鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計若干問題研究

齊雁

【摘要】近年來我國建筑鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)得到迅速的發(fā)展，但開始應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的時間較短，許多設(shè)計和施工技術(shù)還處于探索階段。本文就鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計的若干問題進(jìn)行探討，供廣大設(shè)計人員參考。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)； 排架； 撓度； 失穩(wěn)

1. 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的特點(diǎn)

建筑鋼材因具有較高的強(qiáng)度、較好的塑性和韌性，適合建造承載重、高度高、跨度大的廠房結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)通常不會產(chǎn)生因超載而突然斷裂的情況；鋼結(jié)構(gòu)適合在動力荷載的環(huán)境應(yīng)用，故在地震區(qū)采用鋼結(jié)構(gòu)特為有利；鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的重量輕，可減輕整體結(jié)構(gòu)重量的30%以上，由于鋼材強(qiáng)度高、自重輕，因而基礎(chǔ)負(fù)荷小，大大降低地基基礎(chǔ)的工程造價，同時也方便吊裝與運(yùn)輸；由于鋼結(jié)構(gòu)連接特性，易于改建、加固及拆遷，且鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件也可工廠化大批量制造，施工簡便，安裝快捷，極大地縮短施工周期；鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房屬于綠色環(huán)保型建筑體系，鋼材屬于高效能高強(qiáng)度的材料，再循環(huán)價值很高，且無需制模施工。

2.鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計需注意的事項

每種結(jié)構(gòu)都有其特別之處，各種功能的建筑有其自身的需求。工業(yè)廠房就是一種特定功能建筑，它需要大空間大跨度，同時配置各種相應(yīng)的設(shè)備，一般其上部采用鋼結(jié)構(gòu)等?，F(xiàn)在選取幾項鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的注意事項，談?wù)勎业目捶ā?/p>

（1）單件屋面板長度不宜過長。屋面漏水大致有兩種：①采用屋面釘板時，釘孔孔位可能出現(xiàn)滲水②屋面板橫向搭接處滲水，主要原因是面板過長，雨水漫過波峰，導(dǎo)致搭接處大面積滲水。因此要根據(jù)面板材料特性，及當(dāng)?shù)亟涤炅縼砗侠磉x取單坡長度。

（2）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗算時，如何合理選取對應(yīng)的截面（凈截面、有效凈截面、有效截面、毛截面）。①毛截面：不扣除孔洞的截面面積，不考慮孔洞對截面的削弱。驗算構(gòu)件整體穩(wěn)定性時，可采用毛截面面積進(jìn)行計算；②凈截面：扣除孔洞的截面面積，考慮孔洞對截面的削弱，主要用于強(qiáng)度驗算。比如受拉構(gòu)件的強(qiáng)度驗算應(yīng)采用凈截面面積進(jìn)行計算；③有效截面：考慮屈曲后強(qiáng)度但并不扣除孔洞的截面有效面積。一般對于寬厚比較大的冷成型鋼，采用有效面積來考慮局部的屈曲后強(qiáng)度問題；考慮到板太薄，受壓時會發(fā)生局部屈曲，從而不能全截面都用來承載。故對這種薄壁構(gòu)件認(rèn)為其中的一部分截面（有效截面）正常受力，而其他部分不考慮它的作用。④有效凈截面：考慮屈曲后強(qiáng)度并且扣除孔洞的截面有效面積。構(gòu)件受壓強(qiáng)度既要考慮孔洞對截面強(qiáng)度的削弱，也要考慮局部的屈曲后強(qiáng)度，一般采用有效凈截面計算。構(gòu)件受拉時不用考慮局部屈曲，所以仍采用凈截面。

綜上所述：對于普通鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，驗算強(qiáng)度時采用凈截面，驗算穩(wěn)定性時采用毛截面；對于薄壁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，驗算受拉強(qiáng)度時采用凈截面，驗算受壓強(qiáng)度時采用有效凈截面，驗算穩(wěn)定性時采用有效截面。

（3）受彎工字梁失穩(wěn)及解決方法：施加荷載不大時，梁基本上在其最大剛度平面內(nèi)彎曲；當(dāng)施加荷載達(dá)到一定數(shù)值后，梁將同時產(chǎn)生較大的側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，最后很快的喪失繼續(xù)承載的能力。此時梁的整體失穩(wěn)必然是側(cè)向彎扭彎曲。解決方法有三種：①增加梁的側(cè)向支撐點(diǎn)（如屋面梁設(shè)置隅撐作為側(cè)向支撐點(diǎn)）。②調(diào)整梁的截面，增加梁側(cè)向慣性矩或增加受壓翼緣寬度（如吊車梁上翼緣）。③調(diào)整梁端支座對截面的約束，支座如能提供轉(zhuǎn)動約束，梁的整體穩(wěn)定性將有較大的提高。

（4）次梁與主梁連接一般設(shè)計為鉸接：如果次梁與主梁剛接，在主梁同一截面處兩側(cè)都有相同荷載時，對主梁影響不大。如果只是單邊有剛接的次梁，對于主梁來說平面外受扭，需要計算抗扭。梁的整體失穩(wěn)主要表現(xiàn)為側(cè)向彎扭彎曲，因此應(yīng)盡量避免梁平面外受扭。另外，若次梁與主梁采用剛接節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場焊接工作量將大大增加。

（5）當(dāng)梁的撓度過大時，可以通過起拱加于控制，起拱的大小一般為恒載標(biāo)準(zhǔn)值加1/2活荷載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的撓度值。對于鋼結(jié)構(gòu)來說，撓度過大會影響屋面排水，同時使人感覺不安全；對于混凝土結(jié)構(gòu)來說，撓度過大會造成耐久性的局部破壞（包括混凝土裂縫）。以撓度為主要控制因素的鋼梁，采用起拱辦法能減低結(jié)構(gòu)的用鋼量。

另外，還有3個事項與風(fēng)荷載有關(guān)，設(shè)計時需要注意的：

①敞開式建筑：指外墻面至少有80%敞開的建筑。部分封閉式建筑：受外部正風(fēng)力的墻面上孔口總面積超過該建筑物其余外包面（墻面和屋面）上孔口面積的總和，并超過該墻面毛面積的5%，且建筑物其余外包面的開孔率不超過20%的建筑。他們對應(yīng)著不同的體形系數(shù)。

②邊緣帶：確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和面板上風(fēng)荷載體形系數(shù)時，在外墻和屋面上劃分的位于建筑物端部和邊緣的區(qū)域。凡不屬邊緣帶的均為中間區(qū)。端區(qū)：確定主剛架上風(fēng)荷載體型系數(shù)時，在外墻和屋面上劃分的位于建筑物端部和邊緣的區(qū)域。凡不屬端區(qū)的均為中間區(qū)。

（6）門式剛架的抗震設(shè)計原則：①采用底部剪力法。門架以剪切變形為主，質(zhì)量剛度分布均勻，兩個振型周期相差太大，以第一振型為主，所以采用底部剪力法計算。②7度及其以下不需要地震計算，但仍需要采取抗震措施。③門架抗震措施主要是加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)：①構(gòu)件之間盡量采用螺栓連接；②梁柱節(jié)點(diǎn)，在梁下翼加掖板；③梁柱連接點(diǎn)處寬厚比適當(dāng)減??；④柱間支撐與構(gòu)件連接處節(jié)點(diǎn)按1.2倍桿件承載力設(shè)計；⑤柱間支撐和柱連接處的柱腳錨栓要做抗拔驗算，并防止錨栓抗剪，設(shè)置抗剪鍵。附帶引出，一般柱腳都應(yīng)該設(shè)置抗剪鍵。在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中，柱腳的水平剪力可以由柱底板與混凝土的摩擦力或設(shè)置抗剪鍵承受。如果由柱底板與混凝土的摩擦力來承受，二次澆筑施工質(zhì)量需要得到保證，澆筑要密實(shí)，并采用膨脹劑混凝土或無收縮混凝土。

（7）混凝土柱加變截面鋼梁的單層工業(yè)廠房可以按排架結(jié)構(gòu)設(shè)計。此時輕鋼屋面梁可以按門式剛架規(guī)范進(jìn)行設(shè)計；對于混凝土柱按混凝土規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。對于這種結(jié)構(gòu)形式，關(guān)鍵是混凝土柱和鋼梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)計，連接方式一般應(yīng)該采用鉸接（混凝土是一種脆性材料，雖然可以通過配筋承受彎矩和剪力，但在連接部位，它的抗拉、抗沖切的性能很差，在外力作用下很容易松動和破壞。）。在鋼梁下部設(shè)置一根拉桿，能減少鋼梁對柱頂產(chǎn)生的較大水平力，從而大大降低混凝土柱腳的彎矩。

（8）吊車梁的設(shè)計：吊車在吊車梁上運(yùn)動產(chǎn)生三個方向的動力荷載：豎向荷載、橫向水平荷載和沿吊車梁縱向的水平荷載?？v向水平荷載是指吊車剎車力，其沿軌道方向由吊車梁傳給柱間支撐，計算吊車梁截面時不予考慮。橫向水平荷載應(yīng)等分于橋架的兩端，分別由軌道上的車輪平均傳至軌道，其方向與軌道垂直，并考慮正反兩個方向的剎車情況。計算重級工作制吊車梁及其制動結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及連接（吊車梁、制動結(jié)構(gòu)、柱相互間的連接）的強(qiáng)度時，應(yīng)考慮吊車擺動引起的橫向水平力。豎向荷載在吊車梁垂直方向產(chǎn)生彎矩和剪力，水平荷載在吊車梁上翼緣平面產(chǎn)生水平方向的彎矩和剪力。吊車梁一般設(shè)計成簡支梁。若按連續(xù)梁設(shè)計固然可節(jié)省材料，但連續(xù)梁對支座沉降比較敏感，因此對基礎(chǔ)要求較高。

3.小結(jié)

工業(yè)廠房采用的排架結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)形式來看，固然比較簡單，結(jié)構(gòu)間傳力明確。盡管這樣，需要注意的問題還是有很多的，以上僅僅列舉了幾點(diǎn)作為闡述。讓我們在工程實(shí)踐中繼續(xù)探索，積累更多的工程設(shè)計經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102：2002.中國計劃出版社.

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