鋼結構工業(yè)廠房設計的現(xiàn)狀及改造措施

史慧

（三門峽職業(yè)技術學院建筑工程學院，河南 三門峽 472000）

1 鋼結構的特性

1.1 鋼結構的優(yōu)點

首先，鋼結構材料強度高、質量輕。衡量質量輕重可以通過鋼材的密度與強度的比值來確定。如鋼材（1.7～3.7）×10-4m，鋼筋混凝土18×10-4m，對比得出鋼結構的質量輕。在荷載和約束條件都相同的情況下，鋼結構的自重比鋼筋混凝土自重小很多。比較跨度和荷載都相同的鋼屋架與鋼筋混凝土屋架，前者比后者輕2/3～3/4左右，若采用更輕的薄壁型鋼，則更輕，比后者輕9/10。結構自重輕不僅可以降低運輸費，還可以降低吊裝費。其次，鋼結構工業(yè)化生產程度高，施工工期比較短。鋼構件只需要在加工廠大規(guī)模大批量生產，可以機械化制造。鋼結構采用工廠加工、工地安裝的施工方法。這樣不僅縮短了工期，同時也可以降低工程造價，從而可提高經(jīng)濟效益。再次，鋼結構的抗震性能比較好。在地震中，損壞最輕是鋼結構建筑。這是由于鋼結構自重比較輕和結構體系相對比較柔。當?shù)卣鸢l(fā)生時，混凝土建筑容易開裂而粉碎性倒塌。鋼結構建筑則不同，由于其的延展性能可減弱地震對建筑物的破壞力。鋼梁和鋼柱組成的柔性框架足以抵抗8度以上的地震作用，因此廣泛應用于在抗震設防地區(qū)特別是強震區(qū)。然后，鋼結構耐熱性較好。鋼材從常溫到250℃，性能基本不變化，耐熱性較好。最后，鋼結構符合綠色建筑的可持續(xù)發(fā)展的要求。鋼結構能合理利用資源和能源，對環(huán)境的污染較小，是綠色環(huán)保建筑。由于攪拌澆筑混凝土的手工濕作業(yè)，施工現(xiàn)場會產生大量的粉塵和噪聲。鋼結構不需要使用砂石、水泥等散料，可以避免揚塵、廢棄物堆積和噪聲污染等問題，也能有效地降低建筑垃圾。鋼結構的材料基本上是鋼材，可以全部回收，符合國家可持續(xù)發(fā)展的要求。在相同規(guī)模的建筑，鋼結構施工中產生有害氣體的排放量，卻只有混凝土結構的65%左右。其施工過程能耗較低，隔熱性能優(yōu)越，在降低住宅碳排量方面具有明顯的優(yōu)勢。

1.2 鋼結構工業(yè)廠房的特點

①鋼結構廠房自重輕，鋼結構自重僅是磚混結構的1/5。鋼結構廠房跨度大，空間大。在合理的結構規(guī)劃下，縱向柱狀鋼結構間距可以達到20m。

②鋼結構廠房的抗震性好、抗沖擊性好。鋼結構廠房整體剛性好、變形能力強。鋼結構已被公認為是抗震設防地區(qū)特別是強震區(qū)的最合適的結構。

③鋼結構廠房防火性高，防腐蝕性高，密封性高。比如說，鋼結構廠房可用于冷庫、化工廠等。

④鋼結構廠房拆遷方便，可100%回收利用，對環(huán)境的破壞相對較少，是綠色環(huán)保型建筑。

⑤鋼結構廠房制造的工業(yè)化程度較高，可以快速標準流水線安裝。所有鋼結構構件均在工廠制作完成，現(xiàn)場只需簡單拼裝可以大大縮短施工周期，一座5000平方米的鋼結構工業(yè)廠房，只需40天即可基本安裝完成。

⑥鋼結構占用面積小，使用面積大，鋼結構柱截面面積較混凝土結構柱的截面面積減少1/2左右，有效增加了建筑的使用面積。

⑦鋼結構廠房在使用過程當中易于改造，如加固，接高，隔斷等內部分割，調整比較容易，靈活方便。

2 鋼結構工業(yè)廠房設計中常見的問題

2.1 設計理念

我國目前使用的鋼結構工業(yè)廠房的設計一般分為兩級完成。首先，根據(jù)工業(yè)廠房的使用要求，由專業(yè)的設計單位對其進行結構設計。待結構設計確定，并符合相關規(guī)范及使用要求之后，再交由專業(yè)詳圖設計單位進行二次詳圖設計。這個過程盡管不復雜，但卻存在著許多問題。最突出的問題就是鋼結構工業(yè)廠房結構設計圖不能按照規(guī)范完成，圖紙中常出現(xiàn)不明的標注，比如焊縫表示方法不符合規(guī)范要求，這使得詳圖設計無法完成。另外，由于鋼結構施工單位的施工水平不一樣，同樣的圖紙對節(jié)點連接認識不同，就會導致所建造的鋼結構工業(yè)廠房的質量不一樣，有可能出現(xiàn)豆腐渣工程。因此我們必須嚴格按照鋼結構規(guī)范完成結構設計，避免由于工程質量不合格而造成經(jīng)濟損失和人員傷亡。

2.2 成本造價

無論對于何種建筑來說，都應該考慮其成本問題，因此對于鋼結構設計成本控制也是非常重要的，但目前的鋼結構設計對于成本的重視度不高，導致設計過程中出現(xiàn)返工現(xiàn)象。在鋼結構工業(yè)廠房設計過程中，有些設計人員只考慮用鋼量的大小，沒考慮實際鋼構件的加工制造、運輸及實際施工難易程度所引起的造價差距。因此，設計人員對成本造價控制考慮的方面比較少，這有待進一步改進。

3 鋼結構工業(yè)廠房設計改進措施

3.1 荷載設計

鋼結構工業(yè)廠房設計的重要前提是荷載設計。在鋼結構廠房設計中必須要保證荷載取值的準確性，其取值影響著鋼結構工業(yè)廠房可靠程度。荷載設計時，還要考慮到本鋼結構工業(yè)廠房的實際使用情況。比如有吊車梁的工業(yè)廠房，荷載設計時就要考慮動荷載的影響。同時，荷載設計的取值還與廠房周圍氣候有關，設計時要考慮環(huán)境氣候的影響。

3.2 柱的設計

鋼柱截面包括型鋼截面和組合截面。這兩種截面在鋼結構廠房中的設計需要根據(jù)實際情況來進行選擇，并需要同時滿足廠房的建設、工業(yè)的生產和經(jīng)濟利益三個方面的需求[1]。型鋼截面受到型鋼種類和型號限制，與受力所需的面積相對應的很少，用料較多，但其加工省時省工，施工成本相對較低。組合截面的截面形狀和尺寸根據(jù)構件受力性質和受力大小設計成合適的截面，鋼材利用充分，節(jié)約鋼材，但增加了加工成本，費時費工，施工成本相對較高。所以在鋼柱設計時，要綜合考慮各方面因素。

3.3 節(jié)點設計

鋼結構設計時要考慮節(jié)點因素，如果鋼結構節(jié)點設計不準確，就會造成設計出的節(jié)點與現(xiàn)實不符，使得鋼結構構件在現(xiàn)場無法拼裝。節(jié)點的連接方式對整個建筑的安全性有著不可忽視的影響，所以一定要根據(jù)結構傳力特點的不同選擇合適的連接方式，一般可以選擇剛接、半剛接和鉸接三種連接方式其中的一種[2]。

鋼結構節(jié)點設計時，要考慮鋼結構連接是采用焊縫連接還是采用螺栓連接。焊縫連接由于不需要附加連接板等零部件，在鋼材上無需開孔，破壞原結構性能，其構造簡單，制造方便，生產效率高，密封性能好。但焊接過程中，鋼材受到不均勻高溫和冷卻作用，導致鋼結構產生焊接殘余應力和焊接殘余變形，這樣會影響到鋼結構的承載力、剛度和使用性能，很容易發(fā)生低溫冷脆現(xiàn)象，焊縫處也可能出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。螺栓連接安裝方便，便于拆卸，但要在鋼件上打螺栓孔，拼裝時還需要螺栓孔對準，不僅增加了工作量，螺栓孔還會使構件截面削弱，同時相互螺栓連接的板件還需要互相搭接或者是另外加拼接板連接，比較費鋼材。實際鋼結構節(jié)點設計都需要考慮，用哪種連接形式比較經(jīng)濟。

對于焊接節(jié)點，焊縫的尺寸和形式要符合鋼結構規(guī)范的有關規(guī)定。如焊條的選用應低于被連接金屬材料強度，E43對應于Q235，E50對應于Q345。對于螺栓連接，要根據(jù)普通螺栓和高強螺栓的受力特點，選擇用于合適的部位。如梁柱節(jié)點處要用高強螺栓連接，檁條和梁柱的連接處用普通螺栓。

此外，節(jié)點的設計還需要考慮到制造廠的工藝水平、施工場地、現(xiàn)場的環(huán)境和吊裝順序等，盡可能方便施工人員現(xiàn)場安裝。

3.4 防火設計

鋼材在溫度達到300℃以后，強度逐漸下降，在450～650℃時，強度幾乎喪失，結構失去了承載能力。因此，鋼結構的耐火性很差。鋼結構廠房的防火設計非常重要。鋼結構進行防火的目的是將鋼結構的耐火極限提高到規(guī)范規(guī)定極限范圍，防止鋼結構在火災中迅速升溫發(fā)生結構失效[3]。是根據(jù)火災的危險程度進行防火設計，首先要明確確火災的危險程度，并確定其對應的防火等級，根據(jù)防火規(guī)范的要求進行防火設計。

目前，鋼結構防火保護主要采用截流法和疏導法這兩種方法。截流法的工作原理是指在構件表面設置一層保護材料，火災產生的高溫會先傳給這層保護材料，再通過保護材料傳給構件。截流法又可分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法這四種方法。鋼結構工業(yè)廠房常采用噴涂法。噴涂法是在鋼構件表面噴涂一層含隔熱材料和化學助劑的防火涂料，以提高鋼構件的耐火等級。這種施工可以不受到鋼構件幾何形體限制，施工操作比較方便。

防火設計還可以進行安全出口和緊急疏散通道的設計，火災發(fā)生時要有安全出口、疏散通道幫助人員逃生。

3.5 防腐設計

鋼材易于銹蝕，因此鋼結構防腐設計非常重要。鋼材中含有鐵原子，鐵和氧氣在空氣中會生出四氧化三鐵，也就是我們說的磚紅色的鐵銹。鋼材在潮濕的環(huán)境中，特別是在有腐蝕介質的環(huán)境中更加容易銹蝕。實際工程中，我們通常采用油漆或者是鍍鋅來加以保護鋼構件。比如說，在鋼結構的表面涂防腐的材料。由于該材料輸水性好，能夠有效地阻止水蒸氣對鋼結構的腐蝕，同時其電阻性好，還能阻止空氣中的陰離子對鋼結構的腐蝕，從而能夠起到很好的防腐蝕效果[4]。需注意合理控制防腐層的厚度，外部以150～200μm為宜，內部只需100μm即可[5]。但是在鋼結構工業(yè)廠房使用期間還需要定期維護。因此，鋼結構的維護費用比鋼筋混凝土要高。

油漆或者是鍍鋅的方法不能根本解決鋼材的銹蝕問題，研究一種方法根本解決鋼材的銹蝕問題任重而道遠?，F(xiàn)在，國內外正在研究各種高性能的涂料和不易銹蝕的耐候鋼。如果能研制成功，這樣能解決鋼材的銹蝕問題，可以省去鋼結構的維護費用。

3.6 抗震設計

考慮鋼結構工業(yè)廠房的安全要求，還需要對鋼結構工業(yè)廠房進行抗震設計。我國是一個地震發(fā)生比較多的國家，因此抗震設計非常重要。只有鋼結構工業(yè)廠房具有良好的防震性能，才有安全保障。鋼結構工業(yè)廠房抗震設計主要原則是結構造型簡單化，當結構比較復雜時可采用防震縫把結構分為幾個單元。當不能采用防震縫時,應對薄弱環(huán)節(jié)處采取相應加強措施，使廠房在地震作用下具有整體振動的特點[6]。

首先鋼結構工業(yè)廠房抗震設計應該保證結構平面布置的完整和對稱。鋼結構工業(yè)廠房整體布置要質量和剛度分布都均勻，盡量使質心與剛度中心重合在一起。其次，柱間支撐是鋼結構工業(yè)廠房主要的減震措施，因此要選用合理的柱間支撐，還要考慮柱間支撐與鋼柱之間的連接。最后還要控制廠房高寬比，從而使減震效果得到保證。

4 結語

文章結合相關經(jīng)驗，介紹了目前鋼結構工業(yè)廠房在設計過程中存在的一些常見問題，并提出了相應的設計改進措施。這可以為相關設計人員提供參考。另外，鋼結構具有粉塵少、噪音低，不污染環(huán)境等特點，其能有效地減少建筑垃圾。由于鋼構件可以循環(huán)利用，鋼結構符合可持續(xù)發(fā)展的需要。雖然鋼結構還存在著不少問題，但技術人員不斷地改進并逐漸會解決這些問題，未來鋼結構的使用范圍會越來越廣，鋼結構將越來越受到重視。