構(gòu)架體系，保證廠房的縱向剛度；承擔(dān)廠房端部山墻的風(fēng)荷載、溫度應(yīng)力及縱向地震荷載，并通過壓梁傳至基礎(chǔ)；柱間支撐及系桿可作為鋼架柱平面外的支點，從而減小柱平面外計算長度[3]。

柱間支撐的布置原則：應(yīng)滿足廠房生產(chǎn)凈空的要求；應(yīng)滿足廠房縱向剛度的要求，同時還應(yīng)考慮柱間支撐的設(shè)置對廠房結(jié)構(gòu)溫度變形的影響，及由此產(chǎn)生的附加應(yīng)力；柱間支撐的設(shè)置應(yīng)與屋面支撐布置相協(xié)調(diào)，一般均與屋面支撐設(shè)置在同一柱距內(nèi)；每一溫度區(qū)段的每列柱，一般均應(yīng)設(shè)置柱間支撐[4]。

3 鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計常見問題及優(yōu)化

鋼結(jié)構(gòu)建筑有許多方面的優(yōu)勢，但也有不足之處，比如桿件厚度小，耐腐蝕性能差，防火性能差，鋼材在一定溫度下短時間內(nèi)強度降低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，防水性能差。根據(jù)工作經(jīng)驗，針對常見問題總結(jié)出以下優(yōu)化方案。

3.1 保溫隔熱

對于鋼結(jié)構(gòu)建筑，鋼材受熱性能見表1。保溫隔熱處理做法一般有兩種:在鋼構(gòu)件外側(cè)刷防火涂料，防火涂料具體類型及厚度根據(jù)構(gòu)件耐火等級及耐火時間確定（適用于鋼結(jié)構(gòu)受到短時間火焰的直接作用）；在鋼構(gòu)件外側(cè)包硬質(zhì)防火板材或耐火磚（適用于鋼結(jié)構(gòu)受到熾熱熔化金屬的侵害時）[5]。

表1 鋼材受熱性能

3.2 屋面防水設(shè)計

針對鋼結(jié)構(gòu)屋面熱脹冷縮的特點，合理選擇屋面體系。屋面結(jié)構(gòu)選擇浮動式屋面，屋面板橫向以咬口式鎖合，即直立縫鎖邊縱向采用三明治擠壓方式連接，同時屋面板搭接長度不小于40 mm。這種結(jié)構(gòu)體系可滑動，密封性好，防水效果好，抗風(fēng)能力強。

設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求設(shè)計屋面雨水系統(tǒng)，并設(shè)置溢流措施，同時補充設(shè)計窗口上下檐口的包邊、屋脊泛水板和陰陽角等細(xì)部節(jié)點，防止出現(xiàn)雨水滲漏現(xiàn)象。

3.3 防銹處理

銹蝕的危害性:使構(gòu)件截面厚度變薄；構(gòu)件表面產(chǎn)生局部銹蝕；引起構(gòu)件乃至整個結(jié)構(gòu)過早損壞。

防銹蝕處理方法:構(gòu)件表面除銹后涂刷防銹漆，具體防銹漆的類型、層數(shù)、厚度根據(jù)構(gòu)件使用環(huán)境確定。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)作為當(dāng)前工業(yè)廠房的主要結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化設(shè)計充分發(fā)揮其優(yōu)勢，避免不足之處，可以極大提升鋼結(jié)構(gòu)廠房的使用性能。同時鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展會帶動一系列輕質(zhì)高強墻體材料的發(fā)展，并為綠色建材的發(fā)展創(chuàng)造條件。