廠房大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要點(diǎn)探析

郝越

摘 要：廠房的現(xiàn)代大跨度鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、工期短等特點(diǎn)，在進(jìn)行大跨度鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)的過程中要充分的考慮到鋼結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)力、地震的承載力，并且要注意鋼結(jié)構(gòu)屋面以及柱間支撐的設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)的設(shè)計(jì)，最后針對(duì)廠房這一生產(chǎn)重地還要做到火災(zāi)預(yù)防設(shè)計(jì)。本文就廠房現(xiàn)代大跨度鋼結(jié)構(gòu)在相應(yīng)設(shè)計(jì)階段所要注意的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：廠房；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

現(xiàn)代工廠無論是生產(chǎn)力還是生產(chǎn)規(guī)模都和以前相比發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，所以現(xiàn)代工廠對(duì)于廠房的空間容量、建設(shè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等等各個(gè)方面都有著更高的要求，在這一要求下，傳統(tǒng)的施工工藝以及建設(shè)材料已經(jīng)無法滿足工廠的建設(shè)需要，面對(duì)這種情況，大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)需而生，大跨度鋼結(jié)構(gòu)以其牢固的性能，在保證工廠廠房空間容量的同時(shí)，也能夠保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固，從而得到了大范圍的推廣，并且推廣的過程中不斷的完善鋼結(jié)構(gòu)的不足之處，逐漸總結(jié)出了設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵要點(diǎn)。

1.工廠廠房的鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)

廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中屋面支撐以及柱間支撐的設(shè)定

廠房的支撐作用在廠房設(shè)計(jì)中是需要首先考慮的要素，支撐作用保證廠房在使用大跨度鋼結(jié)構(gòu)之后能夠具有足夠的剛性強(qiáng)度，能夠保證其結(jié)構(gòu)空間性能的穩(wěn)定。在考慮廠房的支撐作用中，主要考慮的外力因素是風(fēng)力以及地震。在計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)支撐力的時(shí)候，一般情況下可以設(shè)定鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)為鉸接的結(jié)構(gòu)，并且可以忽視偏心對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響。

1.1屋面支撐的設(shè)計(jì)

屋面支撐受力較小，桿件截面通?？砂慈菰S長(zhǎng)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。

1.2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)。

2.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。

3.提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)耐熱性方面的設(shè)計(jì)

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中主要的建設(shè)材料是鋼材，而鋼材作為金屬建材的一種，有著較強(qiáng)熱傳導(dǎo)作用。但是工廠廠房作為生產(chǎn)的主要場(chǎng)所不僅要安放生產(chǎn)設(shè)備，有時(shí)還要堆放大量的生產(chǎn)材料，所以鋼材的導(dǎo)熱性也就是極其危險(xiǎn)的，如果不能提升鋼結(jié)構(gòu)的耐熱性，一旦發(fā)生火災(zāi)就會(huì)產(chǎn)生不可估量的后果。另一方面，也會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，大量實(shí)驗(yàn)研究分析表明，250攝氏度對(duì)于鋼材的各方面性質(zhì)來說是一個(gè)分水嶺。鋼材溫度在250攝氏度一下的時(shí)候，隨著溫度逐漸上升，鋼材本身抗拉強(qiáng)度會(huì)呈下降趨勢(shì)，而鋼材本身的可塑性會(huì)緩慢上升；當(dāng)鋼材溫度達(dá)到250攝氏度以上的時(shí)候，鋼材自身的抗拉強(qiáng)度會(huì)呈上升趨勢(shì)，在這時(shí)候鋼材的強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的上升逐漸變小。并且在溫度不斷升高的過程中，在溫度達(dá)到500攝氏度的時(shí)候，鋼材自身的強(qiáng)度會(huì)降低到最低的狀態(tài)。由此可見溫度對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性有著一定影響，并且高溫一直以來都是安全生產(chǎn)的頭等大患，所以在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的相應(yīng)設(shè)計(jì)階段要從建設(shè)材料、建設(shè)構(gòu)件、建設(shè)結(jié)構(gòu)三個(gè)方面進(jìn)行充分的考慮。此外，還可通過設(shè)置一些有效的防火安全措施來達(dá)到預(yù)防火災(zāi)的目的。

3.1提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)中鋼材相應(yīng)的耐火性

鋼材是大跨度鋼結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成材料，所以為了提高鋼材的耐火性能是促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)耐火性能提升的根本途徑，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。

3.2.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(zhǎng)。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。

3.3.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。

4.防震縫設(shè)置

對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)來說，設(shè)置防震縫往往是有效的。震縫寬度，規(guī)范規(guī)定不宜小于150mm。這主要是根據(jù)下部支承結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)或框架-抗震墻結(jié)構(gòu)時(shí)的最小縫寬綜合確定。規(guī)范所規(guī)定的最小防震縫寬度可能不足。建議最好按設(shè)防烈度下兩側(cè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)在交界線上的相對(duì)位移最大值來復(fù)核。

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者建議大跨屋蓋結(jié)構(gòu)防震縫的縫寬可按設(shè)防烈度下兩側(cè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)在交界線上的相對(duì)位移最大值來確定。對(duì)于規(guī)則結(jié)構(gòu)，縫寬也可將多遇地震下的最大相對(duì)變形值乘以不小于3的放大系數(shù)近似估計(jì)。

5.結(jié)束語

大跨度鋼結(jié)構(gòu)在未來的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)成為廠房的主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性、耐火性也就直接影響了廠房的安全性。在大跨度的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工過程中，不僅應(yīng)該充分考慮鋼結(jié)構(gòu)自身的承載能力和使用特點(diǎn)，還應(yīng)該根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的不同進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)分析，才能實(shí)現(xiàn)大跨度的鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

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