關(guān)于工業(yè)建筑輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的研究

王莎

（中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

新時(shí)期背景下，我國(guó)工業(yè)建筑工程施工逐漸向智能化、大型化、高層化趨勢(shì)發(fā)展，傳統(tǒng)水泥結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足需求，而輕鋼結(jié)構(gòu)作為新興技術(shù)，以其可塑性高、抗壓性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)受到了廣泛青睞，有效應(yīng)用不僅能夠減輕建筑體自重，且可以提高建筑的安全性和穩(wěn)定性。 輕鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為工業(yè)建筑施工中不可或缺的技術(shù)手段，已成為后續(xù)施工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的必然需求。

1 工業(yè)建筑輕鋼結(jié)構(gòu)概述

相較于混凝土的澆筑施工， 輕鋼結(jié)構(gòu)利用空間大、施工速度快，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)澆施工低效、污染等缺陷，且能夠結(jié)合實(shí)際調(diào)整強(qiáng)度，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在工程建設(shè)中。 該結(jié)構(gòu)在建設(shè)中應(yīng)用大量鋼制骨架、螺栓等，只需要簡(jiǎn)單地拼接組裝就能夠完成基礎(chǔ)建設(shè)工作， 將其應(yīng)用在一些工業(yè)建筑施工中，能夠有效縮短工程建設(shè)期限，且可以保證強(qiáng)度、空間符合使用需求[1]。

2 工業(yè)建筑輕鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析

工業(yè)建筑輕鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)、屋面結(jié)構(gòu)以及墻面結(jié)構(gòu)， 所有構(gòu)件都經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)，下面將進(jìn)行細(xì)致分析。

2.1 主結(jié)構(gòu)

輕鋼結(jié)構(gòu)的靈活性較強(qiáng)， 較比傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)，自重更輕、性能更加優(yōu)越，能夠結(jié)合相關(guān)技術(shù)措施應(yīng)用于各類建筑中。 從主結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，單跨柱腳可采用鉸接的方式，跨度控制在21～36 m；多跨考慮鋼架彎矩包絡(luò)圖確定鋼梁、鋼柱變截面大小和選擇拼接節(jié)點(diǎn)，結(jié)合主體要求設(shè)置搖擺柱，鋼架梁在反彎點(diǎn)附近進(jìn)行拼接，以此保證穩(wěn)定性[2]。

2.2 次結(jié)構(gòu)

輕鋼結(jié)構(gòu)的次結(jié)構(gòu)材料以冷彎薄壁型鋼等為主，在次結(jié)構(gòu)的檁條及墻梁設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)型式需要結(jié)合實(shí)際選擇。次結(jié)構(gòu)可以將其劃分為C 形或和Z形，其中C 形次結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支座，以冷彎薄壁型鋼再加上隅撐構(gòu)成， 應(yīng)用中剛度相對(duì)較低；Z 型則為連續(xù)支座，截面條件下承載力要大得多，跨度＞6 m 的檁條設(shè)置拉條，采用薄壁角鋼作拉條能起到很好的抗傾覆作用，設(shè)計(jì)中必須對(duì)此著重關(guān)注。

2.3 屋面系統(tǒng)

輕鋼結(jié)構(gòu)與普鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在差異性，限制條件存在很大的不同。在屋面系統(tǒng)中必須考慮荷載取值，為此需要預(yù)先對(duì)結(jié)構(gòu)變形以及長(zhǎng)細(xì)比例進(jìn)行計(jì)算，隨后確定屋面與整體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 輕鋼結(jié)構(gòu)屋面系統(tǒng)可以分為螺釘外露式、 暗扣式和鎖縫式，在實(shí)際應(yīng)用中可選擇厚0.6 mm 彩色復(fù)合壓型鋼板作為保溫防水層，鋼板下可以鋪設(shè)玻璃纖維承受屋面荷載，這一方式現(xiàn)已逐漸成為主流[3]。

2.4 墻面系統(tǒng)

墻面系統(tǒng)也是工業(yè)建筑輕鋼結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要按照相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程進(jìn)行工作開(kāi)展， 可以結(jié)合實(shí)際選擇壓型鋼板或復(fù)合板，從而確保設(shè)計(jì)的合理性。 壓型鋼板多為豎放，通常情況下需要在內(nèi)側(cè)加鋪一層內(nèi)板，可以放置纖維棉進(jìn)行保溫，整體的美觀性較好；復(fù)合板則多為橫放，需要在豎向連接處防水處理， 外墻面每隔6～9 m需要進(jìn)行豎向搭接，適合要求較高的工業(yè)建筑。

3 工業(yè)建筑輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則

3.1 適用原則

節(jié)點(diǎn)選擇要具有適用性，可以借助計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行模擬， 檢查設(shè)計(jì)方案是否符合工業(yè)建筑標(biāo)準(zhǔn)，隨后判斷具體的框架結(jié)構(gòu)，如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題則需要進(jìn)行優(yōu)化，保障后續(xù)投入使用能夠安全穩(wěn)定[4]。 同時(shí)，在設(shè)計(jì)中也需要考慮工業(yè)建筑使用期間的各項(xiàng)需求，包括設(shè)備擺放以及人員活動(dòng)等，且需要考慮采光性能等，在確定結(jié)構(gòu)形式后需要進(jìn)行設(shè)計(jì)核對(duì)，如發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域受力嚴(yán)重則需要增大材料強(qiáng)度，結(jié)合實(shí)際進(jìn)行加固處理，如結(jié)構(gòu)難以契合需求則需要改變結(jié)構(gòu)框架的形式。 工業(yè)建筑室內(nèi)空間大，輕鋼建筑框架要預(yù)留足夠多的通風(fēng)口，在關(guān)鍵位置設(shè)置通風(fēng)器；在考慮室內(nèi)光照強(qiáng)度時(shí)，可以選用隔熱建筑材料，分析后續(xù)所應(yīng)用材料的抗氧化能力，減少使用過(guò)程中熱量的堆積，避免出現(xiàn)不適用的情況。

3.2 安全原則

在設(shè)計(jì)中根據(jù)工業(yè)建筑特點(diǎn)，分析耐火等級(jí)以及抗震等級(jí)，多（單）層輕鋼結(jié)構(gòu)皆需要進(jìn)行防火及抗震設(shè)計(jì)。 涂料性能指標(biāo)必須滿足《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》；而抗震則需要滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。輕鋼結(jié)構(gòu)的工業(yè)建筑通車規(guī)模較大，在內(nèi)部除辦公區(qū)外還會(huì)設(shè)施辦公室、倉(cāng)庫(kù)等，外部會(huì)設(shè)置輔房，則空縫要采取封堵措施，材料需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行選擇，包括保溫板、防火板、密封膠等，確保工業(yè)建筑的整體質(zhì)量。

3.3 經(jīng)濟(jì)原則

在工業(yè)建筑輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，也需要考慮經(jīng)濟(jì)原則，根據(jù)生產(chǎn)的特點(diǎn)和企業(yè)的要求實(shí)施，在方案比較后得出最優(yōu)方案，其中包括項(xiàng)目選址、規(guī)劃位置、建筑材料、單體規(guī)模、建筑造型等，配合建筑、電、水、工藝、暖通，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的產(chǎn)品，在滿足規(guī)范要求的前提下盡可能節(jié)省資金消耗。

MS105型分析天平（梅特勒-托力多儀器上海有限公司）；EVOLUTION 260型紫外分光光度計(jì)（美國(guó) THERMO公司）；EPOCH 12型酶標(biāo)儀（美國(guó)BIOTEK公司）。

3.4 美觀原則

工業(yè)建筑工程也需要在設(shè)計(jì)中考慮美觀性，要求內(nèi)部空間充足、完整，結(jié)合樓層總高度、基層承載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)柱距離一般可以設(shè)置在8~9 m的范圍內(nèi)。工業(yè)建筑形體簡(jiǎn)潔、規(guī)格統(tǒng)一，根據(jù)其自身的特點(diǎn)設(shè)計(jì)可采用較少的外部裝飾與內(nèi)部裝飾，外墻板可以選擇氟碳涂層、高（低）波壓型彩鋼板、小型彩鋼等，結(jié)合實(shí)際考慮光影效果變化，使整體外觀效果進(jìn)一步提高。

4 工業(yè)建筑輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮的幾點(diǎn)問(wèn)題

4.1 活荷載取值

因GB 55001—2021《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》的要求，活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值均為0.5 KN/m2，如活荷載取值不合理，則容易給輕鋼結(jié)構(gòu)埋下安全隱患。 為此需要在設(shè)計(jì)中結(jié)合實(shí)際情況， 綜合考慮各種因素，按需要通過(guò)計(jì)算合理增大。 同時(shí)，還應(yīng)將懸掛荷載考慮到設(shè)計(jì)過(guò)程中， 可以按照活荷載≥0.4 KN/m2的懸掛荷載進(jìn)行計(jì)算取值。

4.2 體型系數(shù)

輕鋼結(jié)構(gòu)依托于受力構(gòu)件截面， 確定體型系數(shù)范疇，參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》考慮范圍，因風(fēng)荷載體型系數(shù)敏感性較大，在實(shí)際的輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以按照相應(yīng)情況對(duì)規(guī)范進(jìn)行選取， 當(dāng)跨高比L/H≤4時(shí)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》選用；跨高比L/H＞4 時(shí)，按《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄A 選取。

4.3 柱腳設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)輕鋼結(jié)構(gòu)時(shí)， 強(qiáng)度會(huì)隨柱腳發(fā)生改變，因此需嚴(yán)格控制鉸接柱腳的設(shè)置。應(yīng)結(jié)合柱頂位移需要增大梁柱斷面， 分析建筑高度和風(fēng)荷載的大小，通過(guò)設(shè)計(jì)將柱下端固定在基礎(chǔ)部分，增加與基礎(chǔ)的接觸面積，邊緣最小距離必須符合建設(shè)的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)荷載大小進(jìn)行放大或縮小，防止基礎(chǔ)柱腳因外在因素而破壞。

5 工業(yè)建筑輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體策略

5.1 支撐體系

將各個(gè)平面鋼架聯(lián)結(jié)， 為結(jié)構(gòu)提供側(cè)向支撐點(diǎn)，屋面布置應(yīng)與山墻抗風(fēng)柱的位置相協(xié)調(diào)，橫向水平支撐應(yīng)結(jié)合剛性系桿進(jìn)行考慮，并對(duì)檁條的剛度和承載力進(jìn)行驗(yàn)算，無(wú)法起到剛性直腹桿的作用時(shí)，在鋼架斜梁間設(shè)置H 形鋼或其他的截面形式，利用三點(diǎn)和架構(gòu)焊接的方式， 確保水平支撐力，整體支撐可利用輕質(zhì)的混凝土來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，這樣做可以有效降低荷載，從而滿足設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。

5.2 伸縮縫處理

縱向溫度伸縮可采用設(shè)置雙列柱的方法處理，在廠房中部選取一榀適當(dāng)?shù)匿摷?，將所有縱向構(gòu)件做成可滑動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)伸縮來(lái)釋放溫度應(yīng)力。 對(duì)于橫向超長(zhǎng)鋼架的溫度伸縮，則可以將其設(shè)置為雙柱，在柱頂設(shè)滑動(dòng)支座，考慮溫度應(yīng)力對(duì)鋼架的影響，如梁截面變化較大，需增加大量的屋面支撐，且在實(shí)際建設(shè)中需要綜合考慮到工期、 造價(jià)等因素，保證后續(xù)處理的效果。

5.3 隅撐設(shè)置

隅撐是保證斜梁下翼緣受壓穩(wěn)定的重要措施，在設(shè)計(jì)中需要考慮梁端負(fù)彎矩的范圍，與梁和檁條均采用單個(gè)螺栓連接，由此來(lái)形成對(duì)柱子的側(cè)向支撐。 為確保吊車梁對(duì)柱體的支撐效果，抗風(fēng)柱與鋼架斜梁下翼緣連接時(shí)，平面外計(jì)算長(zhǎng)度可取至少2倍隅撐間距， 連接處的斜梁下翼緣亦設(shè)置隅撐，減小邊柱在縱向扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

5.4 拉條設(shè)置

檁體系壓型鋼板輕型需要設(shè)置拉條， 當(dāng)檁條跨度＞4 m 時(shí)，應(yīng)在檁條跨中設(shè)置一道拉條；超過(guò)6 m 需要在整跨度的三分點(diǎn)處各設(shè)一道拉條，直徑≥10 mm。將圓鋼拉條設(shè)置在1/3 腹板高度范圍內(nèi)， 采用自攻螺釘直接與檁條連接，以此保證后續(xù)應(yīng)用的穩(wěn)定性。

5.5 結(jié)構(gòu)防護(hù)

（1）防火隔熱

雖然工業(yè)建筑輕鋼結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度與更高的可塑性，但整體的防火、隔熱能力較差，溫度在100 °C 以上時(shí)抗拉強(qiáng)度會(huì)緩慢下降， 達(dá)到300 °C時(shí)輕鋼材可能直接變形或損壞。為提高工業(yè)建筑投入使用后的安全性，在輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要結(jié)合建筑圖明確防火隔熱的實(shí)際需求，嚴(yán)格遵守國(guó)家的防火規(guī)范， 選擇上也要選擇符合質(zhì)量的防火涂料，保證防火隔熱設(shè)計(jì)的效果。

（2）自然腐蝕

輕鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕會(huì)造成鋼材構(gòu)件截面的減小，表面出現(xiàn)腐蝕繡，這樣的現(xiàn)象大大加重了工業(yè)建筑的安全隱患。輕鋼結(jié)構(gòu)在自然潮濕的環(huán)境下容易氧化，為防止鋼結(jié)構(gòu)的氧化腐蝕現(xiàn)象，延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)廠房的使用年限， 可以采用氧離子與鋼結(jié)構(gòu)相隔離，并采用防腐涂料進(jìn)行涂刷，在鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)時(shí)，考慮環(huán)境因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而減少鋼結(jié)構(gòu)的自然腐蝕現(xiàn)象。

5.6 梁柱截面節(jié)點(diǎn)

輕鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性在于它的變截面， 在設(shè)計(jì)時(shí)要充分利用變截面特點(diǎn)增加截面高度， 結(jié)合彎矩圖來(lái)選擇連接節(jié)點(diǎn)，一般選6～11 m 為宜。 梁柱接頭端板橫放時(shí)受力比較好， 設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮柱體的臨時(shí)支座，螺栓處在彎矩剪力最大的地方，最后對(duì)柱腳應(yīng)進(jìn)行抗剪驗(yàn)算，如參數(shù)不符則需要設(shè)置抗剪鍵。

6 結(jié)語(yǔ)

輕鋼結(jié)構(gòu)是建筑領(lǐng)域一種新型、 高效的施工工藝，能夠充分滿足新時(shí)期節(jié)約型社會(huì)建設(shè)需求，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。 在輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中， 應(yīng)嚴(yán)格按照和采用相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，緊跟時(shí)代步伐、堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的建筑，從而滿足后續(xù)實(shí)際應(yīng)用的要求。