鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計中常見問題分析

王學文

（昆明冶金研究院，云南 昆明 650031）

鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)在我國建筑領(lǐng)域中成為主要的構(gòu)造之一，在工業(yè)廠房、倉庫等建筑中，大量采用了鋼結(jié)構(gòu)排架、鋼框架、門式鋼架等結(jié)構(gòu)，但是鋼結(jié)構(gòu)本身的缺點也是比較明顯，防腐蝕和防火性能比較差，這也會在一定程度上影響鋼結(jié)構(gòu)的應用，下面主要結(jié)合當前鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計中的常見問題予以分析。

1 鋼結(jié)構(gòu)的防火問題

分析鋼材的物理特性可以看出，鋼材具有優(yōu)異的導熱性能，導熱系數(shù)為50W/m·℃，當鋼結(jié)構(gòu)的溫度達到100℃之后，鋼結(jié)構(gòu)的抗拉性能就會明顯降低，其彈塑性增加非?？欤划斾摻Y(jié)構(gòu)的溫度超過250℃之后，雖然鋼結(jié)構(gòu)的抗拉伸強度有所增強，但是其彈塑性降低非?？?，這時候的鋼結(jié)構(gòu)也就會出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象；如果鋼結(jié)構(gòu)的溫度超過500℃之后，鋼結(jié)構(gòu)的強度降低非?？?，這時候的鋼結(jié)構(gòu)很容易坍塌。因此，對于鋼結(jié)構(gòu)的廠房設(shè)計過程中必須考慮防火措施，當鋼結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度超過150℃之后，鋼結(jié)構(gòu)必須做隔熱防火處理，當前通常做法是在鋼結(jié)構(gòu)的外側(cè)增加耐火磚、硬質(zhì)防火板材或者使用混凝土結(jié)構(gòu)，對于一些特殊用途的鋼結(jié)構(gòu)可以采用涂刷厚型防火材料，其涂刷的厚度必須以《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)要求來計算，如果涂刷的厚底較薄，便會影響防火性能；如果涂刷的厚度較厚，雖然能夠提升結(jié)構(gòu)的防火性能，但是會浪費大量的材料，增加工程成本的支出，從經(jīng)濟學的角度來看不適合，故需要與相關(guān)專業(yè)協(xié)調(diào)，在重點位置涂刷。

2 支撐系統(tǒng)的設(shè)計

對于鋼結(jié)構(gòu)的廠房來說，通常為了確保廠房整體剛度，控制廠房位移，以及明確地傳遞縱向水平力，同時還要考慮到廠房中設(shè)備運行對鋼結(jié)構(gòu)的影響，必須結(jié)合廠房高度、跨度、溫度區(qū)段的長度等具體情況來設(shè)置支撐系統(tǒng)。鋼結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)目前主要有屋蓋支撐和柱間支撐。

2.1 柱間支撐系統(tǒng)

廠房設(shè)計過程中必須要在每一溫度區(qū)段內(nèi)設(shè)置柱間支撐系統(tǒng)，同時也要充分考慮到屋蓋橫向水平支撐的協(xié)同工作問題。由于下柱支撐的位置是決定鋼結(jié)構(gòu)縱向變形的主要因素，同時還會影響到溫度應力的大小，因而當廠房長度較長時不宜將柱間支撐設(shè)置在縱向端頭跨內(nèi)，否則吊車梁等縱向機構(gòu)不能夠隨著環(huán)境溫度變化向溫度區(qū)段的兩端伸縮。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，當7度廠房單元長度大于120m（采用輕型圍護材料時為150m）、8度和9度廠房單元大于90m（采用輕型圍護材料時為120m）時，應在廠房單元1/3區(qū)段內(nèi)各布置一道下柱支撐。為了提升廠房結(jié)構(gòu)上部的縱向剛度，以及傳遞縱向地震作用和山墻的風力，還應該在溫度區(qū)段的兩端柱間設(shè)計上柱支撐。

2.2 屋蓋支撐系統(tǒng)

屋蓋支撐系統(tǒng)通常是由垂直支撐、縱向支撐、橫向支撐以及系桿組成。屋蓋支撐系統(tǒng)的設(shè)計應該結(jié)合廠房的高度、柱網(wǎng)布置、廠房跨度、屋蓋結(jié)構(gòu)形式以及廠房內(nèi)設(shè)備的振動情況進行綜合考慮。此外，屋面支撐系統(tǒng)的布置，還應根據(jù)柱間支撐的位置總體考慮，使屋面支撐與柱間支撐形成簡潔的傳力路徑，并形成有效的提高廠房剛度的措施。如果廠房內(nèi)有大型振動設(shè)備的廠房，其屋蓋還應該設(shè)置縱向水平支撐。

3 防腐蝕問題

鋼結(jié)構(gòu)雖然具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不具備的彈塑性和抗拉伸強度，但是鋼結(jié)構(gòu)必須考慮腐蝕問題。我們知道鋼材如果不做任何防腐處理，長時間暴露在環(huán)境中就會很快腐蝕，從而影響鋼結(jié)構(gòu)的使用性能。對于廠房的鋼結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)常處于潮濕的環(huán)境中或者廠房內(nèi)還有腐蝕性的介質(zhì)附著在結(jié)構(gòu)表面，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕速度便會加快，因而必須重視鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題。

對于廠房的鋼結(jié)構(gòu)必須要充分考慮廠房的環(huán)境條件和鋼材的本質(zhì)特性來采取相應的處理和防護措施。對于鋼結(jié)構(gòu)防腐處理通常是在鋼材表面涂刷防腐漆，涂刷的厚度和層數(shù)是由鋼材的使用環(huán)境以及涂層的性質(zhì)決定的，對于生產(chǎn)中存在強腐蝕性液體、氣體等廠房，比如電解車間等，應采用相應的材料（如玻璃鋼）對廠房構(gòu)件進行包裹，并采取加強通風等措施，減小腐蝕性氣體的濃度。對于生產(chǎn)環(huán)境較惡劣的車間，鋼結(jié)構(gòu)柱腳在地面以下以及地面以上150mm高度范圍內(nèi)，應該采用強度等級不小于C20的混凝土包裹，并且厚度不小于50mm，在有侵蝕介質(zhì)的廠房內(nèi)，型鋼的厚度不得小于8mm。

4 抗震設(shè)計問題

“5.12”汶川大地震、雅安地震給我們帶來了慘痛的教訓和很大的經(jīng)濟損失，雖然地震發(fā)生的幾率比較小，但是還要考慮到鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)由于具有極強的抗拉伸性能和彈塑性，具有良好的抗震性能，如果鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中存在不合理的問題，當廠房遭遇到大地震時，也會造成嚴重的破壞，因此鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計過程中應嚴格遵守建筑物抗震設(shè)計規(guī)范，對于工藝配置較特殊的車間，應采取必要的構(gòu)造措施，來確保鋼結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生之后的安全性和可靠性。

首先對于鋼結(jié)構(gòu)的總體布置方面必須嚴格要求鋼結(jié)構(gòu)的剛度要均勻分布，確保鋼結(jié)構(gòu)的受力均勻以及變形統(tǒng)一協(xié)調(diào)，這樣能夠避免在地震作用下，因為鋼結(jié)構(gòu)剛度不均勻和變形不協(xié)調(diào)對廠房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；其次是地震作用下，鋼結(jié)構(gòu)破壞基本上都是由于桿件強度不足及失穩(wěn)造成，因而必須確保鋼結(jié)構(gòu)的整體及局部穩(wěn)定性；最后要重視鋼結(jié)構(gòu)連接點的設(shè)計和施工技術(shù)標準，必須確保節(jié)點破壞不先于結(jié)構(gòu)件，使得整個構(gòu)件能夠進入塑性工作狀態(tài)，發(fā)揮極限能力。

5 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代廠房建筑物、構(gòu)筑物中由于結(jié)構(gòu)輕巧、施工時間比較短以及抗震性能優(yōu)異等特點，使得鋼結(jié)構(gòu)在大跨度廠房、高聳構(gòu)筑物中得到廣泛的應用，只有在設(shè)計過程中充分考慮到鋼結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的各種問題，才能夠從根本上確保鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全及使用要求。