多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

陳先河

皖創(chuàng)環(huán)保股份有限公司 安徽 合肥 230000

引言

隨著我國(guó)工業(yè)發(fā)展水平的提高和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，工業(yè)廠房的建設(shè)速度得到了很大的提高，這也為多層鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了新的機(jī)遇。根據(jù)多年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)，多層鋼結(jié)構(gòu)在材料應(yīng)用、施工便捷性、工程外觀、抗震和受力性能、造價(jià)和環(huán)境保護(hù)等方面都具有明顯的優(yōu)越性。

1 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.1 輕便型

對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則是以鋼材料為主，并不需要其他的材料。這種鋼材料在工業(yè)廠房里的重量相對(duì)較輕，可以極大地提高施工的效率。

1.2 周期較短

在工業(yè)廠房多層鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中，其周期較短，造成這種現(xiàn)象最大的原因是多層鋼結(jié)構(gòu)的使用特性。由于其在設(shè)計(jì)和施工中沒有比較復(fù)雜的建筑材料，只需使用鋼材料進(jìn)行搭接，所以其設(shè)計(jì)和施工更加方便。

1.3 層高比較突出

目前，我國(guó)工業(yè)廠房多層鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中仍有一些突出的問題。與傳統(tǒng)的住宅建筑相比，這種多層鋼結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房，往往會(huì)有4～8m的高度，差不多是普通建筑的兩倍。當(dāng)然，這與工業(yè)廠房本身的基本需求有著密切的聯(lián)系。

1.4 活載荷較大

在活荷載方面，其具有更好的工作性能。一般情況下的活荷載都可以達(dá)到2.5-20kN/m2，這就需要在設(shè)計(jì)時(shí)更加重視，以提高整體的可靠性和安全性。

1.5 懸掛載荷和集中載荷比較多

圖1 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房

由于多層鋼結(jié)構(gòu)的使用方式，其施工中需要進(jìn)行很多的懸掛、安裝等作業(yè)。由于這種懸掛裝置的存在，其承載力必須引起設(shè)計(jì)人員的高度關(guān)注，以防止這種載荷太大，同時(shí)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，從而保證整體多層鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于在實(shí)際的多層鋼結(jié)構(gòu)中，由于受機(jī)械設(shè)備的使用等因素影響，往往會(huì)產(chǎn)生較大的集中荷載，從而對(duì)其使用安全性產(chǎn)生一定的影響，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)高度關(guān)注這一問題[1-2]。

2 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)注意問題

2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算注意問題

在多層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用相應(yīng)的專用軟件和工具箱進(jìn)行構(gòu)件的計(jì)算，保證圖紙的精確性和完整性，為多層工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的參考。工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)計(jì)算的內(nèi)容很多，主要有：構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算、撓度計(jì)算、各部位荷載輸入、地基計(jì)算、廠房裂縫寬度計(jì)算。若不注意以上的計(jì)算，將造成工程后期的資料基礎(chǔ)不足，從而影響工程的施工質(zhì)量和安全。同時(shí)，要加強(qiáng)與其他有關(guān)專業(yè)人員的溝通，盡量減少施工上的沖突，以保證多層鋼結(jié)構(gòu)廠房的施工質(zhì)量和效率。

2.2 堅(jiān)持“四性”設(shè)計(jì)原則

“四性”的設(shè)計(jì)理念包括：經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、實(shí)用性、安全性[3]。企業(yè)通過(guò)增加生產(chǎn)效率來(lái)減少成本。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低成本費(fèi)用，就能提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。一些企業(yè)在進(jìn)行工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，往往容易被利益所吸引，過(guò)分注重經(jīng)濟(jì)效益而忽略了其實(shí)用性和安全性。在設(shè)計(jì)工業(yè)廠房時(shí)，必須結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、實(shí)用性、安全性等原則，以較低的造價(jià)進(jìn)行高實(shí)用性的廠房建設(shè)，保證其在工業(yè)生產(chǎn)中的作用。

3 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

多層鋼結(jié)構(gòu)廠房地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，主要有以下幾個(gè)方面：一是采用地基處理方法進(jìn)行地基加固。根據(jù)土質(zhì)的特性，采取不同的處理方法。例如：更換墊層、壓實(shí)填土、強(qiáng)夯等。地基處理后，必須滿足相應(yīng)的地基承載力、變形、穩(wěn)定性等方面的要求。二是選擇天然地基，樁基。在軸心荷載作用下，基礎(chǔ)基底表面的平均壓力低于修正后的地基承載力特征值。在偏心荷載作用下，還必須符合相關(guān)的公式。

3.2 結(jié)構(gòu)布置

在多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中，主要采用框架、支撐框架、框排架等多種形式?？蚣苄问降膹S房無(wú)柱間支撐，形成縱向和橫向交叉的剛接框架，梁和柱軸力彎矩大，梁、柱截面形式以H型鋼為主，耗鋼量大。適用于2～4層多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，設(shè)備數(shù)量少，操作總重量輕；采用支承框架的廠房，其縱向和橫向結(jié)構(gòu)通常都有支承，其承受設(shè)備和地震時(shí)的大部分水平力，而與支承結(jié)構(gòu)連接的柱，其柱彎矩減小，整體柱段截面減小，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益?？蚺偶芙Y(jié)構(gòu)的廠房，因工藝等方面的特殊需要，將頂層中間柱去掉，短向柱網(wǎng)跨度大，屋頂梁為鋼屋架，鋼屋架與柱端鉸接，同時(shí)屋面自重較輕，適用于屋面有吊車荷載的情況，節(jié)約頂層中間柱的用鋼量，經(jīng)濟(jì)效益顯著[4]。

3.3 設(shè)備布置

在多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中，也應(yīng)注意設(shè)備的布置問題，其布置要點(diǎn)是：一是當(dāng)設(shè)備的工作總重量由地基基礎(chǔ)承擔(dān)，設(shè)備跨越樓層時(shí)，廠房樓層必須進(jìn)行開洞處理。設(shè)備與樓層封邊鋼梁的縫寬，應(yīng)大于設(shè)備熱膨脹所需的最小距離；二是應(yīng)盡可能將大型設(shè)備設(shè)置在底層；降低因重心太高而引起的額外彎矩。三是廠房的長(zhǎng)度超限，如運(yùn)輸機(jī)、管線等長(zhǎng)條設(shè)備，如需跨越抗震縫，則在防震縫的一部分上設(shè)滑動(dòng)支撐，并使其位移符合設(shè)備的變形；四是塔架和冷換裝置要按實(shí)際情況進(jìn)行架設(shè)。各樓層都需要在對(duì)應(yīng)位置安裝水平支撐，以增加結(jié)構(gòu)的平面剛度。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的抗震性能和構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的抗震性能檢驗(yàn)，應(yīng)按照《抗規(guī)》附錄 H.2.6、H.2.7中的規(guī)定進(jìn)行。同時(shí)，還能滿足構(gòu)造的相關(guān)要求。

3.5 支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要確保所有的生產(chǎn)作業(yè)正常進(jìn)行，并注重基礎(chǔ)的豎向支撐和節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。由于不同節(jié)點(diǎn)所處的位置和所承受的載荷也不一樣，因此必須從全局的角度出發(fā)，從整體到局部設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)符合相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。具體的豎向支撐設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)跨度、層高、管線設(shè)備等條件選用人字、交叉或單斜桿等支撐形式。若設(shè)備的實(shí)際到貨與圖紙不符，則由業(yè)主或施工人員變更設(shè)計(jì)，豎向支承的形式和位置可調(diào)整，并增設(shè)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，保證工業(yè)廠房施工的安全性。

3.6 柱網(wǎng)與樓蓋設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)柱網(wǎng)布局時(shí)，必須考慮正常使用需求和生產(chǎn)工藝，以保證設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、實(shí)用性和安全性。在方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員要對(duì)管道的情況進(jìn)行深入的分析，在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)要注意施工技術(shù)等方面的問題，以確保設(shè)計(jì)方案的合理性和可執(zhí)行性。在多層鋼結(jié)構(gòu)廠房的樓蓋設(shè)計(jì)中，應(yīng)確保其足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以防止失穩(wěn)破壞。在選取鋼鋪面作為樓蓋類型時(shí)，應(yīng)按不同水平荷載、垂直荷載、跨距設(shè)計(jì)檁條拉條等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

3.7 變形縫設(shè)計(jì)

多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的變形縫的設(shè)計(jì)，包括沉降縫、伸縮縫和防震縫。由于廠房的長(zhǎng)寬較大，溫差大，容易產(chǎn)生裂縫，因此，為防止屋面、墻面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)因內(nèi)外溫差的影響而產(chǎn)生裂縫，應(yīng)設(shè)置伸縮縫。通常，多層鋼結(jié)構(gòu)廠房不需要設(shè)置沉降縫，在廠房相鄰兩個(gè)部分間的高度差超過(guò)規(guī)范限制，或者是地基承載能力相差很大時(shí)，應(yīng)設(shè)置沉降縫。如果廠房某一方向或兩個(gè)方向都超過(guò)了限值，且結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，則應(yīng)在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置防震縫。防震縫的寬度必須符合最小的抗震規(guī)范規(guī)定。

3.8 協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)

在多層鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)和工藝的協(xié)調(diào)是其設(shè)計(jì)的核心，兩者具有一定的交互作用。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，要考慮到產(chǎn)能與工藝的需求，以確保高產(chǎn)量。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的了解，例如：設(shè)備承載能力等。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，如果忽略了兩者之間的協(xié)調(diào)，不但不能充分利用工業(yè)廠房的功能，而且會(huì)導(dǎo)致使用矛盾的加劇。

3.9 吊車梁設(shè)計(jì)以及暖通開洞處理方式

第一，吊車梁的截面形式：工業(yè)廠房的柱網(wǎng)，一般根據(jù)工藝布局來(lái)確定。工業(yè)廠房規(guī)模、柱距等工藝布局。工業(yè)廠房頂層排架柱的標(biāo)準(zhǔn)柱距為15～24m。按跨度、荷載大小選用不同的吊車梁。吊車與屋面之間的間距應(yīng)與吊車作業(yè)的安全高度相適應(yīng)。

圖2 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房吊車施工

第二，多層鋼結(jié)構(gòu)廠房屋頂彩鋼板孔處理，因暖通專業(yè)的通風(fēng)需要，設(shè)有多條通風(fēng)管，并從屋面穿過(guò)，屋面檁條布置應(yīng)考慮到多孔的不利影響，在短側(cè)或三側(cè)用槽鋼封閉?？锥吹闹車惨M(jìn)行翻邊，以避免雨水的倒灌。

4 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房施工設(shè)計(jì)質(zhì)量控制

4.1 確保后續(xù)工程的施工質(zhì)量

在建筑施工的初期階段，既要嚴(yán)格審核鋼結(jié)構(gòu)的施工組織設(shè)計(jì)，又要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的整改，并保證其質(zhì)量。針對(duì)高層建筑，在鋼結(jié)構(gòu)施工中，應(yīng)選用混凝土獨(dú)柱作為基礎(chǔ)，以保證整體質(zhì)量，在基礎(chǔ)工程中應(yīng)嚴(yán)格控制以下幾個(gè)因素：混凝土基礎(chǔ)軸線、頂面標(biāo)高、鋼板定位螺栓孔、螺栓定位螺栓的位置及數(shù)目。施工物料的進(jìn)入和堆放要嚴(yán)格按既定的進(jìn)度進(jìn)行，在進(jìn)行地基工程時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)指導(dǎo)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，以保證施工的正常進(jìn)行。

4.2 施工時(shí)要嚴(yán)格根據(jù)制定的方案進(jìn)行施工

如有施工上的問題或設(shè)計(jì)上的問題，應(yīng)及時(shí)與業(yè)主協(xié)商，并在問題得到解決后繼續(xù)進(jìn)行。施工技術(shù)人員不但要明白每個(gè)工藝的重要意義，更要對(duì)其有深入的認(rèn)識(shí)和掌握。為保證工程材料的質(zhì)量，在進(jìn)場(chǎng)時(shí)要進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)和取樣，并對(duì)材料進(jìn)行焊接前的焊接工藝進(jìn)行嚴(yán)格的評(píng)估，并根據(jù)不同的母材強(qiáng)度選用適當(dāng)?shù)暮噶稀?/p>

4.3 在安裝現(xiàn)場(chǎng)需要加強(qiáng)對(duì)成品的保護(hù)力度

確保大型部件不會(huì)掉落地面，并確保到達(dá)后組裝，并能及時(shí)進(jìn)行裝配。進(jìn)一步縮短施工周期，防止鋼結(jié)構(gòu)部件二次污染的發(fā)生。為小型部件的堆放提供空間，保證部件不與地面直接接觸。采用木方墊料方法，保證兩個(gè)以上的墊腳點(diǎn)。同時(shí)，要加強(qiáng)施工工人的安全意識(shí)和安全教育，要在工地上安裝各種安全警示標(biāo)語(yǔ)、安裝設(shè)備，并在重點(diǎn)部位設(shè)立安全標(biāo)志，注意工地和工地的防火標(biāo)識(shí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，多層鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用是有很大的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值的，而這些優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮，無(wú)疑會(huì)極大地提高這種多層鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。然而，在多層鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用中，仍有許多問題。特別是在相應(yīng)的設(shè)計(jì)中，有很多的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和需要考慮的問題。只有將這些重點(diǎn)都掌握在自己的手中，才能將它的作用發(fā)揮到最大，而且還能防止在以后的使用中出現(xiàn)安全問題。