鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳佳瑩

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有多種優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)量較輕、較好的抗震性能以及可以滿足大空間需求等，并且在建造過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境不會(huì)造成嚴(yán)重危害，整體建筑成本較低，因此，得到了廣泛的應(yīng)用[1]。對(duì)于工業(yè)廠房來(lái)說(shuō)，材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)十分重要，會(huì)對(duì)整體建筑的作用和功能造成一定影響，所以在工業(yè)廠房整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)十分注重建筑材料的選擇。

2 鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)本身具有較高的強(qiáng)度，在發(fā)生地震時(shí)，能夠很好地消耗部分地震能量，降低地震造成的沖擊，從而讓損失降到最低。其次，鋼結(jié)構(gòu)可以有效承擔(dān)施工荷載和結(jié)構(gòu)荷載，在具體施工過(guò)程中可以節(jié)省大量的模板材料，促進(jìn)了施工成本的降低。此外，鋼結(jié)構(gòu)建筑對(duì)現(xiàn)代住房產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很好的適應(yīng)性，其商品化程度較高，在工業(yè)生產(chǎn)中適合批量生產(chǎn)。鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)示例如圖1 所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)示例

3 鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕

鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)相比較，其質(zhì)量較輕，在實(shí)際工業(yè)廠房建設(shè)中能夠較好地減輕對(duì)基礎(chǔ)持力層的壓力。同時(shí)，在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中鋼結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)的特征，在運(yùn)輸和升掛方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，因此，可以有效解決混凝土結(jié)構(gòu)施工工序復(fù)雜等難題。除此之外，在地震發(fā)生時(shí)可避免因質(zhì)量過(guò)大吸收更多的地震能量，具有良好的抗震性能。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)間較大

通常情況下，在鋼結(jié)構(gòu)布置方案相同的環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)的開(kāi)間要比混凝土開(kāi)間大很多。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的排列工作時(shí)，靈活性較強(qiáng)，并且還可以有效滿足設(shè)計(jì)工作的需要[2]。除此之外，鋼結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用還可以通過(guò)減少柱的截面面積和使用輕質(zhì)墻板，提高面積使用率，增加戶內(nèi)有效面積。

3.3 有效提升施工效率

在對(duì)工業(yè)廠房進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)制造廠家一般會(huì)使用機(jī)械化生產(chǎn)來(lái)制造鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，這就使得鋼結(jié)構(gòu)具有很好的質(zhì)量和精度。此外，鋼結(jié)構(gòu)制造廠家通常會(huì)將加工完成的鋼結(jié)構(gòu)組件送到施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行組合裝配的過(guò)程也比較簡(jiǎn)單方便，可節(jié)省大量時(shí)間，有效促進(jìn)了工業(yè)廠房施工效率的提升。

3.4 較高的經(jīng)濟(jì)性和便捷性

通過(guò)焊接完成相關(guān)位置的連接，從而降低耗材的使用。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)在單位價(jià)格上對(duì)于其他材料也具備一定的優(yōu)勢(shì)，這也是該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要原因。此外，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)另外一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是便捷性，對(duì)于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)類型來(lái)說(shuō)，利用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在很大程度上讓設(shè)計(jì)流程得到簡(jiǎn)化，從而促進(jìn)了設(shè)計(jì)工作的順利進(jìn)行，有效提升施工效率。

4 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 荷載設(shè)計(jì)

在工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)以鋼結(jié)構(gòu)自身的實(shí)際負(fù)重情況為標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展荷載設(shè)計(jì)工作，確保在設(shè)計(jì)過(guò)程中荷載數(shù)值的準(zhǔn)確性，從而為鋼結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性提供有力保障。此外，鋼結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮到風(fēng)荷載及溫度荷載等其他外界因素的影響。GB50009—2019《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中明確規(guī)定，荷載的設(shè)計(jì)值等于荷載的標(biāo)準(zhǔn)值乘荷載分項(xiàng)系數(shù)，永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.2 或1.35；可變荷載為1.3 或1.4，所以設(shè)計(jì)值要比標(biāo)準(zhǔn)值大。

4.2 抗震設(shè)計(jì)

首先，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)保證廠房構(gòu)件布置的均勻性，有利于廠房整體受力，合理布置工業(yè)廠房的縱向及橫向結(jié)構(gòu)，溫差較大時(shí)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。為了有效避免這一問(wèn)題，可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中添加溫度伸縮縫，并對(duì)溫度區(qū)域長(zhǎng)度進(jìn)行明確，也可以采取雙柱或單柱的方式完成設(shè)置。

其次，應(yīng)做好工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)支撐體系的設(shè)計(jì)工作，確保其合理性和科學(xué)性。只有確保合理設(shè)置支撐體系，才能讓鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗拉強(qiáng)度得到提升，鋼結(jié)構(gòu)支撐體系的設(shè)計(jì)需要以廠房高度、振動(dòng)設(shè)備、車間吊車設(shè)置以及廠房結(jié)構(gòu)形式等內(nèi)容為依據(jù)。屋蓋支撐和柱間支撐是比較常用的2 種支撐方式，需要對(duì)二者進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)置，通常會(huì)將下柱支撐設(shè)置在溫度區(qū)的中間位置，確保車梁等構(gòu)件在溫度發(fā)生變化時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自由伸縮[3]。

4.3 防腐設(shè)計(jì)

腐蝕作用會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重危害，可能會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表面銹蝕、構(gòu)件截面縮小等不良現(xiàn)象，大大縮短了鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命，還有可能引發(fā)重大安全事故，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐除銹設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)注重施工工藝、施工材料、廠房布局以及廠房選址等問(wèn)題，并以此為基礎(chǔ)來(lái)合理設(shè)計(jì)防銹處理措施。另外，還應(yīng)在鋼結(jié)構(gòu)的表面涂一層較厚的防銹漆，以此來(lái)對(duì)外界環(huán)境的眾多不利因素進(jìn)行隔絕。對(duì)于暴露在外面的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)加大防銹漆的使用力度，也可以采取其他有力措施讓鋼結(jié)構(gòu)能夠處在比較好的環(huán)境中，防止鋼構(gòu)件因環(huán)境因素影響而發(fā)生腐蝕。

4.4 防火設(shè)計(jì)

雖然鋼結(jié)構(gòu)自身具有較大的強(qiáng)度，并且抗震性能也比較好，但是其防火性能較差。例如，1970 年美國(guó)50 層的紐約第一貿(mào)易辦公大樓發(fā)生火災(zāi)，樓蓋鋼梁被燒扭曲10 cm 左右。鋼結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而發(fā)生變化，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)鋼結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度下降，從而對(duì)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性產(chǎn)生嚴(yán)重影響[4]。特別是當(dāng)溫度超過(guò)250 ℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)材料塑性明顯降低，結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形，嚴(yán)重的話還有可能導(dǎo)致工業(yè)廠房出現(xiàn)坍塌的情況。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中要做好鋼結(jié)構(gòu)的隔熱防火設(shè)計(jì)，其具體的設(shè)計(jì)措施可以包含以下幾個(gè)方面：通過(guò)耐火性材料的安裝或是現(xiàn)澆混凝土的方式對(duì)鋼結(jié)構(gòu)自身的保溫隔熱性能進(jìn)行提升；還可以將比較硬的板材安裝在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的周圍，以此來(lái)促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量的排除；將防火材料涂抹在鋼結(jié)構(gòu)表面，讓鋼結(jié)構(gòu)的防火隔熱性能得到提高，這也是一種比較好的方法。

4.5 合理設(shè)置隅撐

在單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)柱內(nèi)側(cè)翼緣和梁下翼緣穩(wěn)定性不好的問(wèn)題，可以合理設(shè)置隅撐，隅撐可以有效避免此種問(wèn)題的發(fā)生。鋼架斜梁承受的壓力不固定，使得鋼結(jié)構(gòu)廠房的穩(wěn)定性無(wú)法得到保證，隅撐的應(yīng)用也可以在最大限度地確保某穩(wěn)定性要求[5]。較大的風(fēng)力影響容易導(dǎo)致下翼緣喪失平面外的支撐力，從而使得結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性丟失，這種情況下可以將支撐設(shè)計(jì)在下翼緣位置。如果遭受到比較大的壓力時(shí)，右翼緣就容易發(fā)生屈曲，若不加以重視，還有可能出現(xiàn)鋼架倒塌的情況，所以在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)斜梁下翼緣支撐結(jié)構(gòu)重要性的認(rèn)識(shí)。

5 鋼結(jié)構(gòu)框架廠房結(jié)構(gòu)實(shí)例分析

5.1 廠房概況

某工業(yè)廠房在建設(shè)時(shí)，選用輕型門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)體系，總跨度長(zhǎng)約19.56 m，廠房長(zhǎng)度為54.68 m，柱距為4.8 m，屋面和墻面選用鍍鋅鋼板材料。廠房設(shè)計(jì)壽命為50 年，所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6 度，丙類，要求二級(jí)結(jié)構(gòu)安全，因?yàn)閷?shí)際需要對(duì)廠房空間利用率要求較高。

5.2 選擇合適的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)方案，可以確定此工程是單層廠房結(jié)構(gòu)，由柱子和橫梁構(gòu)成框架，然后由各種縱向結(jié)構(gòu)將框架連接起來(lái)，如屋蓋和屋面等。在設(shè)計(jì)輕鋼結(jié)構(gòu)荷載的過(guò)程中，應(yīng)首先考慮橫向結(jié)構(gòu)承受的荷載，并進(jìn)行分析，確定可變荷載和永久荷載，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行全面了解，優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。如果水平荷載存在一定問(wèn)題，那么廠房平面屋架剛度和穩(wěn)定性就不夠。為了提升廠房水平荷載能力，應(yīng)該將支撐系統(tǒng)提前設(shè)置好。

5.3 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

5.3.1合理布置結(jié)構(gòu)

板、梁和鋼柱等結(jié)構(gòu)承受著輕鋼結(jié)構(gòu)廠房上部的荷載，在布置平面結(jié)構(gòu)時(shí)，需要將柱網(wǎng)提前確定好，之后再根據(jù)設(shè)計(jì)明確承重柱的每個(gè)位置，如基礎(chǔ)梁、屋面板和屋架等。將設(shè)計(jì)方案確定好之后，合理規(guī)劃柱網(wǎng)。廠房結(jié)構(gòu)的質(zhì)量會(huì)受到柱網(wǎng)布置合理性的影響，后期設(shè)備的使用也會(huì)受到波及。需要對(duì)廠房用途、設(shè)備型號(hào)和大小等內(nèi)容進(jìn)行全面考慮，確保結(jié)構(gòu)方案足夠合理。另外，為了防止發(fā)生違規(guī)情況，還應(yīng)滿足行業(yè)規(guī)范要求。

5.3.2廠房受力分離

對(duì)廠房受力情況進(jìn)行計(jì)算，確保構(gòu)造筋數(shù)量配置的合理性，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：保證縱向鋼筋配筋率不超出50%，柱縱筋保持獨(dú)立，防止與預(yù)埋件、箍筋或拉筋焊接到一塊?？v向鋼筋之間的距離應(yīng)保證≤37 cm，彼此之間的凈距離不低于6 cm。鋼柱附近箍筋應(yīng)選擇封閉式。在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)十分注重結(jié)構(gòu)的防火性能、防腐性能和抗震性能等，全面排查并消除安全隱患，為廠房的正常使用提供保障。

5.3.3設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)主體組裝完成后，需要對(duì)其進(jìn)行全面檢查，確保廠房整體的質(zhì)量和美觀性。重點(diǎn)檢查不同鋼結(jié)構(gòu)相鄰平面上螺栓的連接情況，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就立即采取對(duì)應(yīng)措施予以解決。以相關(guān)檢查流程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)整個(gè)廠房進(jìn)行質(zhì)量檢查，保證每個(gè)工序的施工質(zhì)量。另外，做好黏結(jié)層混凝土的處理工作，加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)。

5.3.4嚴(yán)格控制鋼結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量

鋼結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量會(huì)對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性造成直接影響。采購(gòu)工作人員應(yīng)不斷提升自身專業(yè)能力和個(gè)人綜合素質(zhì)，加強(qiáng)對(duì)原材料質(zhì)量的監(jiān)督和控制。還需要建立相應(yīng)的制度，對(duì)材料采購(gòu)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督，確保采購(gòu)流程中不會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。通過(guò)有效監(jiān)督還能夠防止瀆職行為的發(fā)生，從根源上保證鋼結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量，為施工安全和廠房質(zhì)量提供有力保障。

5.3.5儀器的使用和保養(yǎng)

正確使用儀器，并且做好儀器保養(yǎng)工作可以有效提高它們的使用壽命。在施工過(guò)程中使用儀器時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定和方法進(jìn)行，不能出現(xiàn)違規(guī)操作，確保施工質(zhì)量和施工效果。在保養(yǎng)時(shí)需要注意保養(yǎng)方法，應(yīng)用棉紗布擦拭儀器表面，避免與儀器發(fā)生碰撞，使用之后及時(shí)涂抹防銹漆，施工儀器的使用和保養(yǎng)應(yīng)由專業(yè)的人員來(lái)完成。

6 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)體系以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否具有科學(xué)性和合理性，會(huì)對(duì)工業(yè)廠房的安全及穩(wěn)定造成嚴(yán)重的影響，從而阻礙工業(yè)建設(shè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。在當(dāng)前的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較為普遍，但鋼結(jié)構(gòu)也存在著易腐蝕及耐熱性較差的問(wèn)題，所以在進(jìn)行工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)應(yīng)針對(duì)性地加強(qiáng)這幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)工作，從而讓工業(yè)廠房的安全性和穩(wěn)定性得到保障。