淺談鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

摘要：鋼結(jié)構(gòu)形式的廠房在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其具有自重輕、施工速度快等顯著優(yōu)勢(shì)，作為設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)從結(jié)構(gòu)布置、桿件設(shè)計(jì)等方面來(lái)綜合考慮，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理的鋼結(jié)構(gòu)廠房。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；廠房設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)布置；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

廠房結(jié)構(gòu)布置技巧

對(duì)于廠房結(jié)構(gòu)布置來(lái)說，其由橫向框架和縱向框架的柱形成一個(gè)柱網(wǎng)。從結(jié)構(gòu)布置的合理性角度考慮，對(duì)于廠房柱網(wǎng)的布置不僅要考慮上部結(jié)構(gòu)，還應(yīng)考慮下部結(jié)構(gòu)，諸如基礎(chǔ)和設(shè)備（地下管道、煙道、地坑等設(shè)施）要與柱網(wǎng)相配合。實(shí)踐表明，廠房柱網(wǎng)布置應(yīng)當(dāng)考慮工藝、結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)等方面的要求。

（1）從工藝要求方面考慮，柱的位置應(yīng)和車間的地上設(shè)備、機(jī)械及起重運(yùn)輸設(shè)備等取得協(xié)調(diào)。柱下基礎(chǔ)應(yīng)與地下設(shè)備（如設(shè)備基礎(chǔ)、地坑、地下管道、煙道等）相配合。此外，柱網(wǎng)布置還要適當(dāng)考慮生產(chǎn)過程的可能變動(dòng)。

（2）從結(jié)構(gòu)要求方面考慮，以所有列的柱間距均為相等的布置方式最為合理。這種布置方式可使得廠房橫向剛度最大，屋蓋和支撐系統(tǒng)布置最為簡(jiǎn)單合理，全部吊車梁的跨度均相同。因此，在這種情況下，廠房構(gòu)件的重復(fù)性較大，從而可使結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大限度的定型化和標(biāo)準(zhǔn)化。但這種結(jié)構(gòu)的理想狀態(tài)有時(shí)得不到滿足，例如，一個(gè)雙跨鋼結(jié)構(gòu)制造車間，其生產(chǎn)流程是零件加工一中間倉(cāng)庫(kù)一拼焊連接順著廠房縱向進(jìn)行，但橫向需要連系，在中部要有橫向通道，因此中列柱中部柱距較大，部分中列縱向框架有托架。柱距變?yōu)檫呏嗟?倍。

（3）從經(jīng)濟(jì)方面來(lái)看，柱的縱向間距的大小對(duì)結(jié)構(gòu)重量影響較大。柱距越大，柱及基礎(chǔ)所用的材料越少，但屋蓋結(jié)構(gòu)和吊車梁的重量將隨之增加。在柱子較高、吊車起重量較小的車間中，放大柱距可能會(huì)收到經(jīng)濟(jì)效果。最經(jīng)濟(jì)柱距雖然可通過理論分析，但最好還是通過具體方案比較來(lái)決定。對(duì)于一般車間，邊列柱的經(jīng)濟(jì)間距為6m。各列柱距相等同時(shí)又接近于最經(jīng)濟(jì)柱距的柱網(wǎng)布置亦最為合理。但是，在某些場(chǎng)合下，由于工藝條件的限制或?yàn)榱嗽黾訌S房的有效面積或考慮到將來(lái)工藝過程可能改變等情況，往往需要采用不相等的柱距。增大柱距時(shí)，沿廠房縱向布置的構(gòu)件，如吊車梁、托架等由于跨度增大而用鋼量增加，但柱子和柱基礎(chǔ)由于數(shù)量減少而用鋼量降低。經(jīng)濟(jì)的柱距應(yīng)使總用鋼量最少。

從目前鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，國(guó)內(nèi)外廠房的跨度和柱距都有逐漸增大的趨勢(shì)，如日本、德國(guó)新建廠房的柱距一般為12m、15m，甚至更大，而且把15m作為冷、熱軋車間的經(jīng)濟(jì)柱距。另外從構(gòu)件統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化考慮，可降低制作和安裝費(fèi)用，因而設(shè)計(jì)時(shí)，跨度應(yīng)以3m、柱距應(yīng)以6m為模數(shù)。綜上所述，一般當(dāng)廠房?jī)?nèi)吊車起重量Q≤100t、軌頂標(biāo)高H≤14m時(shí)，邊列柱采用6m、中列柱采用12m柱距；當(dāng)?shù)踯嚻鹬亓縌=150t、軌頂標(biāo)高H≤16m時(shí)，或當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差、處理較困難時(shí)，邊列柱與中列柱均宜采用12m柱距。當(dāng)生產(chǎn)工藝有特殊要求時(shí)，也可局部或全部采用更大的柱距。近來(lái)在鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中有擴(kuò)大柱網(wǎng)尺寸的趨向（待別是輕型和中型車間），以設(shè)計(jì)成能適用于多種生產(chǎn)條件的靈活車間，以適應(yīng)工藝過程的可能改變，同時(shí)可節(jié)約車間面積和降低安裝勞動(dòng)量。

屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

屋蓋結(jié)構(gòu)由于以下種種原因可能會(huì)引發(fā)一些事故，應(yīng)引起設(shè)計(jì)者的注意。（1）對(duì)于屋蓋存在過厚積灰問題，這會(huì)導(dǎo)致荷載較原設(shè)計(jì)荷載大，從而導(dǎo)致屋蓋構(gòu)件如檁條受荷增加，較易造成屋蓋的構(gòu)件強(qiáng)度不滿足。（2）屋蓋構(gòu)件存在銹蝕問題，導(dǎo)致構(gòu)件的有效截面面積減小，從而造成構(gòu)件的承載力比設(shè)計(jì)的少。如某燒結(jié)廠鋼屋蓋每年銹蝕0.2—0.3mm，屋架僅用幾年就需更換；又如某轉(zhuǎn)爐車間，由于屋架上聚集大量腐蝕性煙塵，桿件受到嚴(yán)重腐蝕，最后導(dǎo)致倒塌。（3）結(jié)構(gòu)選型的不合理，如有顯著受拉優(yōu)勢(shì)的桿件卻用于作為受壓桿件。如某廠平爐車間中列桿上天窗架斜拉桿，使用過程中由于屋架向下?lián)锨乖摋U受壓失穩(wěn)。另外是所選取的鋼材質(zhì)量不合格，碳、硫、磷含量過高，施焊時(shí)使鋼材開裂。（4）本身屋蓋設(shè)計(jì)的不合理，例如沒有合理布置屋蓋支撐，導(dǎo)致屋架失穩(wěn)破壞。自防水屋面滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重，影響使用，加上防水措施后又增加了屋蓋荷載，從而降低了屋蓋結(jié)構(gòu)的安全度等情況。若設(shè)計(jì)構(gòu)造不當(dāng)或施工質(zhì)量不好，引起偏心受力將大大降低結(jié)構(gòu)的安全度，甚至引發(fā)事故。在重級(jí)工作制車間，特別是設(shè)有夾鉗或剛性料耙車間的廠房中，當(dāng)支撐拉桿長(zhǎng)細(xì)比>350時(shí)，振動(dòng)較大，連接節(jié)點(diǎn)板有損壞現(xiàn)象。

綜上所述，對(duì)于屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)桿件選型應(yīng)合理地結(jié)合建筑造型以及鋼材的生產(chǎn)工藝要求綜合考慮材料供應(yīng)、施工能力、生產(chǎn)維修等諸因素以獲取較好的經(jīng)濟(jì)效益。通過結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于屋蓋結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)形式應(yīng)當(dāng)兼顧到屋面材料、天窗形式、以及屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工吊裝能力等因素。從實(shí)踐效果來(lái)看，對(duì)于輕型的工業(yè)廠房屋面可以考慮采用有檁屋蓋體系，而對(duì)于重型工業(yè)廠房屋蓋則可以考慮采用無(wú)檁屋蓋體系。對(duì)于屋蓋設(shè)計(jì)中如設(shè)計(jì)有天窗，則其設(shè)計(jì)形式可結(jié)合通風(fēng)和采光要求確定。從使用效果來(lái)看，對(duì)于屋蓋采用縱向天窗，其構(gòu)造簡(jiǎn)單而且相對(duì)消耗鋼材較少，應(yīng)用較為廣泛；而對(duì)于橫向天窗和井式大窗由于其構(gòu)造復(fù)雜，消耗較多鋼材，所以較少被采用；只有當(dāng)通風(fēng)要求很高，需要很大的排風(fēng)面積時(shí)，才考慮采用下沉式橫向天窗為宜。在一個(gè)溫度區(qū)段內(nèi)一般只用一種天窗形式，但特殊情況時(shí)，亦可采用多種天窗形式，甚至在一跨度內(nèi)亦可采用兼有縱向和橫向作用的混合型天窗。

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

屋架桿件重心線應(yīng)與屋架幾何軸線重合，并交于節(jié)點(diǎn)中心，以避免引起偏心彎矩。但為了制造方便，角鋼肢背到屋架軸線的距離可取5mm的倍數(shù)，如用螺栓與節(jié)點(diǎn)板連接時(shí)，可采用靠近桿件重心線的螺栓準(zhǔn)線為軸線。當(dāng)弦桿截面沿長(zhǎng)度變化時(shí)，為了減少偏心和使肢背齊平，應(yīng)使兩個(gè)角鋼重心線之間的中線與屋架的軸線重合。如軸線變動(dòng)不超過較大弦桿截面高度的5%，在計(jì)算時(shí)可不考慮由此而引起的偏心彎矩。當(dāng)不符合上述規(guī)定時(shí)，或節(jié)點(diǎn)處有較大偏心彎矩時(shí)，應(yīng)根據(jù)交匯各桿的延剛度，將此彎矩分配于各桿。節(jié)點(diǎn)板的外形應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，應(yīng)優(yōu)先采用矩形或梯形、平行四邊形，節(jié)點(diǎn)板不應(yīng)有凹角。角鋼端部的切割一般垂直于它的軸線，可切去部分肢，但絕不允許垂直肢完全切去而留下平行的斜切肢。焊接屋架節(jié)點(diǎn)中，腹桿與弦桿或腹桿與腹桿邊緣之間距離一般采用l0一20mm，用螺栓連接的節(jié)點(diǎn)則此距離可采用5—10mm。單斜桿與弦桿連接，應(yīng)使之不出現(xiàn)偏心彎矩。節(jié)點(diǎn)板應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證弦桿與腹桿的內(nèi)力能安全傳遞。節(jié)點(diǎn)板厚度不得小于6mm，但不要大于20mm。根據(jù)不同的力大小，選用各種節(jié)點(diǎn)板厚度。同一榀屋架中除支座處節(jié)點(diǎn)板比其他節(jié)點(diǎn)板厚2mm外，所有節(jié)點(diǎn)板應(yīng)采用同一厚度。節(jié)點(diǎn)板不得作為拼接弦桿用的主要傳力桿件。

在多跨等高廠房中，屋架和柱的連接可以做成部分鉸接與部分剛接。如若全做成剛接，中列柱兩側(cè)的屋架支座在屋蓋豎向荷裁作用下會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)彎距，致使屋架和柱的安裝連接很復(fù)雜，用鋼量也大。因此，為了簡(jiǎn)化構(gòu)造和節(jié)約鋼材，有時(shí)將中列柱一側(cè)的屋架和柱做成柔弱連接或稱為塑性鉸。這種構(gòu)造方案對(duì)于中、輕級(jí)工作制吊車廠房很適合，柔弱（塑性鉸）連接的具體做法是將屋架上弦和柱的連接作得弱一些，用薄板（厚度不超過10一12mm）和螺栓連接， 并將螺栓的距離加大，板長(zhǎng)減小，使薄板在支座負(fù)彎矩引起的拉力作用下，很容易出現(xiàn)塑性變形而形成塑性鉸。由于產(chǎn)生塑性鉸所需要的負(fù)彎矩不大，故可按一般鉸接計(jì)算。但當(dāng)外荷載使屋架端部出現(xiàn)正彎矩時(shí)，上弦受壓，仍能傳遞壓力，于是屋架和柱又可按剛接計(jì)算。

在多跨廠房中，當(dāng)有一部分是重型車間，而另一部分是輕型車間，通常把重型車間處理成較強(qiáng)的門式框架而把輕型車間處理成與它相連接的廠形框架。計(jì)算時(shí)兩部分分開計(jì)算，把重型車間當(dāng)作輕型車間的不動(dòng)支點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的特點(diǎn)，針對(duì)輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探討鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)布置、屋蓋設(shè)計(jì)及其節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題，為設(shè)計(jì)人員提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭英.門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)相關(guān)問題探討[J].中華民居，2012，28（04）：118～119.

[2]趙永江.輕型門式鋼架廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討[J].中國(guó)城市經(jīng)濟(jì)，2012，27（04）：31～33.

[3]閆桂森，陳旭.設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)廠房應(yīng)注意的問題[J].山西建筑，2010，31（06）：57～58.