門式鋼架廠房的設計要點及穩(wěn)定性探討

劉艷兵

【摘要】門式剛架輕型房屋鋼結構是在國內(nèi)外廣泛應用的一種建筑結構體系，基于此結構建造的房屋具有眾多優(yōu)點，可適應不同的氣候，市場應用前景廣泛。鋼結構廠房是目前我國工業(yè)生產(chǎn)過程中被廣泛應用的廠房結構形式，尤其門式剛架輕型鋼結構具有質(zhì)量輕、工業(yè)化程度高、施工周期短、抗震性能好、材料可再生利用、施工環(huán)境好等特點。文章對門式剛架輕型鋼結構廠房的設計進行了研究分析，以供參考。

【關鍵詞】門式;剛架輕型;鋼結構廠房;設計

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.11.023

引言：

門式剛架輕型房屋鋼結構屬輕型鋼結構的一個分支，發(fā)展至今無論設計制作、施工標準都有完善的體系及標準可查。門式剛架建造的建筑物具有質(zhì)量輕、建造周期短、外形美觀、標準化程度高以及綜合成本低等優(yōu)點。近年來，隨著經(jīng)濟建設的需求，大量門式剛架輕型鋼結構廠房應用到工程建設中。鋼結構工業(yè)廠房施工中的構件類型比較多，且在具體制作過程中極易出現(xiàn)問題，使后續(xù)施工質(zhì)量控制存在一定的難度。工業(yè)廠房鋼結構體型大、施工工期短，且施工環(huán)境十分復雜。為保障工業(yè)廠房結構吊裝工程施工質(zhì)量并施工安全。

1、門式剛架輕型鋼結構

（1）質(zhì)量輕。單層門式剛架房屋承重結構用鋼量一般為10～30kg/m2;在相同的跨度和荷載條件下自重約為混凝土結構的1/30～1/20。

（2）工業(yè)化程度高，施工周期短。門式剛架結構的主要構件和配件均為工廠制作，質(zhì)量易于保證，工地安裝方便。除基礎施工外，基本沒有濕作業(yè)，現(xiàn)場施工人員的需要量也很少。構件之間的連接多采用高強度螺栓連接。

（3）綜合經(jīng)濟效益高。門式剛架結構采用了計算機輔助設計，設計周期短;構件采用先進自動化設備制造;原材料的種類較少，易于籌措，便于運輸;對一般規(guī)模的工業(yè)廠房僅需45天至6個月，而若采用鋼筋混凝土建筑則要8～12個月左右。據(jù)統(tǒng)計它與鋼筋混凝土結構相比，可以節(jié)省投資25%，當廠房的跨度越大時，其優(yōu)勢更為明顯。所以剛架結構的工程周期短，資金回報快，貸款利息也將大幅降低，投資效益高。

（4）柱網(wǎng)布置靈活。傳統(tǒng)的結構形式由于受屋面板，墻板尺寸的限制，柱距多為6m，當采用12m柱距時，需設置托架及墻架柱。而門式剛架結構的柱網(wǎng)布置不受模數(shù)限制，柱距的大小主要根據(jù)使用要求和用鋼量最省的原則來確定。

（5）門式剛架結構夠滿足較多類型廠房建筑設計的要求，跨度最大可達36m，縱向溫度區(qū)段長度允許300m，橫向溫度區(qū)段長度允許150m，這種結構特別適合用于安裝較長生產(chǎn)線的工業(yè)廠房。

（6）門式剛架結構形成的坡屋面下部空間較大，可以作為廠房技術夾層，布置各種管道，充分利用建筑空間，節(jié)約投資。

（7）輕鋼結構抗震性能好，由于鋼結構本身具有較好的延性，故能夠充分耗散地震能。另外，輕鋼結構重量輕，地震力很小。設計經(jīng)驗表明當抗震設防烈度為7度時，一般不需作抗震驗算;當為8度及以上時，橫向剛架和縱向剛架均需作抗震驗算。盡管輕鋼結構廠房有以上眾多優(yōu)點，但要建設完成一個優(yōu)質(zhì)廠房工程還需要參建各方的和諧統(tǒng)一和積極努力。

2、鋼結構設計的穩(wěn)定性原則

2.1強柱弱梁

在設計鋼結構時，主要分為兩種情況：（1）鋼結構質(zhì)量好，具有一定的實用性。這時，當水平承載力過大時，梁上就會出現(xiàn)塑性鉸。（2）鋼結構質(zhì)量差，柱上會出現(xiàn)塑性鉸。為保證梁的承載能力大于柱的承載能力，鋼結構設計時應注意強柱弱梁的原則。這一原理可以增強鋼結構的抗壓能力，提高鋼結構的承載性能，保證其在受到外力作用時能恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，設計者應注意分析計算鋼結構的承載力，使塑性鉸出現(xiàn)在梁上。設計人員在選擇計算方法時，必須保證鋼結構的設計方案與計算方法的參考方案一致，從而確定系數(shù)的準確性，保證鋼結構的安全穩(wěn)定。

2.2剪切力調(diào)整

如今，人們的生活水平逐漸提高，對建筑美觀的要求也越來越高，所以斜柱在工業(yè)廠房中的應用越來越多。斜柱的應用可以使構件具有一定的傾角，形成不對稱的建筑形式，但為保證結構的穩(wěn)定性，設計者必須設計一定的剪力。在設計鋼結構時，很多設計師直接將斜桿用作斜柱。這種方法雖然不影響鋼結構的設計，但是一旦剪力調(diào)整好，就容易出現(xiàn)問題，斜柱不僅要承受水平荷載，還要承受垂直荷載。如果設計者在設計過程中忽略了豎向荷載，就會出現(xiàn)剪力誤差，影響鋼結構的穩(wěn)定性。設計者應結合工業(yè)廠房的實際情況進行相應的剪力設計，以保證剪力調(diào)節(jié)的靈活性和鋼結構的穩(wěn)定性。

2.3結構穩(wěn)定性

與其他建筑結構相比，鋼結構的優(yōu)勢非常明顯。具有較好的延展性，抗震和抗壓效果好，能承受較大的載荷。鋼結構的特點是很多構件都是在工廠里預先加工好的。雖然質(zhì)量沒有問題，但為了保證建筑物的穩(wěn)定性，使用前必須進行質(zhì)量檢查。鋼結構的設計過程相對復雜。在設計方案之前，設計人員應確保組件的質(zhì)量沒有問題，然后再將組件應用到設計方案中。目前鋼結構設計主要以平面為主，如鋼結構的框架等，為保證平面結構的穩(wěn)定性，需要確定結構的豎向承載能力，以滿足要求。設計人員首先要了解當?shù)氐膶嶋H情況和自然條件，確定荷載系數(shù)，保證整體結構的穩(wěn)定性;其次，要重視結構件的質(zhì)量，采用科學、規(guī)范的設計方法，降低安全事故發(fā)生的概率。

3、鋼結構廠房施工主要技術方法

3.1鋼結構廠房施工準備

根據(jù)設計圖紙的要求，審查鋼結構廠房的具體尺寸和孔距。實際運行中，節(jié)點應嚴格按照1：1標準放行，并作為切割、加工、制造、安裝的標準。依據(jù)。在實際加工中，應盡可能節(jié)約原材料，以提高加工零件的精度。如果鋼材表面出現(xiàn)彎曲，應使用矯直機進行矯直處理，對H型鋼應特別注意，確保鋼材的垂直度控制在合理的偏差范圍內(nèi)。

3.2鋼結構廠房

鋼結構加工前，施工人員應首先確定鋼結構的幾何尺寸和具體形狀，以保證鋼結構連接時出現(xiàn)不必要的麻煩。為保證后期維護的方便，在制作型材或鋼板時，應盡可能多地設計和使用接頭，兩個接頭之間的距離應控制在20cm以內(nèi)。焊接加固時，應嚴格按照現(xiàn)行規(guī)范進行標準作業(yè)。為保證實際焊接作業(yè)的質(zhì)量，施工人員應提前做好準備，準備好焊接材料和焊接設備，保證焊接設備的性能，并將其放置在更合適的位置。焊條應放置在專門的絕緣桶中，以免受潮。根據(jù)焊接受力情況，合理選擇焊接順序和焊接方法。

3.3輕鋼結構廠房鋼構件運輸方式

為保證鋼材加工后的性能滿足實際需要，施工人員應在工廠內(nèi)完成鋼材的加工生產(chǎn)，并根據(jù)施工進度將部分鋼結構運至施工現(xiàn)場.鋼構件的運輸通常由汽車完成。裝載鋼構件時，堆垛層數(shù)應控制在3層以內(nèi)，以免在運輸過程中損壞鋼構件，各層之間應采用掛木支撐。鋼構件裝車后應進行加固，最后用篷布蓋好，順利運至施工現(xiàn)場。

3.4輕鋼結構廠房鋼結構安裝及注意事項

鋼構件運至施工現(xiàn)場后，施工人員應根據(jù)工程的施工進度和施工的具體要求，有針對性地進行鋼結構安裝。首先，施工人員應測量出車間的軸線和標高?；A部分施工完成后，應做好詳細交接工作，確保鋼結構安裝質(zhì)量符合設計和規(guī)范要求。鋼結構安裝前，施工人員應清理建筑物的基礎，按設計標高要求對基礎進行合理調(diào)整，達到設計要求后安裝結構柱。然后進行吊裝作業(yè)。正式吊裝作業(yè)前，應進行試吊作業(yè)。在試吊過程中，應檢查吊裝設備的質(zhì)量，并根據(jù)試吊結果確定吊裝方法及相關設備。當結構柱底孔與螺栓保持在同一方向時，起重機操作人員控制吊車將結構柱緩慢下降，使結構柱底孔與螺栓連接，保證牢固性和連接的穩(wěn)定性。吊裝作業(yè)完成后，應再次對結構柱進行測試。如試驗不合格，應盡快合理調(diào)整結構柱位置，調(diào)整合格后方可開始下一步施工。為有效保證施工質(zhì)量，施工人員應對鋼架進行維護保養(yǎng)，在非工作過程中緩慢吊起鋼架，并用電纜固定。電纜的數(shù)量和位置必須符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

3.5輕鋼結構廠房高強度螺栓的安裝

鋼結構廠房在施工過程中，施工人員要注意高強度螺栓的安裝，這將直接對整個鋼結構的安裝質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。因此，必須保證螺栓安裝的質(zhì)量。安裝螺栓前，應做好準備工作，檢查螺栓的規(guī)格、數(shù)量和質(zhì)量。檢驗中如發(fā)現(xiàn)螺栓型號或質(zhì)量不合格，應立即更換。考慮到實際情況，施工人員很容易忽視檢查螺栓孔的位置。安裝前應仔細檢查螺栓孔的位置、尺寸和直徑，確保螺栓安裝質(zhì)量符合規(guī)范要求。安裝螺栓時，還應保證螺栓保持在同一方向，并應在每側安裝一個墊圈。需要說明的是，高強度螺栓不得與普通螺栓混用。螺栓加固時，施工人員應盡快檢查。如果螺栓仍然松動，應立即加固或更換。

4、工業(yè)廠房中鋼結構設計的要點

4.1受力設計

應力水平是判斷鋼結構穩(wěn)定性的重要因素之一。設計者在設計方案時，首先要考慮鋼結構的承載能力，然后再考慮其他問題。鋼結構的設計多以T型或L型為主，主要是為了提高結構的受力能力，減輕鋼結構的自重，起到平衡作用。為保證鋼結構受力更均勻，在設計中盡量采用對稱的方法，防止在某些位置受力過大或過小，造成結構受力不平衡.例如，在設計固定支架時，設計者必須保證支架的穩(wěn)定性，防止移動;然而，在設計鋼梁框架時，只需要考慮其橫向力和豎向力即可。設計人員需要在設計方案中反映各個構件和結構的應力，以防止失穩(wěn)的發(fā)生。鋼結構的穩(wěn)定性需要設計方案與實際施工的相互配合。只有在施工過程中嚴格按照設計方案，減少人為失誤，加強細節(jié)控制，鋼結構的穩(wěn)定性才能滿足實際要求。

4.2抗震設計

保證建筑物的抗震性非常重要，特別是在地震高發(fā)地區(qū)，需要進一步提高建筑物的穩(wěn)定性。設計方案時，要保證梁板、屋架與屋面板的連接程度，以及結構主體與柱之間的固定方式符合要求，以便提高鋼結構的抗震能力。鋼結構的抗震效果與施工質(zhì)量和支護方式密切相關。因此，設計人員應認真考慮相關因素，從根本上減少影響抗震效果的因素，保證鋼結構的抗震效果。設計者在設計方案時往往忽視小配件的使用，過多關注結構的荷載力和應力，導致結構抗震效果一般。例如，合理使用鉚釘可以提高結構的穩(wěn)定性，但在使用時要注意鉚釘?shù)馁|(zhì)量和規(guī)格。設計人員應注意抗震設計，不應將抗震設計與受力設計混為一談，提高安全意識，確保用戶有良好的體驗。

4.3防腐設計

由于鋼結構構件材料的特殊性，設計人員必須注意防腐設計。鋼結構的腐蝕主要有兩種類型，即電化學腐蝕和化學腐蝕。這兩種腐蝕都會嚴重影響鋼結構的穩(wěn)定性，因此設計人員必須做好防腐設計。防腐設計主要有兩種方法：1.使用防銹漆，降低鋼結構腐蝕的概率，控制鋼結構的腐蝕程度;2.定期對鋼結構進行檢查、維護和保養(yǎng)，及時發(fā)現(xiàn)鋼結構的腐蝕問題，并采取相應措施，采用永久涂裝方式，有效發(fā)揮防腐效果。鋼材的質(zhì)量也是造成鋼結構腐蝕的原因之一。因此，設計人員應提前做好對鋼材腐蝕效果的調(diào)查，綜合考慮施工現(xiàn)場的實際天氣情況，選擇合適的防腐方法。鋼材進場后，管理人員應做好質(zhì)量檢驗工作，避免因鋼材質(zhì)量問題而腐蝕，影響結構的穩(wěn)定性。

4.4注意鋼結構的詳細設計

詳細設計是決定鋼結構質(zhì)量的重要因素之一?？茖W的加工方法可以提高鋼結構的整體水平，保證鋼結構中關鍵點的安全穩(wěn)定。設計者應根據(jù)實際結構選擇合適的連接方式，避免連接部位因受力大而產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，影響整體結構的美觀性和穩(wěn)定性，造成結構存在安全隱患.因此，設計人員必須注意鋼結構的詳細設計，尤其是螺栓的使用和接頭的焊接工藝。要開展重點檢查，認真分析數(shù)據(jù)和相關系數(shù)，確保關節(jié)安全。為保證細節(jié)的處理符合相關要求，在鋼結構設計前，設計者必須分析節(jié)點的形式，確定節(jié)點的連接方式。在實際設計中，很容易出現(xiàn)結構細節(jié)設計與模型分析存在差異甚至完全不同的情況，嚴重影響鋼結構的穩(wěn)定性。因此，設計人員必須仔細檢查以防止這種情況發(fā)生。

4.5防火設計

對于防火設計，設計師可以從耐火材料和防火涂料兩個方面入手。設計人員應根據(jù)工業(yè)廠房的防火要求、防火等級和防火類型進行設計。在防火材料的選擇上，應選用硬質(zhì)材料，并在節(jié)點上涂抹防火材料，以提高節(jié)點的防火效果，保證鋼結構的防火效果符合要求。在鋼材的選擇上，設計師一定要了解市場和生產(chǎn)廠家，選擇質(zhì)優(yōu)價廉的產(chǎn)品，對產(chǎn)品質(zhì)量進行檢驗，確保符合防火要求。如果鋼材的耐火性不是特別好，可以選擇耐火材料。鋼結構中的吊頂是最容易引起火災的位置。設計者不僅要對壓型板進行防火處理，還要做好防腐工作，降低火災概率。消防設計完成后，要結合當?shù)氐南罉藴?，確認消防設計是否符合要求，保證鋼結構的整體消防水平。

5、安全技術策略

由于工業(yè)廠房鋼結構施工的復雜性，在施工過程中必須保證安全，否則安全事故的發(fā)生率會增加。因此，有關人員應做好鋼結構吊裝施工的安全技術管理工作。具體可以從以下五個方面入手。（1）頂梁組裝后，將安全鋼絲繩固定在頂梁上，防止安全事故的發(fā)生。（2）第一根屋梁完成后，用麻繩和索風繩固定，然后進行下一步施工。（3）在施工過程中，還需要做好梁腹板高度的管理，用螺栓固定頂梁，同時可以用角鋼制作的吊籃用于掛扣，一側螺栓擰緊后，讓2名施工人員抬起屋梁換面，另一面掛扣開始施工。施工過程中，施工人員應全程在防護鋼絲繩或頂梁上使用安全帶，不得直接系在吊籃上。（4）在拉、吊過程中，應觀察綁扎的牢固程度。上面的施工人員抓住檁條放在屋梁上后，地勤人員就可以松開繩索了。此外，可使用5～6m竹梯跨越4排檁條，避免檁條變形。同時，應注意防止滑倒。當一組支撐桿安裝完成后，需要將頂梁撤出，將主體橫向移動，然后進行施工工作。（5）鋼柱垂直度的校正。用兩臺經(jīng)緯儀同時觀察立柱的縱橫兩個軸。在調(diào)整過程中，可以使用千斤頂。如果鋼柱軸線觀察無誤，固定柱腳并緊固螺栓。安裝工作完成后，需要對鋼柱樓板下的孔隙進行灌漿填充。然后，檢查海拔和垂直度。如果標高和垂直度的偏差不符合設計規(guī)范的要求，應及時調(diào)整，以免對下道工序的安裝精度產(chǎn)生不良影響。

結語：

在建筑行業(yè)不斷發(fā)展的今天，鋼結構仍然是高層建筑中最常用的施工技術，不僅空間跨度大，安全便捷，而且抗震性高，施工周期短，能為建筑企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟價值。在鋼結構穩(wěn)定性的設計中，設計人員要根據(jù)工程的實際要求，對鋼結構進行全面的分析，采用合適的計算方法進行設計。在防火防震設計和細節(jié)的處理方面要更加細心，在材料的選擇上要注意質(zhì)量檢測，從根本上提高建筑物的穩(wěn)定性，為用戶帶來更牢固的居住場所和更好的生活體驗，為建筑工程的可持續(xù)發(fā)展做出更多的貢獻。工業(yè)廠房鋼結構吊裝工程施工存在一定的難度，其施工質(zhì)量直接關系到工程效益，因此，為保障工業(yè)廠房鋼結構吊裝工程施工質(zhì)量與施工需求相符，在實際施工中應根據(jù)實際情況，制訂科學合理的施工方案，并考慮多方面的因素，如質(zhì)量、效益等，相關人員應做好施工安全管理工作，為保障工業(yè)廠房鋼結構施工的安全施工奠定基礎。

參考文獻：

[1]鋼結構工程深化設計標準：T/CECS606-2019[S].北京中國計劃出版社，2019.

[2]蘇翠蘭.鋼結構詳圖設計快速入門-XSteel軟件實體操作指南與技巧[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程：JGJ99-2015[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[4]許偉江，余振權，傅蓉.TEKLA在多高層鋼結構中的運用淺談[J].建筑結構，2021，51（S1）：1422-142.

[5]喬霈，余振權，方都江堰九龍社區(qū)商業(yè)及配套設施項目節(jié)點驗算及深化設計智能化應用[J].建筑結構，2021，51（S1）：

2272-2276.