鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計及施工問題的探討

郭 春

（山西省機(jī)電設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030009）

就建筑行業(yè)目前發(fā)展趨勢而言，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計和施工技術(shù)日趨成熟，各方面的優(yōu)勢逐漸凸顯，鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際建設(shè)過程中的應(yīng)用越來越廣泛。

1 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房所必備的優(yōu)點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房與傳統(tǒng)的工業(yè)廠房相比具有許多突出的優(yōu)勢。在施工過程中，由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過連接方式在現(xiàn)場進(jìn)行安裝，主要構(gòu)件在車間制造，而傳統(tǒng)材料的廠房需要較長的建造時間，因此鋼結(jié)構(gòu)建造方式大大節(jié)省了施工時間。同時，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房具有重量優(yōu)勢，僅占傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)廠房重量的70%，可以有效地降低廠房對地基的壓力，在一些地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)還具有良好的抗震性能，可以提高廠房的安全系數(shù)［1］。此外，鋼結(jié)構(gòu)廠房的構(gòu)件在制造過程中污染少，安裝工藝基本上實(shí)現(xiàn)了零污染，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用壽命內(nèi)可以重復(fù)使用，這一優(yōu)點(diǎn)充分體現(xiàn)了建筑行業(yè)綠色環(huán)保理念，為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計過程中應(yīng)遵守的規(guī)則

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計過程中，隔熱系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、防火系統(tǒng)是非常重要的部分，對廠房的實(shí)際施工和后續(xù)使用有著直接的影響［2］。支撐系統(tǒng)是鋼結(jié)構(gòu)主體骨架，只有科學(xué)的設(shè)計主體支撐結(jié)構(gòu)，才能保證廠房的安全性、抗震性。在設(shè)計時應(yīng)考慮整體結(jié)構(gòu)的剛度、柱的承載力，以避免整體結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜和變形問題。此外，還應(yīng)根據(jù)廠房空間進(jìn)行整體布局，以廠房高度、縱深等要素合理布置支撐體系，以確保廠房的穩(wěn)定性，同時滿足橫向支撐體系相協(xié)調(diào)要求。由于鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的建筑材料具有更好的熱導(dǎo)率，因此隔熱系統(tǒng)應(yīng)該引起足夠的重視，根據(jù)工業(yè)廠房的實(shí)際功能，科學(xué)應(yīng)用保溫隔熱材料，并做好防火措施，以提高鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全系數(shù)。

3 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計中應(yīng)注意的問題

3.1 根據(jù)保溫隔熱與防火要求進(jìn)行設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)由于鋼材優(yōu)良的熱導(dǎo)率，對溫度非常敏感。因此，在設(shè)計過程中應(yīng)注意鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的隔熱處理，如果所設(shè)計的隔熱措施缺乏科學(xué)性，不僅無法保證廠房內(nèi)部的實(shí)際溫度，而且會造成后期使用過程中大量的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)［3］。此外，由于一些工業(yè)生產(chǎn)加工需要在高溫條件下進(jìn)行，所以有必要對鋼結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)采取防火措施。一般來說，主要采取兩種措施來進(jìn)行防火處理。一種是在鋼結(jié)構(gòu)表面涂上一層防火材料，另一種是直接使用良好的耐火材料。

3.2 立面設(shè)計需要注意的問題

對于采用輕鋼結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房，其在尺寸、顏色、變化和線條方面具有明顯的特點(diǎn)。彩色壓型鋼板雖然可以突出輕鋼結(jié)構(gòu)的豐富色彩，但立面設(shè)計會對施工工藝、造型產(chǎn)生制約作用，在追求立面色彩的同時也會相應(yīng)的增加工程造價［4］。為了避免這些問題，在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)立面時，建議設(shè)計人員盡量選應(yīng)冷色調(diào)，這不僅可以提高工業(yè)廠房的感官性，同時也使整體結(jié)構(gòu)更具立體性。

3.3 抗震性能設(shè)計需要注意的問題

在工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震設(shè)計中，主要有三點(diǎn)注意事項(xiàng)：一是結(jié)構(gòu)的剛度必須均勻分配，否則會降低抗震性能；二是科學(xué)設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)的承載力，避免發(fā)生傾斜、變形問題；三是在考慮地震對鋼結(jié)構(gòu)影響的基礎(chǔ)上，使結(jié)構(gòu)始終處于塑性工作狀態(tài)［4］。

3.4 溫度伸縮縫設(shè)計需要注意的問題

由于鋼結(jié)構(gòu)建筑材料的獨(dú)特性，其溫度變化比其他類型的建筑材料更為敏感，在溫度變化的影響下，鋼結(jié)構(gòu)極易發(fā)生變形問題，而材料和溫差等因素會對變形程度產(chǎn)生直接的影響。一般來說，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房有較大的平面尺寸，則應(yīng)將溫度伸縮縫設(shè)計在縱向或橫向位置處，通常會采用雙柱的設(shè)計，如為橫向溫度伸縮節(jié)，框架梁和檀條連接時建議采用滑動槽鋼夾板方法；如為縱向溫度伸縮節(jié)，建議在屋架支撐部位設(shè)計滾動支撐結(jié)構(gòu)。

3.5 屋蓋支撐系統(tǒng)及屋面設(shè)計需要注意的問題

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房屋頂支撐體系的布置，應(yīng)綜合考慮廠房高度、跨度、柱網(wǎng)布置、吊車噸位、設(shè)備條件、屋頂結(jié)構(gòu)形式等因素［5］。一般而言，屋蓋結(jié)構(gòu)必須設(shè)計垂直支撐結(jié)構(gòu)，同時屋架上弦桿也應(yīng)設(shè)計相應(yīng)的上弦支撐結(jié)構(gòu)，如果工業(yè)廠房屋架間距大于12m，或是廠房內(nèi)部需要使用大型振動設(shè)備，則應(yīng)設(shè)計縱向水平支撐結(jié)構(gòu)。在屋面設(shè)計中，經(jīng)常采用以下兩種方法：一是由保溫層、防水層、隔汽層和屋面彩鋼板內(nèi)板組成的復(fù)合柔性鋼屋面系統(tǒng)，此結(jié)構(gòu)受溫度因素影響小，但工程造價較高；二是采用雙層彩鋼板加保溫棉，此形式較為普遍，但受溫度因素的影響較大，容易出現(xiàn)膨脹收縮現(xiàn)象。

4 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房施工中應(yīng)注意的問題

4.1 箱型柱制作組裝應(yīng)注意的問題

1）為了保證鋼結(jié)構(gòu)箱體的平整度，必須采用多頭自動切割機(jī)對箱體的四塊主板進(jìn)行切割，采用滾剪倒角機(jī)對機(jī)械坡口進(jìn)行加工，并利用矯正機(jī)對板進(jìn)行矯直。2）在放樣刨銑加工中，工件應(yīng)留有5mm的位置進(jìn)行加工余量，應(yīng)按規(guī)定的方向取用號料，盡可能節(jié)省材料，這不僅便于進(jìn)行零件切削，而且能夠最大限度的滿足零件安裝要求［6］。3）加強(qiáng)板和工藝隔板裝配在箱體主板的裝配平臺上，工藝隔板之間的距離控制在1000mm至1500mm范圍內(nèi)，一般將主板、加強(qiáng)板、工藝隔板用二氧化碳保護(hù)電弧焊或手工電弧焊焊接在一起，從而實(shí)現(xiàn)U型裝配。4）二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊采用保護(hù)焊打底和埋弧自動焊填充方式進(jìn)行，并確保立柱材料和坡口形式應(yīng)與焊件相同。焊接完成后，用氣割方法切割引弧和引出板。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)選材應(yīng)注意的問題

鋼結(jié)構(gòu)雖然具有熱導(dǎo)率高的特點(diǎn)，但也有許多優(yōu)勢。鋼結(jié)構(gòu)選材應(yīng)保證材料認(rèn)證文件完整有效，同時也要符合設(shè)計要求和材料質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)范。用優(yōu)質(zhì)碳素鋼和低合金鋼制作連接套時，材料的抗拉承載能力標(biāo)準(zhǔn)值要比受拉承載標(biāo)準(zhǔn)值大1.2倍，直徑應(yīng)為鋼筋直徑的兩倍［7］。

4.3 制作安裝框架梁應(yīng)注意的問題

框架梁的上下翼緣鋼柱應(yīng)為貫通式，內(nèi)部必須設(shè)置橫向加勁肋。鋼柱、框架梁一般采用剛性連接，高層框架梁采用H型鋼梁。在工廠生產(chǎn)中，通常將懸臂梁放置在框架梁的位置，然后將懸臂梁上下翼緣和鋼柱焊接成一個橫截面，腹板焊接成貼角焊縫，這是為了保證鋼柱和框架梁節(jié)點(diǎn)區(qū)域具有良好的延性。鋼柱懸臂梁的上下翼緣應(yīng)采用襯板和框架梁全熔透焊縫，腹板用高強(qiáng)螺栓連接。在此過程中應(yīng)注意的是，設(shè)計長度不等于框架梁下料的長度，而應(yīng)根據(jù)焊接收縮變形問題考慮下料長度，然后采用實(shí)驗(yàn)式計算校核，以確定準(zhǔn)確長度。目前，我國普遍采用多軸數(shù)控鉆削和模板鉆孔方式，與模板鉆孔相比，多軸數(shù)控鉆孔的孔位精度不如模板鉆孔。因此，一般以模板鉆孔為主。在模板鉆孔過程中時，必須保證現(xiàn)場安裝孔和高強(qiáng)度螺栓孔的裝配精度要求，一旦鉆孔位置出現(xiàn)局部偏差問題，應(yīng)采用鉸刀擴(kuò)孔的方式，嚴(yán)禁使用氣割擴(kuò)眼。

4.4 梁及連接板安裝應(yīng)注意的問題

首先，在構(gòu)件上標(biāo)出孔的直徑和中心，并在孔周圍90度位置打四個孔，然后檢查孔的大小。其次，用噴砂處理高強(qiáng)度螺栓摩擦面的表面粗糙度。用電動砂輪磨削鋼板表面時，應(yīng)注意表面不要有明顯的凹坑，磨削范圍應(yīng)控制在螺栓直徑的4倍以上，磨削的方向應(yīng)與受力方向一致。最后，用鋼板切割機(jī)加工為型鋼，并清理磨渣，實(shí)施安裝作業(yè)。

4.5 地腳螺栓埋設(shè)應(yīng)注意的問題

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房施工過程中，應(yīng)確定地腳螺栓的精度，并根據(jù)地腳螺栓的埋設(shè)數(shù)據(jù)嚴(yán)格進(jìn)行安裝作業(yè)。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，腳螺栓埋設(shè)的軸線位移應(yīng)為-2.0mm，標(biāo)高應(yīng)為-5.0mm。安裝地腳螺栓后，應(yīng)將標(biāo)高記錄在鋼管架上，以為后續(xù)施工提供參考［8］。為了提高腳螺栓安裝的精度，必須保證軸線位置與樁基表面完全接合。

4.6 鋼柱吊裝施工應(yīng)注意的問題

在鋼柱吊裝施工中，要求起重機(jī)的性能能夠沿鋼跨中部或側(cè)部運(yùn)行。當(dāng)提升半徑為L/2時，可選擇中間跨度吊裝，用起重機(jī)緩慢提升兩根柱子。吊裝完畢后，在機(jī)器停車處安裝四根立柱固定支撐體統(tǒng)。當(dāng)?shù)跹b半徑小于L/2時，可選擇側(cè)部跨度吊裝，每次吊裝完畢可安裝一根立柱，直至四根立柱完全安裝完畢。另外，在安裝過程中，柱與柱之間要進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹?，以保證吊裝的穩(wěn)定性，并對鋼柱軸線進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證軸線位置符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在全部安裝完畢后，使用專用角尺進(jìn)行檢查，當(dāng)位置不符合標(biāo)準(zhǔn)軸線要求時及時重新定位，以確保誤差在-3毫米以內(nèi)。

5 結(jié)語

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)由于具有空間大、跨度大、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于工業(yè)廠房和大跨度廠房中。在施工過程中，設(shè)計人員、施工人員要注重設(shè)計和施工中重點(diǎn)問題，實(shí)現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的整體控制，確保鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的安全性，滿足后期使用需求。