關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)研究

薛國輝，李帥

（中建三局城建有限公司，長春 130000）

1 前言

現(xiàn)在，無論是國內(nèi)還是國外，都在不斷的開發(fā)技術(shù)，使得防腐涂料、防火涂料、高強度鋼板等都在大規(guī)模的投入使用。因此，鋼結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)的建設(shè)中，而且發(fā)展的速度也越來越快。工業(yè)建筑在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，每個設(shè)計者的設(shè)計經(jīng)驗不同，對規(guī)范的了解程度也會有差異，因此，在設(shè)計問題時，所選擇的處理方式也會有所不同，下面對工廠鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究進行了介紹。

2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房特點及發(fā)展歷程

2.1 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房特點

第一個特點是鋼結(jié)構(gòu)的大跨度。目前國內(nèi)很多工廠的設(shè)計，都是為了滿足大跨度的需要，采用的是大跨度的鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)最大跨徑可達48 米，相對于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架，在不改變梁高的前提下，實際開口間距比鋼筋混凝土大50%以上，因此能有效地增加立柱的彈性。該特性使得鋼結(jié)構(gòu)在縱向溫區(qū)長度超過300 米，橫向溫帶長度為150 m，完全符合有關(guān)要求。第二個特點就是鋼制的建筑比較輕巧。在廠房的設(shè)計和施工中，鋼結(jié)構(gòu)相對于常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)來說，具有較低的質(zhì)量，從而極大地減輕了基礎(chǔ)的荷載。此外，鋼結(jié)構(gòu)體系在很大程度上克服了混凝土結(jié)構(gòu)抗震能力差、施工技術(shù)復(fù)雜等缺點，其是一種應(yīng)用于民用建筑項目的材料，其耐久性得到了極大的提高，可以有效地延長輕鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

20 世紀50 年代中期，國內(nèi)率先對預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)進行了研究，率先應(yīng)用于輸料棧橋，國內(nèi)某年建造了一座25 米左右的煤炭棧橋，這是國內(nèi)首次采用預(yù)應(yīng)力鋼棧橋。此后，國內(nèi)部分學者逐步開發(fā)出了冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)，以使其更加符合我國國情。到了70 年代末，我國一家工廠已經(jīng)成功地開發(fā)出了一種新的自動式高架倉庫，倉庫的高度大約在15 米，共有13 層。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)工程建設(shè)的步伐也越來越快，空間結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的輕型鋼結(jié)構(gòu)也逐漸被開發(fā)出來。

3 鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計不足之處

作為一名建筑設(shè)計師，應(yīng)該按照企業(yè)的需求，對工廠的建筑進行全面的設(shè)計，包括柱網(wǎng)、跨度、氣樓、吊車的形式，以適應(yīng)建筑的實際應(yīng)用需求。首先是立柱、網(wǎng)孔等，在選擇立柱網(wǎng)段時，應(yīng)了解生產(chǎn)工藝、設(shè)備布置、生產(chǎn)線數(shù)量、吊車的噸位及使用次數(shù)。不要一味地追求成本最小化的鋼材，以滿足生產(chǎn)的需要。其次是建筑內(nèi)部，由于鋼結(jié)構(gòu)廠房的內(nèi)部采用了柱間支撐，并在柱上安裝了電纜橋架、管道支架等，部分構(gòu)件具有較大的荷載，所以對敏感結(jié)構(gòu)廠房的受力進行合理的規(guī)劃是設(shè)計的重點和難點。廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在的設(shè)計缺陷包括：鋼支架分布、氣樓形式不合理、柱間支撐位置等因素對內(nèi)部的物流通道產(chǎn)生影響；另外，對生產(chǎn)工藝、吊車外形尺寸的認識還不夠充分，致使吊車的噸位、數(shù)量、形式、安裝吊車時的凈空高度都不夠合理，會對生產(chǎn)造成極大的浪費。最后是造價，在設(shè)計過程中要充分考慮成本費用，而成本費用是影響企業(yè)經(jīng)濟效益的一個關(guān)鍵因素。在工程建設(shè)中，工廠的工程項目扮演著舉足輕重的角色[1]。

4 工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的準備工作

4.1 結(jié)構(gòu)分析

工廠的鋼結(jié)構(gòu)分析是一個很重要的環(huán)節(jié)，在完成了結(jié)構(gòu)的評估之后，相關(guān)的設(shè)計師必須要對工廠的鋼結(jié)構(gòu)進行全面的分析，確定是否符合建筑的要求，在必要的時候，還要檢查一些關(guān)鍵的參數(shù)，包括安全隱患、結(jié)構(gòu)變形、工期等等。

4.2 結(jié)構(gòu)判斷

在前期的準備工作中，設(shè)計師要通過對有關(guān)數(shù)據(jù)的判斷和分析來檢驗鋼結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，從設(shè)計經(jīng)驗來看，并非所有的工廠廠房都適用于鋼結(jié)構(gòu)，如果盲目的選擇鋼結(jié)構(gòu)，可能會造成安全事故的發(fā)生。

4.3 結(jié)構(gòu)評估

在進行結(jié)構(gòu)評價時，首先要建立力學模型，然后對各構(gòu)件的剖面進行具體的參數(shù)分析；鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)估算時，先確定梁、柱支承的截面參數(shù)，然后確定是否可以在一定程度上選擇H 型鋼、槽鋼、軋鋼等截面。

5 鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

5.1 結(jié)構(gòu)布置

在鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅要達到具體要求，而且要對其大小進行精確的控制。比如：鋼結(jié)構(gòu)廠房，門型鋼架的寬度在21 米～24 米之間，寬度可以根據(jù)實際情況而定，但不能超過36 米，垂直和水平的荷載都是由構(gòu)件連接而成，并且這些構(gòu)件還承擔著相鄰框架之間的連接，在支撐系統(tǒng)中施加的壓力，也要在相應(yīng)的溫度區(qū)域，設(shè)計屋頂?shù)臋M向支撐，增加空間的穩(wěn)定性[2]。

5.2 受力分析

在鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，當屋頂處于滿載狀態(tài)時，應(yīng)從安全的角度對其進行受力分析。在進行應(yīng)力分析時，根據(jù)荷載作用的組合，舉例說明：第一，考慮活荷載、雪荷載，并選取二者間最大的荷載，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。第二，在進行應(yīng)力分析時，應(yīng)將雪荷載和積灰荷載結(jié)合起來。第三，在鋼結(jié)構(gòu)廠房的屋面施工、檢修過程中，不得采用這種載荷進行自動加載。第四，按國家規(guī)定的負荷標準，安排多個起重機使用。第五，對設(shè)計風荷載和地震荷載的區(qū)別。規(guī)范中指出，鋼結(jié)構(gòu)廠房屋頂?shù)拇怪焙奢d標準為0.5 N/m2。

5.3 防火設(shè)計

在長時間承受100℃輻射熱量的情況下，鋼的強度變化不大，并有一定的耐熱性；但超過150℃時，必須采用隔熱材料。鋼結(jié)構(gòu)不能耐火，應(yīng)特別重視對關(guān)鍵建筑物的防火保護。目前，為了保證鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能，一般采用在鋼結(jié)構(gòu)上涂一層防火漆，以保證其耐火性能。另外，設(shè)計者還要從多角度進行分析，并采取相應(yīng)的防范措施，例如：合理地設(shè)計疏散通道、逃生通道等，避免發(fā)生火災(zāi)時人員的緊急撤離，減少火災(zāi)造成的傷害[3]。

5.4 防腐設(shè)計

由于鋼制建筑經(jīng)常暴露在空氣中，極易受到空氣的侵蝕，而在鋼制建筑內(nèi)部，由于長期處于潮濕的環(huán)境中，其腐蝕就會加劇。鋼結(jié)構(gòu)受腐蝕，不僅導致整體截面變小，而且在鋼材表面產(chǎn)生大量的花紋和凹坑，對結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。最常用的方法是在鋼結(jié)構(gòu)表面涂上一層防腐蝕涂層，這種涂層具有致密性、疏水性、高電阻、高粘附性，能有效地阻擋空氣中的水蒸氣和氯離子，對鋼結(jié)構(gòu)起到很好的防護作用。

5.5 抗震設(shè)計

在工業(yè)廠房的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，特別是在高震地區(qū)，應(yīng)加強鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，以有效地提高廠房的抗震性能，并增強廠房的抗震性和安全性。在設(shè)計中，為了減小振動對廠房的損害，應(yīng)使鋼結(jié)構(gòu)的布局均勻、對稱，并使結(jié)構(gòu)傳遞力清晰、有效。在此基礎(chǔ)上，采用科學、合理的連接方法，以保證屋架與屋面板、屋架和立柱的連接牢固，防止節(jié)點損壞。同時，還需要加強柱身與墻體的拉力，采用合理的高寬比調(diào)節(jié)和減震方法，使其在地震作用下的抗震性能得到最大化。

6 工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容

6.1 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房圖紙設(shè)計

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須根據(jù)實際情況，按照圖紙進行詳細的施工。在鋼結(jié)構(gòu)施工中，根據(jù)施工階段、施工質(zhì)量、施工工藝等進行施工，設(shè)計圖紙都有明確的規(guī)定，可以說，在工程建設(shè)中，設(shè)計圖紙是很有價值的。在具體的設(shè)計中，還要注意材料的準確性，也就是鋼筋的種類和規(guī)格都要盡可能地控制在一個很小的范圍之內(nèi)，如果兩個鋼筋的規(guī)格大小比較接近，那么就可以采用相同的標準。

6.2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房防火設(shè)計

與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中會受到溫度的影響，其耐火性能也不是很好。因此，在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮保溫、防火等因素，以保證廠房整體的安全可靠。在建筑工程的具體設(shè)計中，應(yīng)明確火災(zāi)危險等級、防火等級，并嚴格按有關(guān)防火規(guī)范進行設(shè)計，選用防火等級的鋼材，以減少火災(zāi)對鋼結(jié)構(gòu)的沖擊，從而提高其防火性能。在實際工程中，為了提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能和防火等級，一般都會在鋼結(jié)構(gòu)上涂覆一層防火漆。此外，在設(shè)計時，設(shè)計者應(yīng)采取有效的預(yù)防措施，全面實施消防設(shè)計，減少火災(zāi)造成的損失。

6.3 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房抗震設(shè)計

近幾年，由于地震頻發(fā)，工業(yè)廠房的抗震設(shè)計應(yīng)從總體上提高其抗震能力。即在實際地震設(shè)計時，應(yīng)確保設(shè)計廠房內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的均勻性，并使其整體應(yīng)力分布十分均衡，以鋼框架為基礎(chǔ)，合理的布置水平、縱向結(jié)構(gòu)，以防止廠房出現(xiàn)變形，即使在地震中，也能保證建筑物本身的抗震性能。在地震中，建筑結(jié)構(gòu)的損壞，主要是由于其承重部件沒有滿足規(guī)定的強度要求，導致結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下失去了穩(wěn)定的支撐點，導致結(jié)構(gòu)的坍塌。因此，在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計中，必須保證其科學、合理，從而使其整體穩(wěn)定，并具有更好的抗震能力。在發(fā)生地震時，工業(yè)廠房中合理的支撐體系可以起到很好的保護作用，并能有效地保障建筑物的整體穩(wěn)定，使建筑物的結(jié)構(gòu)不至于受到嚴重的損壞。

6.4 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房防腐設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)自身的特點，使其在空氣中極易氧化，尤其是在潮濕的環(huán)境中，會使其進一步惡化。在鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕中，其主要特征是：構(gòu)件截面急劇減小、局部銹坑、受力部分應(yīng)力過多等，從而對鋼結(jié)構(gòu)的壽命造成了很大的影響。在這一具體的設(shè)計中，設(shè)計師要將工廠周圍的環(huán)境有機的結(jié)合起來，從而制訂出具體的防腐蝕設(shè)計，進而有效地增強鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能。目前，鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中，一般都是在鋼材表面涂上一層防銹防腐蝕涂層，以防止大部分的腐蝕因素與鋼材的直接接觸，從而起到保護鋼材的作用。但是，在特殊的涂覆防腐蝕材料時，要根據(jù)不同的腐蝕防銹要求，選擇特定的涂層厚度。

7 鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計中需要注意的事項

7.1 變形縫的設(shè)計

為鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計的變形縫，其主要內(nèi)容有三種：防震縫、伸縮縫、沉降縫。在設(shè)計各類變形縫時，應(yīng)充分考慮到工業(yè)廠房的質(zhì)量要求。比如，當工廠廠房溫度過高時，建筑結(jié)構(gòu)就會受到溫度的影響，從而導致建筑的變形。因此，在設(shè)計時，應(yīng)以地基頂部為出發(fā)點，將兩個溫度區(qū)間分開的上部結(jié)構(gòu)位置布置，使其易于在溫度變化時發(fā)生橫向變形，從而防止上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的變形。

7.2 支撐系統(tǒng)

在支撐體系的設(shè)計中，要重視結(jié)構(gòu)振動、跨度、結(jié)構(gòu)性能等方面的問題，并加強其在實際中的應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)廠房由于功能的差異，其支撐體系的設(shè)計也不盡相同，當鋼結(jié)構(gòu)廠房安裝有振動裝置或起重機時，就需要進行支承體系的設(shè)計，并且是橫向支承，從而確保鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全與穩(wěn)定，使其結(jié)構(gòu)設(shè)計更具科學性，進而使支撐體系發(fā)揮更大的作用。

7.3 廠房的工藝設(shè)計和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要相互協(xié)調(diào)

鋼鐵工業(yè)廠房是企業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要組成部分，而工廠的建設(shè)對整個生產(chǎn)流程的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。有時，廠房的結(jié)構(gòu)不符合設(shè)計要求，主要有：墻體寬度、厚度、高度等指標不符合要求。其結(jié)構(gòu)形式有：塔桅、網(wǎng)架、索膜、輕型鋼、平面桁架、框架、桁架等，結(jié)合企業(yè)的實際情況，選用適當?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)，如采用格子式結(jié)構(gòu)，當懸挑載荷大時，可以降低建筑物的荷載。另外，在選擇設(shè)備時，還可以選擇不同的材料，在選定的區(qū)域要根據(jù)不同的用途來選擇，具體可以選用無縫鋼管、焊接鋼管等材料來滿足結(jié)構(gòu)需求。在無縫鋼管內(nèi)，有一個空心的部分，這個接口可以用來傳輸液體。圓鋼和鋼管等固體鋼相比，具有更輕的重量，用于工廠的結(jié)構(gòu)，可以穩(wěn)定鋼結(jié)構(gòu)。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上必須與生產(chǎn)工藝條件一致，工廠的設(shè)計必須與生產(chǎn)過程相適應(yīng)。

7.4 合理進行電梯間位置布置設(shè)計

如果工廠是多層建筑，那就意味著要安裝一些升降機來搬運貨物。因此，在建造多層樓的時候，一定要合理選擇電梯的位置，不僅要保證沉重的東西可以搬運，而且要保證在搬運的過程中，電梯之間的重量也要均勻。在選擇升降機的地點時，應(yīng)盡量避免與大樓的中心相背離，也就是大樓的拐角和末端。

8 結(jié)論

綜上所述，工廠廠房是企業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其科學合理的設(shè)計不僅能保證企業(yè)的安全與穩(wěn)定，還能促進職工整體生活水平的提高。目前，鋼結(jié)構(gòu)被廣泛地用于工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。然而，由于鋼結(jié)構(gòu)自身的缺陷，所以在設(shè)計時應(yīng)嚴格按照規(guī)范，強化耐火、抗震等方面的設(shè)計，以確保其安全，并保障整體的質(zhì)量，為我國工業(yè)的健康發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。