鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中常見問題分析和解決措施

王建群

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031）

現(xiàn)如今，建筑工程施工中，鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)用越發(fā)普遍，不但在一些道路橋梁等公共基礎(chǔ)設(shè)施中得到廣泛運(yùn)用，部分民用建筑中也經(jīng)常出現(xiàn)。鋼結(jié)構(gòu)因其自身的優(yōu)勢特點(diǎn)，慢慢地對磚混房屋建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了代替，給建筑行業(yè)的良好發(fā)展提供了新的契機(jī)。伴隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的逐漸增多，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用也漸漸變得更加寬廣，然而鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)用中存在眾多不足，這在一定程度上影響了建筑工程施工。對此，有關(guān)工作人員針對鋼結(jié)構(gòu)建筑實(shí)施設(shè)計(jì)的過程中，需要從整體層面出發(fā)，力爭能夠在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)展問題，確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)良好的質(zhì)量，從而為建筑施工提供良好保障。

1 鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和特征

同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比較，鋼結(jié)構(gòu)具備如下優(yōu)勢：大幅減少了地基處理過程中成本投入，自身重量相對較輕。鋼結(jié)構(gòu)可以在工廠中進(jìn)行預(yù)加工處理，明顯減短工程施工周期，減少了工程實(shí)際施工量[1]。鋼結(jié)構(gòu)具有良好的抗震效果，鋼結(jié)構(gòu)本身具備足夠的強(qiáng)度，可以對空間進(jìn)行更為靈活的布設(shè)。鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)形式包含多種，具體如表1所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)型式

設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的過程中，結(jié)構(gòu)是建筑形象的主要組成因素，結(jié)構(gòu)型式、構(gòu)件截面型式和連接節(jié)點(diǎn)等都會在一定程度上影響建筑物的效果。唯有保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能之間的統(tǒng)一性，方能保證建筑具有功能化特點(diǎn)，同時(shí)給今后建筑的設(shè)計(jì)奠定良好基礎(chǔ)，方能設(shè)計(jì)出技術(shù)和藝術(shù)之間統(tǒng)一的鋼結(jié)構(gòu)建筑。當(dāng)前，我國是全球范圍內(nèi)最大的磚砌體和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑國家，這之于目前能源緊張的形勢而言，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。鋼材不但具備足夠的強(qiáng)度，同時(shí)實(shí)際生產(chǎn)加工中產(chǎn)生的一些角料都具有一定價(jià)值，可以進(jìn)行回收利用。

2 鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中常見問題分析

2.1 鋼材材質(zhì)的選擇

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一些相關(guān)資料中都對焊接材料的質(zhì)量等級和所運(yùn)用的材料做出了明文規(guī)定。鋼材應(yīng)具有足夠的抗拉伸強(qiáng)度、硫含量以及屈服強(qiáng)度等。針對一些容易發(fā)生地震的地帶對鋼材的一些性能做出了特別的規(guī)定，如伸長率需要保證在20%之上，屈強(qiáng)比需要保證在1.2%之上，鋼材需要存在比較顯著的屈服臺階。另外，鋼材也應(yīng)具有一定的可焊性和沖擊韌性，并且保證鋼結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的塑性變形。通常情況下可以采用Q355B或是Q235B之上碳素鋼便可以達(dá)到實(shí)際要求，無需采用Z級或是C級之上的鋼材，盡量縮減經(jīng)濟(jì)成本投入。

2.2 溫度區(qū)域中需要設(shè)計(jì)相對獨(dú)立的空間穩(wěn)定支撐體系

以門式鋼結(jié)構(gòu)廠房為例，其支撐體系的設(shè)計(jì)通常存在如下問題：柱間支撐中，橫向水平支撐設(shè)計(jì)在各個(gè)不同的跨區(qū)內(nèi)，如此便構(gòu)成了相對獨(dú)立的支撐體系，不僅會對廠房的抗震性能產(chǎn)生一定影響，也會給工程現(xiàn)場施工制造一定困難；在第二個(gè)開間位置設(shè)計(jì)橫向水平支撐，但末端跨對應(yīng)的位置并未設(shè)置剛性縱向系桿，造成山墻的水平載荷不能正常傳遞；屋脊或是柱頂?shù)葯M向水平支撐位置并未根據(jù)對應(yīng)的剛性系桿加以考量，在采用檁條兼做形式的過程中，沒有對檁條實(shí)際所能夠承受的剛度和承載能力進(jìn)行驗(yàn)證[2]。除卻屋脊設(shè)計(jì)的雙檁，與結(jié)合檁條跨度在彼此之間連接的多于兩點(diǎn)的剛性連接件可以具有剛性系桿的作用之外，柱頂?shù)绕渌恢梦唇?jīng)過加強(qiáng)處理的檁條都無法起到剛性系桿的重要作用，主要是因?yàn)橐话闼\(yùn)用的C冷彎薄壁型鋼檁條不具有足夠的側(cè)向剛度。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)

近年來，國內(nèi)在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)方面獲取了一定發(fā)展，然而依然存在眾多不足需要做出改善。具體包含如下問題：現(xiàn)今鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼模型中，柱和梁的單元是主要的研究對象，然而很多業(yè)內(nèi)人士對于此問題依然抱有懷疑的態(tài)度，主要是由于不能確定這些單元可否更加真實(shí)地對網(wǎng)殼的實(shí)際受力情況加以反映，當(dāng)前存在的最主要問題是不知怎樣對軸力與彎矩之間的耦合效應(yīng)作出反映；建筑行業(yè)中并不存在健全的理論對預(yù)張拉體系進(jìn)行分析，這一方面的理論依然處于空白狀態(tài)；針對大跨度結(jié)構(gòu)怎樣對整體與局部穩(wěn)定性之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析亦是一個(gè)比較困難的問題，很難真實(shí)地對二者之間的問題做出反映；鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在眾多無法確定的因素，當(dāng)前業(yè)內(nèi)人士的影響分析主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)和隨機(jī)載荷較小的范圍中[3]。事實(shí)上，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)具有一定隨機(jī)性，結(jié)構(gòu)響應(yīng)亦會出現(xiàn)較大變化，所以大力關(guān)注隨機(jī)參數(shù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、跳躍性失穩(wěn)和干擾性屈曲等方面的研究。

3 鋼結(jié)構(gòu)廠房常見問題解決策略

3.1 防火問題的解決策略

鋼材是鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，針對鋼材物理性質(zhì)實(shí)施分析我們能夠得知，鋼材具有十分良好的導(dǎo)熱性能，在鋼結(jié)構(gòu)表層溫度超過100度時(shí)，其所具有的抗拉性會明顯下降，但彈塑性會變大；在鋼結(jié)構(gòu)表層溫度超過250度時(shí)，其所具有的彈塑性會大幅降低，這樣便會產(chǎn)生藍(lán)脆現(xiàn)象，情況嚴(yán)重時(shí)，還會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)斷裂和坍塌的現(xiàn)象。所以，實(shí)際設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)廠房的過程中，防火問題是首要考慮的問題。例如，若是廠房溫度存在超過150度的可能，便需要對隔熱防火方面的問題加以考量。目前，比較常用的防火策略是將硬質(zhì)防火板或是防火磚安裝在鋼結(jié)構(gòu)表層，針對那些具有特殊用途的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)在其表層涂上一層相對較厚的防火材料，涂抹的實(shí)際厚度應(yīng)嚴(yán)加遵照有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，針對一些重要位置需要進(jìn)行反復(fù)涂抹。若是鋼結(jié)構(gòu)廠房低于7m，需要在那些容易發(fā)生火情的位置設(shè)計(jì)自動(dòng)噴水系統(tǒng)，這樣在發(fā)生火情的過程中，可以在第一時(shí)間內(nèi)執(zhí)行噴水降溫操作，有效規(guī)避火情蔓延情況的發(fā)生。

3.2 支撐系統(tǒng)問題的解決策略

支撐系統(tǒng)有利于提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)受力均勻、合理及提高結(jié)構(gòu)的整體性，能有效保證廠房整體結(jié)構(gòu)和單個(gè)構(gòu)件的穩(wěn)定性、傳遞水平作用至基礎(chǔ)。具體設(shè)計(jì)過程中，對于有振動(dòng)的設(shè)備操作鋼結(jié)構(gòu)平臺，通過合理布置支撐系統(tǒng)調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度，以避免發(fā)生共振現(xiàn)象。鋼結(jié)構(gòu)廠房的支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含柱間支撐以及屋蓋水平支撐兩個(gè)方面。

3.2.1 柱間支撐

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)廠房，其柱間支撐會在每個(gè)溫度區(qū)域中均勻分布，并且屋蓋的橫向支撐會對其造成一定影響。柱間支撐的具體位置與鋼結(jié)構(gòu)的縱向變形之間存在密切關(guān)聯(lián)，所以，針對實(shí)際跨度相對偏大的廠房而言，在縱向端頭位置設(shè)計(jì)柱間支撐并不合理，因?yàn)槿羰窃谶@一位置設(shè)計(jì)縱向支撐結(jié)構(gòu)在廠房溫度發(fā)生改變時(shí)無法向兩側(cè)位置伸縮。

3.2.2 屋蓋支撐

關(guān)于屋蓋支撐系統(tǒng)，其主要包含橫向、縱向支撐以及連接桿件等基本構(gòu)成部分。具體針對屋蓋支撐系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)對如表2所示幾個(gè)方面的因素加以考慮。

表2 屋蓋支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素

因?yàn)槲菝嬷蜗到y(tǒng)會依附在柱間支撐系統(tǒng)，所以應(yīng)對柱間支撐結(jié)構(gòu)和屋面結(jié)構(gòu)相互之間力的傳遞加以考量，確保鋼結(jié)構(gòu)廠房具有更大的剛度。

3.3 溫度伸縮問題的解決策略

伴隨著溫度的變化，鋼結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力，即所謂的溫度伸縮問題。廠房整體的大小與柱剛度和吊車軌頂?shù)母叨鹊雀鞣矫嬉蛩孛芮邢嚓P(guān)，面積相對較大的鋼結(jié)構(gòu)廠房所承受的溫度應(yīng)力也較大，鋼結(jié)構(gòu)就更有可能出現(xiàn)變形的情況。要想有效規(guī)避鋼結(jié)構(gòu)廠房出現(xiàn)變形問題，可以在廠房中設(shè)計(jì)溫度伸縮縫。關(guān)于溫度伸縮縫，橫向與縱向是兩種比較常見的溫度伸縮縫種類。實(shí)際中需要采用何種形式的溫度伸縮縫，應(yīng)根據(jù)廠房的具體情況做出決定[4]。溫度伸縮縫設(shè)計(jì)過程中，需要將廠房整體分為幾個(gè)不同的溫度區(qū)域，溫度區(qū)域的實(shí)際長度應(yīng)結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。針對橫向溫度收縮縫實(shí)施處理的過程中，需要在鋼結(jié)構(gòu)廠房行條和框架梁連接的地方設(shè)計(jì)橢圓孔滑動(dòng)支座；針對縱向溫度收縮縫實(shí)施處理的過程中，通常運(yùn)用雙柱設(shè)計(jì)的方式，在屋架支座的地方設(shè)計(jì)一個(gè)能夠自由滾動(dòng)的滑行支座。

3.4 抗震問題的解決策略

雖然發(fā)生地震的概率相對較低，但近些年的一些大地震引起了人們對此問題的高度重視，盡管地震的發(fā)生只是在一瞬間，然而卻會給建筑物帶來毀滅性的打擊。所以，實(shí)際設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)廠房的過程中應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)抗震方面的問題加以考量。通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延性性能，即使鋼結(jié)構(gòu)在很大的變形下仍不致倒塌，從而保證鋼結(jié)構(gòu)的抗震安全性。然而若是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠科學(xué)，其所具有的抗震性也不能得以充分發(fā)揮。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)嚴(yán)加遵照建筑物抗震性能方面的規(guī)定，針對工藝結(jié)構(gòu)要求相對偏高的生產(chǎn)加工車間，應(yīng)采用更為完善的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證鋼結(jié)構(gòu)在承受強(qiáng)烈的震動(dòng)中依然能夠具有良好的穩(wěn)定性。對于鋼結(jié)構(gòu)整體的布置，應(yīng)根據(jù)鋼材所具有抗震性針對剛度進(jìn)行均勻分布，確保鋼結(jié)構(gòu)廠房受力更加均勻，以規(guī)避局部結(jié)構(gòu)變形情況的發(fā)生。在地震作用下，可能發(fā)生桿件的失穩(wěn)或連接節(jié)點(diǎn)破壞導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)整體喪失抗震能力，造成災(zāi)難性后果，所以應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)和桿件的設(shè)計(jì)予以高度重視，確保各節(jié)點(diǎn)具有更加良好的抗震承載力，不會輕易出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

現(xiàn)如今，國家的經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展中，科學(xué)技術(shù)也得到了快速進(jìn)步。鋼結(jié)構(gòu)建筑這種新型建筑形式，其在建筑行業(yè)中的運(yùn)用越發(fā)受到人們的關(guān)注，為建筑行業(yè)的良好發(fā)展提供了助力，建筑工程施工單位也能夠從中收獲更多經(jīng)濟(jì)和社會效益。然而鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中依然存在眾多不足，給鋼結(jié)構(gòu)建筑整體施工質(zhì)量造成了一定不良影響。因此，有關(guān)的工作人員需要努力提高自身專業(yè)能力，在實(shí)際設(shè)計(jì)中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提高自身設(shè)計(jì)水平，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)，促進(jìn)我國建筑行業(yè)的良好發(fā)展。