淺談當前工業(yè)廠房的輕鋼結構設計
摘要：輕型鋼結構房屋在我國的應用大約始于20世紀80年代，近十多年來得到迅速的發(fā)展。目前，在我國每年都有上千萬平方米的輕鋼結構工程，主要用于輕型的廠房、倉庫、體育館、展覽廳及活動房屋、加層建筑等。作為一個結構設計人員應該緊跟時代的步伐，熟練掌握輕鋼結構的設計。然而，在實際工程應用中，尤其是進入市場經濟以后，業(yè)主常常對設計時間要求很緊，而且對用鋼量要求很嚴，設計中難免會出現(xiàn)一些問題。文中通過對以往設計經驗的總結，以下就這一問題進行闡述。
關鍵詞：輕鋼結構，建筑系統(tǒng)，結構設計，門式剛架，伸縮
0 引言
近年來輕型鋼結構在工程上應用越來越廣泛。輕型鋼結構是在普通鋼結構的基礎上發(fā)展起來的一種新型結構形式，它包括所有輕型屋面、支撐系統(tǒng)及鋼骨架。與普通鋼結構相比，輕型鋼結構有較好的經濟指標，不僅自重輕、鋼材用量省、施工速度快，而且它本身具有較強的抗震能力，并能提高整個房屋的綜合抗震性能。輕鋼結構形式較簡單，設計計算并不復雜，在設計中主要解決的是怎樣既節(jié)省材料又便于安裝，同時要保證安全、實用、美觀，在設計中把兩者有機的結臺起來，盡力遵守經濟、美觀、安全、便于施工及實用的原則。
1輕鋼結構建筑系統(tǒng)
輕鋼建筑系統(tǒng)包括主次結構、屋面墻面等圍護結構、通風采光、開洞甚至管線懸掛等。所有構件都經過預先設計在工廠加工好，然后運到工地現(xiàn)場安裝，這樣可大大加快施工進度和施工精度。
1.1主結構的受力特點
單層門式剛架輕鋼結構在柱腳變形要求不高的情況下可采用鉸接，經濟的跨度是21 m～36 m。多跨剛架的中柱多采用上下端均為鉸接的搖擺柱，主剛架受力狀態(tài)與連梁相似，稱為連梁式門式剛架。剛架在設計時要考慮剛架彎矩包絡圖來變截面和選擇拼接節(jié)點，剛架梁在反彎點附近拼接。
1.2次結構的特點
次結構指屋面檁條及墻梁，分為兩大類，由C形或z形冷彎薄壁型鋼再加上隅撐構成。C形次結構，一般支座簡支，而Z形次結構支座連續(xù)，連續(xù)支座在同等截面條件下承載力要大得多，剛度也大得多，因此是一個較好的做法。規(guī)范規(guī)定跨度大于6 m的檁條要設拉條，有的公司采用薄壁角鋼作拉條，這種拉條不但能起到很好的抗傾覆作用，對保溫棉也起到一定的支撐作用，外觀整齊，檁條定位準確，便于屋面板安裝。
1.3屋面系統(tǒng)
輕鋼結構的屋面做法有兩類：1)采用彩色復合壓型鋼板作為屋面的保溫防水層。2)采用厚0.6 mm壓型鋼板防水并承受屋面荷載，鋼板下鋪設玻璃纖維保溫。由于造價較低、構造簡單，后一類是主流產品。按構造做法，屋面分為螺釘外露式、暗扣式和鎖縫式。
1.4墻面系統(tǒng)
墻面系統(tǒng)也分兩類：1)壓型鋼板，玻璃纖維棉保溫，多數情況下，再鋪一層內板，保護保溫棉并起到美觀作用，板多為豎放。2)復合板，板多為橫放，其構造復雜，造價較高，適合要求較高的廠房、商場及辦公用房。復合板構造的核心問題是如何解決好連接處的防水以及板的防火、保溫問題。多數橫板在豎向連接處防水處理得較好，而橫向連接處不易處理，只有加防水壓條，使外墻面每隔6 m～9 m就有一道豎向鋼板條而影響美觀。
2輕鋼建筑系統(tǒng)的設計
2.1建筑設計
建筑平面設計中如柱網的確定、交通通道布置一定要與廠家配合，廠家的工藝布置要求柱網與他們的產品相配合。輕鋼結構支撐是極其重要構件，常常設計成x形，布置通道、門、窗時要考慮這些支撐是否有影響。建筑立面設計要考慮輕鋼結構的特點，墻面是靠墻梁來傳力，盡量避免設計大曲率弧形而破壞傳力途徑，而且以目前國內的加工和安裝水平，弧形很難達到讓人滿意的效果，造價也高。
2.2結構設計
1)支撐體系
支撐體系的主要作用是：將各個平面剛架聯(lián)結組成具有空間剛度和穩(wěn)定的整體結構;為結構和構件的平面外整體穩(wěn)定提供側向支撐點;明確、合理、簡捷地傳遞風力、溫度應力、地震力以及吊車縱向水平力等縱向荷載。屋面支撐的布置應與山墻抗風柱的位置相協(xié)調，使抗風柱的柱頂反力直接傳到屋面橫向支撐的節(jié)點上。屋面橫向水平支撐的直腹桿(包括屋脊處和柱頂處)應按剛性系桿考慮，采用檁條兼做時，應對檁條的剛度和承載力進行驗算。當檁條無法起到剛性直腹桿的作用時，通常應在屋脊處、柱頂處以及屋面設置橫向水平支撐直腹桿，在剛架斜梁間設置鋼管、H形鋼或其他截面形式的剛性桿件，以保證房屋縱向結構安全可靠地工作。
帶吊車的工程由于廠房較高、剛架構件截面剛度較大，次構件剛度不足以約束主構件，對于所有的柱間支撐均采用了較強的角鋼支撐。
2)縱橫向溫度伸縮縫的處理
對于縱向溫度伸縮縫通�？刹捎迷O置雙列柱的方法處理，也可采用一種單柱的處理方法。首先在廠房中部選取一榀適當的剛架，通過這榀剛架將廠房分為兩部分，然后將任一部分上的所有縱向構件與該榀剛架的連接節(jié)點都做成可滑動的節(jié)點，同時將剛架上的屋面板、墻面板也處理成可以伸縮的構造，整個廠房結構在工作時可通過這些節(jié)點構造的滑動伸縮來釋放溫度應力。與該榀剛架相連的縱向構件主要有檁條、墻梁、吊車梁等構件，這些構件與剛架的連接節(jié)點采用開長圓孔的做法。由于屋面、墻面圍護板均為彩色壓型鋼板，其自身的變形能力強，吊車梁系統(tǒng)已考慮縱向伸縮，采用在構件上開長圓孔的做法可以滿足節(jié)點有足夠的滑動能力。
對于橫向超長剛架的溫度伸縮問題可以考慮以下3種處理方案：
a.在適當的位置設置雙柱，將一榀剛架分為兩榀剛架，使每榀剛架的長度小于規(guī)程要求的橫向溫度區(qū)段的長度;
b.在柱頂或梁中適當的位置設滑動支座，用以消除溫度應力;
c.對剛架不做處理，在剛架計算時進行溫度應力計算，考慮溫度應力對剛架的影響。
對以上3種方案的計算分析比較可知：第一種設置雙柱的方法由于雙柱的設置大大削弱了剛架的剛度，使得剛架側移加大，剛架梁柱截面加大，使用鋼量增加，基礎費用也相應增加。對于第二種設置滑動支座的處理方案考慮了以下兩種情況，一種是將支座設置在柱頂，另一種是將支座設置在梁中反彎點處，這兩種情況就側移和用鋼量而言比第一種處理方案要好，但是也存在以下不利因素：梁截面變化較大，滑動支座難以實現(xiàn)，需增加大量的屋面支撐。在保證安全可靠的前提下，綜合考慮到工期、造價等因素，相對來說還是第三種方案較好，即通過對剛架進行溫度應力計算來考慮溫度作用。
3)隅撐的設置
隅撐是用來保證斜梁下翼緣或剛架柱內側翼緣受壓穩(wěn)定的重要措施。隅撐按以下原則來布置：在每跨靠近梁端的負彎矩范圍內連續(xù)兩根檁條下設置隅撐，其他地方每間隔一根檁條設置隅撐。隅撐成對布置，與梁和檁條均采用單個螺栓連接。梁的平面外計算長度可取隅撐間距。帶吊車廠房為確保吊車梁對柱子的支撐效果，在邊柱的吊車梁上翼緣設置了隅撐。由此來形成對柱子的側向支撐，同時大大減小了邊柱在縱向剎車力作用下的扭轉效應。當山墻抗風柱與剛架斜梁下翼緣連接時，連接處的斜梁下翼緣亦設置隅撐。
4)拉條的設置
對于有檁體系的壓型鋼板輕型屋面，為了減少檁條在使用階段和施工過程中的側向變形和扭轉，通常在檁條間設置拉條(包括斜拉條和撐桿，以下同)作為檁條的側向支點，以保證檁條的側向穩(wěn)定。當檁條跨度大于4 m時，應在檁條跨中設置一道拉條;當檁條跨度大于6 m時，應在檁條跨度三分點處各設一道拉條。拉條按拉桿設計，當采用圓鋼時直徑不宜小于lO mm。撐桿按壓桿設計，多采用鋼管或角鋼制作。圓鋼拉條通常設置在距檁條上翼緣l/3腹板高度范圍內。當風吸力作用下檁條下翼緣受壓時，屋面板宜采用自攻螺釘直接與檁條連接，拉條則宜設在檁條下翼緣附近;當屋面采用扣合式或咬合式鋼板時，宜分別在距檁條上下翼緣1/3腹板高度范圍內同時設置拉條。
5)梁柱截面及節(jié)點的設計
輕鋼結構的經濟性在于它的變截面，變截面設計也取決于工廠的加工能力。設計人員在設計時要充分利用變截面特點合理設計截面，影響H形截面抗彎能力的因素有截面高度、翼緣寬度和翼緣厚度。增加截面高度是提高截面抗彎能力最有效的方法，由于輕鋼結構腹板都很薄，用鋼量增加不多，但抗彎能力增加很多。經濟的設計不但要變截面高度，更重要的是要變翼緣的寬度、厚度及腹板的厚度。
主結構制作單元的選擇也是非常重要的，要根據彎矩圖來選擇連接節(jié)點，在受力較小的部位拼接，為便于運輸，制作單元不宜出現(xiàn)超長構件.一般選6 m～11 m為宜。解決節(jié)點抗彎問題，螺栓布置要盡量靠外側，以提供較大抵抗力矩。梁柱接頭設計，端板橫放是受力比較好、易于加工的一種.充分利用墻梁空間加大力臂，提高抗彎能力，安裝時，柱提供臨時支座，以便于對正螺孔和安裝螺栓;端板斜放是受力最好的一種，對角線提供了最大力臂，但加工精度要求高;端板豎放除柱翼板要拼接外，螺栓處在彎矩剪力最大的地方，受彎矩和剪力共同作用。安裝也不便。最后還要指出一點，對柱腳應進行抗剪驗算(特別是有柱問支撐的柱腳)，當抗剪不足時，應設置抗剪鍵。
6)鋼結構的防護
建筑鋼結構的防護主要包括兩個方面，即防腐蝕和防火及隔熱。GB 50017.2003鋼結構設計規(guī)范把鋼結構的防護列為強制性條文，要求在設計文件中注明所要求的鋼材除銹等級和涂料及涂層厚度;柱腳在地面以下的部分應采用混凝土包裹，受侵蝕作用的柱腳不宜埋入地下;鋼結構構件的防火保護層厚度應根據建筑物的耐火等級和構件的不同耐火極限進行設計;受高溫作用的結構，應根據不同情況采取相應的隔熱防護措施。
