廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

蔣滔滔

(宜興市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 宜興 214200)

隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，廠房規(guī)模和數(shù)量也呈逐年上升趨勢(shì)，各行各業(yè)的廠房均向著大柱距、大跨度的方向發(fā)展。早期的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土為主，但其施工周期較長(zhǎng)，所需建筑材料也較多，因而被大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)所淘汰［1］。隨著新型建筑材料的推廣使用，鋼結(jié)構(gòu)因其強(qiáng)度高、自重小、施工周期短、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)開始取代鋼筋混凝土成為主流廠房結(jié)構(gòu)。通過近幾年的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工實(shí)踐，在設(shè)計(jì)過程中往往存在一些重點(diǎn)難點(diǎn)問題，包括結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)計(jì)算等內(nèi)容，這些問題深刻影響著廠房鋼結(jié)構(gòu)的施工安全和質(zhì)量。

一、廠房鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)分為重鋼和輕鋼兩類，關(guān)于重鋼和輕鋼的界定尚沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般將廠房起吊重量在25t以上的認(rèn)定為重鋼結(jié)構(gòu)。重鋼主要應(yīng)用于石化廠房、電廠廠房等跨度較大的廠房結(jié)構(gòu)中，輕鋼則主要應(yīng)用于小型廠房、站棚等跨度較小的結(jié)構(gòu)中。

(一)自重輕施工簡(jiǎn)便

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)與其他建筑材料的跨度、荷載相同時(shí)，其屋架的重量?jī)H為鋼筋混凝土屋架的三分之一，因此，運(yùn)輸、吊裝、施工起來更加便捷，可大幅度的降低運(yùn)輸和施工成本。鋼結(jié)構(gòu)可滿足廠房的較大跨度需求，最大跨度直徑可達(dá)48m。鋼結(jié)構(gòu)組成材料的成品性較大，施工中可由專業(yè)化的金屬構(gòu)件直接拼裝而成，節(jié)約了人力、物力，大大縮短了施工周期。

(二)鋼結(jié)構(gòu)可回收利用更加節(jié)能環(huán)保

由于鋼結(jié)構(gòu)金屬網(wǎng)架下面閑置空間較大，可布設(shè)消防管道、給水管道、通風(fēng)管道、壓縮空氣管道等多種管道，因此，應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的廠房，可充分利用其上部閑置空間，節(jié)省多余的管道安裝費(fèi)用，有效節(jié)約建筑成本。鋼結(jié)構(gòu)是一種利用率較高的建筑材料，可實(shí)現(xiàn)多次回收利用，且安裝過程中不會(huì)產(chǎn)生粉塵和噪聲污染，拆卸也比較容易，拆除的金屬構(gòu)件可直接回收，因此，具有較高的循環(huán)利用價(jià)值［2］。

二、廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作

(一)鋼結(jié)構(gòu)選擇

考慮是否可以采用鋼結(jié)構(gòu)作為廠房主結(jié)構(gòu)之前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)首先按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，判斷該廠房是否適合鋼結(jié)構(gòu)施工，以及采用鋼結(jié)構(gòu)是否存在安全隱患等，只有其適用性和安全性確定無誤后才可考慮鋼結(jié)構(gòu)廠房。

(二)鋼結(jié)構(gòu)評(píng)估

設(shè)計(jì)師需要根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的力學(xué)模型，分析鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力情況，預(yù)估廠房梁柱支撐斷面參數(shù)，最后確定采用軋鋼、H型鋼、槽鋼中的一種或多種。

(三)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合分析

確定設(shè)計(jì)方案后，應(yīng)當(dāng)評(píng)估廠房鋼結(jié)構(gòu)是否符合施工標(biāo)準(zhǔn)，并反復(fù)比對(duì)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，判斷施工周期是否符合施工要求，分析鋼結(jié)構(gòu)總剪力、結(jié)構(gòu)受力變形情況。

三、廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(一)防火設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)廠房的防火能力要弱于鋼筋混凝土廠房，鋼結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度會(huì)隨溫度升高而逐漸降低，甚至出現(xiàn)塑性增大的情況，當(dāng)環(huán)境溫度升高到250℃以上時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生徐變現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)，鋼材強(qiáng)度會(huì)降到最低值，導(dǎo)致整個(gè)廠房坍塌。因此，在進(jìn)行廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，有必要嚴(yán)格按照防火規(guī)范，確定廠房發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)等級(jí)，選擇耐火極限符合要求標(biāo)準(zhǔn)的建筑鋼材。廠房鋼結(jié)構(gòu)實(shí)踐中，應(yīng)用最廣泛也是最有效的一種防火方式就是在鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹一層防火涂料，以此提高鋼材的耐火極限，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，防火涂料可以起到隔熱作用。

(二)協(xié)調(diào)好鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與廠房工藝設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)廠房是企業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要區(qū)域，如果鋼結(jié)構(gòu)廠房與整個(gè)生產(chǎn)模塊的工藝設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)，就會(huì)影響正常的生產(chǎn)作業(yè)。鋼結(jié)構(gòu)廠房與工藝設(shè)計(jì)的不協(xié)調(diào)主要表現(xiàn)在:鋼結(jié)構(gòu)廠房墻體厚度和高度不符合工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)、鋼支架分布情況不合理等［3］。鋼結(jié)構(gòu)的鋼支架分布形式一般有網(wǎng)架、平面桁架、空間桁架、塔桅、索膜、框架等幾種，設(shè)計(jì)人員需要按照企業(yè)的實(shí)際建廠條件和建筑要求，選擇合理的鋼支架形式。除了鋼支架形式外，鋼材也是影響其建筑性能的重要因素。不同的鋼材其結(jié)構(gòu)性能不同，例如，無縫鋼管中含有中空截面，可作為液體輸送管道，圓鋼為實(shí)心鋼材，可起到穩(wěn)定鋼結(jié)構(gòu)的作用。因此，在具體選擇何種鋼材時(shí)，需要考慮其與廠房的工藝設(shè)計(jì)要求是否相符。

(三)重視鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算過程

鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算一般采用的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的計(jì)算程序，計(jì)算結(jié)果評(píng)估是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，對(duì)不同軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最終選擇最合適的截面有利于成本的節(jié)省。荷載取值時(shí)，對(duì)于降雪量較大的地區(qū)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)本地區(qū)的實(shí)際降雪情況，考慮適當(dāng)增加鋼結(jié)構(gòu)荷載，檢驗(yàn)荷載最大值是否可以承受最大量的降雪。構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分重視凈截面、長(zhǎng)細(xì)比這些概念的重要性。連接設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)施工條件等選擇合適的連接方式，若采用承壓型連接，則考慮到承壓力和剪切力兩方面的要求，螺栓不得安裝在剪切面上，此時(shí)須討論其連接位置是否合理，是否施工方便。

結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著，但在廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)規(guī)范，綜合考量其耐久性、安全性、防火性、適用性等是否滿足施工要求。此外，應(yīng)當(dāng)在綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境和施工圖設(shè)計(jì)的前提下確定設(shè)計(jì)方案，反復(fù)計(jì)算荷載值，并采用最佳的鋼結(jié)構(gòu)形式和鋼材，避免影響廠房鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

［1］李勇.基于冶金化工單層工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)防腐的探討［J］.中華民居 (下旬刊)，2013，01:94－95.

［2］武雅卿，李寧瑞.試論工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題及改進(jìn)要點(diǎn)［J］.中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013，06:14.

［3］張留.廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題分析及對(duì)策探討［J］.中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013，24:47.