工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)初探

【摘 要】由于鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、塑（延）性好、自重輕、施工工期短、制作方便、節(jié)能環(huán)保、構(gòu)件可重復(fù)利用、地基基礎(chǔ)費(fèi)用省等優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)越來越多的應(yīng)用于工業(yè)廠房的建設(shè)中。但是由于受傳統(tǒng)發(fā)展理念的制約，設(shè)計(jì)師在廠房設(shè)計(jì)階段會(huì)遇到不同的問題，導(dǎo)致廠房設(shè)計(jì)質(zhì)量存在諸多問題，這直接導(dǎo)致了后期施工建設(shè)不達(dá)標(biāo)，給企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此必須重視工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。本文重點(diǎn)探討了工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；柱腳設(shè)計(jì)；檁條；耐熱

一、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房

廠房一般有以下幾種結(jié)構(gòu)形式：砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)。應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)廠房具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比較，混凝土結(jié)構(gòu)具有較為復(fù)雜的建筑工藝，且不具備較強(qiáng)的防震能力，而鋼結(jié)構(gòu)因自重輕，不但能夠彌補(bǔ)這些缺陷，還可以有效降低了地基承載力。（2）在實(shí)際施工過程中具有較快的安裝速度，而鋼結(jié)構(gòu)的組成零件可以進(jìn)行大批量工業(yè)化生產(chǎn)，應(yīng)用設(shè)備實(shí)施給料、焊接和開孔等作業(yè)，并及時(shí)處理好表面結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)際建設(shè)中的拼裝施工，在一定程度上可以減少施工周期。（3）鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通常會(huì)應(yīng)用具有較高強(qiáng)度的材料，而鋼結(jié)構(gòu)廠房因投資成本不高，且拆遷便利，所以可以反復(fù)回收利用，避免了材料的浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境起到很好的保護(hù)作用。

二、工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）屋面支撐與柱間支撐的確定

支撐的作用主要是保證結(jié)構(gòu)體系成為空間體系，有足夠的空間剛度。支撐所受力主要是風(fēng)載和地震作用，溫度作用。計(jì)算支撐內(nèi)力時(shí)一般假定節(jié)點(diǎn)為鉸接，并忽略偏心的影響，并且一般的支撐都是按拉桿考慮，所以，一般適宜雙向布置。

1.屋面支撐

屋面支撐受力較小，桿件截面通?？砂慈菰S長細(xì)比來選擇。交叉斜桿和柔性細(xì)桿按拉桿設(shè)計(jì)，可采用單角鋼；非交叉斜桿、弦桿、豎桿以及剛性系桿按壓桿設(shè)計(jì)，可采用雙角鋼組成十字形或T形截面。當(dāng)屋架跨度較大、房屋較高且基本風(fēng)壓也較大時(shí)，桿件截面應(yīng)按桁架體系計(jì)算出的內(nèi)力確定。計(jì)算支撐桿件內(nèi)力時(shí)，可假定在水平荷載作用下，交叉斜桿中的壓桿退出工作，僅由拉桿受力。

2.柱間支撐

對(duì)廠房來說：分為上層支撐和下層支撐，上層支撐計(jì)算時(shí)，為避免由于支撐剛度過大而引起較大的溫度應(yīng)力，支撐腹桿常按柔性拉桿計(jì)算。交叉體系的下層支撐當(dāng)?shù)踯囎饔幂^小時(shí)一般圓鋼，較大時(shí)通常采用角鋼或槽鋼。交義斜桿常按拉桿設(shè)計(jì)，但為了提高廠房的縱向剛度，當(dāng)?shù)踯囕^大時(shí)，應(yīng)按壓桿設(shè)計(jì)。

（二）柱腳設(shè)計(jì)

輕鋼結(jié)構(gòu)柱腳形式有兩種：即鉸接柱腳和剛接柱腳。對(duì)于鉸接柱腳，基礎(chǔ)僅受軸心荷載作用，設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡單。但部分輕鋼節(jié)結(jié)構(gòu)廠房都有吊車，依據(jù)《輕鋼結(jié)構(gòu)剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：用于工業(yè)廠房且有5t以上的橋式吊車時(shí)，宜將柱腳設(shè)計(jì)成剛接；《技術(shù)措施結(jié)構(gòu)2003）規(guī)定：當(dāng)設(shè)有橋式和梁式吊車時(shí)，輕鋼結(jié)構(gòu)剛架柱宜采用等截面構(gòu)件，柱腳應(yīng)設(shè)計(jì)成剛接。因此5t以上的橋式和梁式吊車的門剛結(jié)構(gòu)柱腳應(yīng)設(shè)計(jì)成剛接；3t及以下懸掛式吊車和無吊車的門剛結(jié)構(gòu)，柱腳才可以設(shè)計(jì)成鉸接。有較大吊車的房屋，柱頂位移較大，柱腳采用剛接，使得每榀剛架形成超靜定結(jié)構(gòu)，不但能減小柱頂位移而且具有更大的安全儲(chǔ)備。對(duì)于高寬比和風(fēng)荷載較大的無吊車門剛結(jié)構(gòu)，柱腳也宜設(shè)計(jì)成剛接。

同時(shí)當(dāng)柱底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩阻力不足以抵抗全部的水平剪力時(shí)柱腳還應(yīng)設(shè)置抗剪鍵，抗剪鍵的設(shè)置需要計(jì)算。在基礎(chǔ)施工時(shí)應(yīng)留置鍵槽，鍵槽每側(cè)寬出抗剪鍵不小于30mm，底部空隙高度不小于20mm。在柱腳底板和基礎(chǔ)頂面之間留有一定空間，柱腳鉸接時(shí)不宜大于50mm，柱腳剛接時(shí)不宜大于100mm。

（三）圍護(hù)結(jié)構(gòu)中檁條的設(shè)計(jì)

檁條通常是風(fēng)荷載工況起控制作用，設(shè)計(jì)時(shí)常忽略驗(yàn)算風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定，導(dǎo)致大風(fēng)時(shí)很容易失穩(wěn)破壞。為了保證風(fēng)吸力作用下的整體穩(wěn)定，通常在檁條之間設(shè)置拉條。計(jì)算中已考慮拉條的作用而施工圖中忽略了布置拉條或拉條布置不當(dāng)都將導(dǎo)致檁條失穩(wěn)破壞。正確的拉條布置位置是根據(jù)計(jì)算結(jié)果在檁條上下翼緣附近，在上下穩(wěn)定均需要拉條約束時(shí)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中有些設(shè)計(jì)者對(duì)屋面或墻架最上端檁條的側(cè)向支撐，如拉條、斜拉條、撐桿能正確設(shè)置，但對(duì)中間墻面或屋面，如門窗洞口、屋面風(fēng)機(jī)開孔處、屋面天窗（采光窗）等處，經(jīng)常只設(shè)拉條，而漏設(shè)斜拉條和撐桿等，根本無法將拉條上的拉力傳至承重結(jié)構(gòu)上。其根本原因是對(duì)拉條、斜拉條、撐桿的傳力作用及途徑不清楚，同時(shí)也是對(duì)規(guī)范條文只知其然，不知其所以然，從而給圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來安全隱患。

（四）提高耐熱性能的設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)使用鋼材為建設(shè)原料，鋼材屬于金屬類別，因而具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能。在鋼結(jié)構(gòu)廠房中，這種導(dǎo)熱性能卻具有危害性，耐熱性能不高使得整個(gè)廠房的防火功效令人擔(dān)憂。據(jù)科學(xué)研究表明，以250度溫度為界：在250度以下，隨著溫度的提高，鋼材的抗拉強(qiáng)度會(huì)減小，而塑性有所提高；在250度以上，隨著溫度的提高，剛才的抗拉強(qiáng)度會(huì)增大，而塑性有所降低，同時(shí)鋼材的強(qiáng)度變??；當(dāng)溫度達(dá)到500度時(shí)，鋼材的強(qiáng)度就會(huì)降到最低。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用到廠房建設(shè)中時(shí)，溫度過高就會(huì)給廠房帶來倒塌的危險(xiǎn)，為此需要在提高廠房耐熱性能方面做出改善。提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能可以從材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)3個(gè)層次考慮，另外有效的防火保護(hù)措施也是提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的一個(gè)重要途徑。

1.提高鋼材耐火性能

鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能取決于鋼材，因此提高鋼材的耐火性能是提高鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的根本之道。應(yīng)用建筑耐火、耐候鋼：通過在鋼材中添加耐高溫的合金元素Mo、Cr、Nb等，使得鋼材在600℃時(shí)的屈服強(qiáng)度不小于常溫屈服強(qiáng)度的2/3，且其他性能與相應(yīng)規(guī)格的普通結(jié)構(gòu)鋼基本一致。此外由于它的耐火性能好，可以在施工時(shí)適當(dāng)減小保護(hù)層的厚度，甚至可以不涂防銹漆，這樣可以節(jié)省一定成本。防火涂料是施工時(shí)涂抹在鋼架表面，形成一層耐火隔熱的保護(hù)膜，提高鋼架耐火性能的材料，其類型可分：薄型、超薄型和厚型等幾種涂料。厚型涂料是顆粒狀材料，在高溫情況下靠涂料自身的厚度和較低的導(dǎo)熱性能對(duì)鋼架構(gòu)件起到隔熱的作用。超薄型和薄型涂料自身厚度較薄，在高溫情況下涂層會(huì)膨脹增厚來保護(hù)鋼架，避免其過熱。這兩種類型適和隱蔽結(jié)構(gòu)、裸露的鋼梁和斜撐等鋼架構(gòu)件使用。

2.采用防火能力強(qiáng)的構(gòu)件

采用鋼混組合構(gòu)件，如鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱等可以有效提高耐火極限，且鋼管直徑越大，耐火時(shí)間越長。還可以利用非燃燒體的圍護(hù)或分離構(gòu)件，如非燃?jí)w為鋼構(gòu)件提供防火保護(hù)，而不需另做防火保護(hù)層。對(duì)于裸露在外的鋼構(gòu)件，則應(yīng)采取合理的防火保護(hù)構(gòu)造。

3.采用有利于防火的結(jié)構(gòu)形式

采用鋼混組合結(jié)構(gòu)，如鋼板混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)，或者在關(guān)鍵部位比如樓板和樓梯這種對(duì)防火要求較高的部位采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)構(gòu)造作法應(yīng)合理、堅(jiān)固、經(jīng)濟(jì)、易于施工并利于裝修。

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