淺談門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

周健宇

1.鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于廠房的必要性與可行性

相較于混凝土等脆性建筑材料，鋼結(jié)構(gòu)的強度、剛度、延性等力學性能都更為優(yōu)異，且其結(jié)構(gòu)重量更輕，可以很好地應(yīng)用到大跨度結(jié)構(gòu)的建造中。鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工主要依賴于工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼接的方式來進行，這就決定了鋼結(jié)構(gòu)廠房的現(xiàn)場作業(yè)對于人工的需求量將大幅降低，有利于成本的控制與施工的組織，同時鋼構(gòu)件之間也能夠?qū)崿F(xiàn)更為靈活自由的組合、搭接[1]。此外，通過工廠預(yù)制的方式，能夠有效地實現(xiàn)對構(gòu)件質(zhì)量的把控，避免環(huán)境對構(gòu)件形成所產(chǎn)生的干擾。由于鋼結(jié)構(gòu)廠房是由獨立的構(gòu)件單元形成的，因此在建設(shè)過程中若出現(xiàn)設(shè)計方案的臨時更改，也可快速、便捷地完成結(jié)構(gòu)替換，不會對結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生破壞[2]。

2.門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 輕鋼結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計

在設(shè)計環(huán)節(jié)中，對于門式鋼架結(jié)構(gòu)荷載的統(tǒng)計與計算主要考慮永久荷載、可變荷載兩個大的方面，其中可變荷載又可細分為豎向可變荷載、風荷載、地震荷載等。永久荷載主要包括建筑中各個鋼構(gòu)件以及填充結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)的自重，譬如屋面板、填充墻、檁條等都應(yīng)包括在內(nèi)，又可被稱為恒荷載[3]。而可變荷載不同于永久荷載，其在建筑的使用過程中會發(fā)生變化，且一般認為該變化幅度較大不可忽略，而對于強度水平僅在均值附近略微浮動的荷載一般可歸入恒荷載中簡略計算。在門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)的可變荷載統(tǒng)計中，應(yīng)主要考慮外界自然施加的風荷載以及雪荷載，同時也應(yīng)將建筑物長期使用積灰所產(chǎn)生的荷載包括在內(nèi)[4]。此外，還應(yīng)對建筑使用中可能出現(xiàn)的偶然作用進行考慮，譬如地震作用等，這一類作用雖然發(fā)生的概率和作用時間都較短，但其自身強度較大，且對建筑物的損害較為突出，嚴重者甚至會導(dǎo)致建筑物功能失效?？傊?，在進行結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)當充分考慮到建筑受到的各種作用，并針對其性質(zhì)做好分類與組合，為后續(xù)設(shè)計提供可靠的參考。

2.2 輕鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)設(shè)計

支撐系統(tǒng)是鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定性的基本保障，同時也是結(jié)構(gòu)上部荷載傳導(dǎo)的主要路徑，因此支撐系統(tǒng)的設(shè)計需要設(shè)計者予以足夠的重視并采取有效措施進行保障。從結(jié)構(gòu)組成上來看，支撐系統(tǒng)主要包括排架柱、梁、屋架等保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要構(gòu)件[5]。研究表明，柱間支撐對于結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳導(dǎo)的穩(wěn)定性有著很好的保障作用，因此支撐的數(shù)量、尺寸、類型都應(yīng)密切聯(lián)系設(shè)計需求以及工程環(huán)境來確定[6]。如果支撐的設(shè)計存在缺漏或不合理等問題，那么將對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的傳導(dǎo)造成阻礙甚至中斷，并對整體結(jié)構(gòu)的強度、剛度造成損失。支撐系統(tǒng)的安裝也應(yīng)制定合理的方案，對支撐安裝的相對順序以及方法做出明確規(guī)定，為多榀鋼架的搭接工序創(chuàng)造穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

2.3 輕鋼結(jié)構(gòu)的柱腳連接設(shè)計

有效的柱腳連接是排架柱與地基可靠支撐的關(guān)鍵，需要結(jié)合設(shè)計方案細化其連接方式。一般來說，門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)的柱腳連接可采用鉸接或剛接的方式，在鉸接設(shè)計下，柱腳只受到柱在豎向的壓力以及水平的剪切力作用，其主要應(yīng)用在縱向高度以及橫向跨度都較小，且未配置吊車或吊車載重在5t 以下的小型鋼結(jié)構(gòu)廠房中；而對于配置吊車載重量在5t以上或廠房跨度、高度較大時，則必須采用剛接設(shè)計，不同于鉸接，其在連接位置還存在一定的彎矩作用。由于在采用剛接形式時在連接點位置還會額外產(chǎn)生彎矩，因此其對基礎(chǔ)的要求也更高，往往需要消耗更多的混凝土、鋼筋材料，連接處大多選擇Q345B牌號的鋼材。為了盡可能地提升建設(shè)項目的經(jīng)濟效益，將資源的利用率控制在合理的范圍內(nèi)，就需要設(shè)計人員在連接設(shè)計時考慮到基礎(chǔ)設(shè)計、用鋼量、維護成本等多方面的因素，并對不同方案展開比對，尤其是在地基承載力較差的建設(shè)項目中應(yīng)綜合考慮，平衡建筑性能與成本之間的關(guān)系[7]。

2.4 鋼架結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計

對于屋面設(shè)計而言，其中最為關(guān)鍵的兩個部分即屋蓋支撐和排水，并以此完善對支撐、檁條、拉條的設(shè)置，一般還應(yīng)在廠房縱向上的第一跨以及最后一跨建立一定尺寸的柱間支撐以及與其相應(yīng)的水平支撐。檁條設(shè)計在空間位置上可按1.5m 左右的間距進行安排，應(yīng)注意在相鄰檁條之間還需要附加拉條進行加固，為保障關(guān)鍵部位的可靠，在屋脊位置還應(yīng)當改為雙檁條設(shè)計。對于排水系統(tǒng)而言，為了盡可能地提升屋面排水能力，降低積水對建筑結(jié)構(gòu)的侵蝕，屋面材料一般可采用夾芯彩鋼板，此外還應(yīng)當根據(jù)當?shù)貧夂驐l件和其他結(jié)構(gòu)需要確定合適的屋面坡度，但應(yīng)注意其不得小于5°。

2.5 輕鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

研究表明，門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)具有較為優(yōu)異的抗震性能，若當?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度大于7 度，則在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須對地震組合效應(yīng)展開計算，驗證其可靠與否。門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)滿足以下幾點要求：（1）結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)當從整體的穩(wěn)定性出發(fā)，并對廠房各構(gòu)件的分布及數(shù)量進行適當?shù)恼{(diào)整，以此來保障結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布的均勻性，避免應(yīng)力缺陷的產(chǎn)生。（2）重視支撐設(shè)計，在合理的位置布置適當數(shù)量的支撐，不僅可以大大提升結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性與承載能力，同時也可以在一定程度上減少材料用量、簡化結(jié)構(gòu)。（3）綜合考慮地震作用對結(jié)構(gòu)性能的影響，地震作用對門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)的損壞，主要是連接節(jié)點在循環(huán)荷載的作用下發(fā)生低周疲勞導(dǎo)致的，所以在設(shè)計時可以充分利用結(jié)構(gòu)塑性變形對地震能量的耗散。（4）可在廠房排架柱的外側(cè)設(shè)置一圈砌體墻體，用以約束鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形與位移，提升整體穩(wěn)定性。

3.門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計要點

3.1 結(jié)構(gòu)選型與柱網(wǎng)布置

門式鋼架布置的跨度應(yīng)當結(jié)合建筑物的使用需求以及建設(shè)環(huán)境來確定，一般情況下其可取在9m～36m 的范圍內(nèi)，同時研究也表明經(jīng)濟效益最為顯著的跨度取值為21m～30m，且跨度越大鋼梁的材料消耗越小。在柱網(wǎng)設(shè)計上，一般可將排架柱間距控制在6m～9m 的區(qū)間內(nèi)，且跨度越大柱距也應(yīng)取得越大，最好將鋼架跨度與排架柱間距兩者之比取為3.5m～5m。此外，建筑高度也應(yīng)作出一定的要求，使其凈高介于4.5m～9m 的范圍內(nèi)，為了保證其具有足夠的排水能力，屋頂坡度的取值不得小于5%。但同時也考慮到橫向風荷載的作用效果，在滿足穩(wěn)定、承載能力、排水等要求的基礎(chǔ)上還應(yīng)合理控制鋼架的高度[8]。

在鋼柱形式的選擇上最好采用工字型設(shè)計，因為該形式的排架柱在截面應(yīng)力分布上較為明確，腹板位置主要承擔剪切應(yīng)力，而翼緣則主要抵抗彎矩作用，因此該類型的柱在實際工作中可以最大程度地發(fā)揮材料的強度，提升資源利用率。在滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，柱腳在設(shè)計時優(yōu)先選擇鉸接的形式，其不僅可以簡化結(jié)構(gòu)、便于施工，也能減小對基礎(chǔ)的復(fù)雜作用，間接節(jié)約基礎(chǔ)工程的成本。但值得注意的是，對于受到高強度作用的廠房或大跨度廠房，其柱腳應(yīng)采用剛接。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計

在設(shè)計開始之前，技術(shù)人員應(yīng)首先建立簡單的分析模型，對基礎(chǔ)上的主要受力點進行計算。由于基礎(chǔ)與廠房結(jié)構(gòu)是通過柱腳進行連接的，因此基礎(chǔ)的受力情況即為柱的受力情況，計算過程應(yīng)以鋼柱為對象而展開。在分析基礎(chǔ)受力情況時，應(yīng)當尤其注意以下幾點：（1）應(yīng)考慮到廠房中所儲存貨物、機械等的自重對基礎(chǔ)的作用，并對其產(chǎn)生的偏心距進行準確計算。（2）輕鋼結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)重量較小，因此其基底凈反力一般不大，而水平風荷載作用時間長、強度大，應(yīng)當認真核算。（3）不同于其他建筑基礎(chǔ)，輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的基礎(chǔ)埋深一般較淺，其對廠房的實際受力情況也會產(chǎn)生一定的不利作用，因此在設(shè)計時也可適當提升其埋深、尺寸。

4.結(jié)語

總體來說，門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)憑借自身優(yōu)異的性能與突出的效益得到了越來越多的使用，同時也彌補了傳統(tǒng)混凝土材料存在的局限性，為建設(shè)需求的多樣化提供了實踐手段。但門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的發(fā)展也對設(shè)計人員提出了新的要求，應(yīng)當在考慮工程預(yù)期功能的基礎(chǔ)上，充分利用高新技術(shù)優(yōu)化方案，提升項目的質(zhì)量與效益。