【摘要】：文章結(jié)合工程實(shí)踐針對(duì)普通鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題進(jìn)行了分析和探討，包括鋼材的保溫隔熱與防火、結(jié)構(gòu)整體計(jì)算等，以便對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】：鋼結(jié)構(gòu);廠房設(shè)計(jì);注意問題

引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用，扮演著越來越重要的角色，無論在工業(yè)還是民用建筑中，鋼結(jié)構(gòu)以其突出的特點(diǎn)迅速地占領(lǐng)著越來越廣的市場(chǎng)。其特點(diǎn)有：其整體剛度和抗震性能好、施工速度快、自重輕、承載力高，在大跨度及超高層建筑中代替了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但也存在著防火性能差、易腐蝕等缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中根據(jù)其特點(diǎn)揚(yáng)長(zhǎng)避短才能更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的作用，現(xiàn)在就鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題作簡(jiǎn)單闡述。

1鋼材的保溫隔熱與防火

鋼材具有很高的導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)為50w(m.℃)，當(dāng)受熱達(dá)到100℃以上時(shí)，其抗拉強(qiáng)度就會(huì)降低，塑性增大;溫度達(dá)到250℃時(shí)，鋼材抗拉強(qiáng)度會(huì)稍提高，但塑性卻降低，出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象;溫度達(dá)到500℃時(shí)，鋼材強(qiáng)度降至很低，會(huì)致使鋼結(jié)構(gòu)塌落。所以當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度達(dá)到150℃以上時(shí)，就必須做隔熱防火設(shè)計(jì)。其做法一般為：鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)包耐火磚、混凝土或硬質(zhì)防火板材�；蛘咪摻Y(jié)構(gòu)刷厚涂型防火涂料，厚度按《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料技術(shù)規(guī)程》計(jì)算。

2結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

目前的結(jié)構(gòu)計(jì)算基本上都采用計(jì)算軟件來進(jìn)行，對(duì)軟件的不理解和不熟悉都會(huì)造成設(shè)計(jì)上的不合理，甚至不安全。這里針對(duì)以下幾個(gè)容易出錯(cuò)的問題進(jìn)行探討。

2.1荷載問題

荷載的取值對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算影響較大，取小了不安全，取大了不經(jīng)濟(jì)，尤其對(duì)于大跨度輕型屋面結(jié)構(gòu)。荷載取值應(yīng)按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行。一般情況下屋面恒載應(yīng)按照實(shí)際情況計(jì)算取值，屋面活荷載可取O.5kN/m：，風(fēng)荷載、雪荷載和積灰荷載等按規(guī)范，其他附加荷載應(yīng)按實(shí)際情況輸入。需要說明的是，屋面活荷載和雪荷載在計(jì)算時(shí)應(yīng)取二者的大值作為活荷載輸入，有積灰的還應(yīng)考慮積灰荷載。廠房屋面的通風(fēng)器由于其高度和寬度都較大，計(jì)算時(shí)應(yīng)按照實(shí)際情況轉(zhuǎn)化為集中載荷輸入。在廠房的高低屋面處，還應(yīng)考慮積雪的堆積影響，防止由此產(chǎn)生的屋面結(jié)構(gòu)的破壞。同樣局部風(fēng)荷載的增大也會(huì)使屋面板和檁條的連接被撕壞，從而將屋面板掀起來。

2.2結(jié)構(gòu)計(jì)算

目前的鋼結(jié)構(gòu)廠房的計(jì)算多采用二維軟件對(duì)其中的—榀鋼架進(jìn)行計(jì)算，整體三維分析仍然不夠成熟方便。此處對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)的幾個(gè)問題進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

1)屋面梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度可取隅撐的間距，一般對(duì)有托梁體系的小檁距屋面可取兩個(gè)檁條的間距(約3m)，對(duì)無托梁的大檁距屋面可取檁條間距(約4m)。對(duì)重型鋼結(jié)構(gòu)廠房，柱子的平面外計(jì)算長(zhǎng)度不應(yīng)考慮隅撐的作用，尤其是格構(gòu)式下柱，否則是不安全的。

2)階形柱的平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度應(yīng)該按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[21確定，按線剛度比來確定會(huì)導(dǎo)致部分中柱確定的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)異常。用PKPM系列軟件STS(05版)對(duì)某工程進(jìn)行計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)柱段中間出現(xiàn)剛接梁(如高低跨情況)，程序就按線剛度比確定柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，導(dǎo)致該柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)特別異常。新版的PKPM(08版)已改為按照階形柱的方式來確定柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，但仍可以人工按照線剛度比的結(jié)果進(jìn)行修改。筆者認(rèn)為，對(duì)于階形柱，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》階形柱來確定柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)更合理一些。

3)用STS軟件計(jì)算廠房柱，荷載組合中沒有單獨(dú)的恒+活+吊車的組合，有吊車的組合都有風(fēng)，有時(shí)風(fēng)作用是有利的，因此在吊車荷載與風(fēng)荷載同時(shí)組合時(shí)，對(duì)于吊車為主的組合，判斷了一下風(fēng)載是有利還是不利的，不利時(shí)，考慮與吊車進(jìn)行組合，有利時(shí)可以不考慮風(fēng)荷載。STS(05版)對(duì)是否有利是按M、Ⅳ、y各自分別判斷的，因此可能會(huì)出現(xiàn)M含有風(fēng)的組合，Ⅳ則沒有風(fēng)的組合的不合理情況，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大;STS(08版)改進(jìn)為：根據(jù)組合的吊車主控制項(xiàng)：如吊1的組合為M。主導(dǎo)作用的組合，則判斷風(fēng)載是否不利只根據(jù)M項(xiàng)來判斷，當(dāng)為不利時(shí)，則同時(shí)都把風(fēng)載肘、Ⅳ、y組合進(jìn)來，保證是同時(shí)發(fā)生的，STS(08版)這樣組合更合理。

2.3構(gòu)件的局部穩(wěn)定

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，處理板件局部穩(wěn)定有兩種方式，其一是以屈曲為承載能力的極限狀態(tài)，并通過對(duì)板件寬厚比的限制，使之不在構(gòu)件整體失效之前屈曲;其二是允許板件在構(gòu)件整體失效之前屈曲，并利用其屈曲后強(qiáng)度，構(gòu)件的承載能力由局部屈曲后的有效截面確定�！督ㄖ�抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)單層廠房柱、梁的板件寬厚比，較《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的靜力彈性設(shè)計(jì)要求嚴(yán)。對(duì)按寬厚比限值設(shè)計(jì)的梁進(jìn)行的粗略統(tǒng)計(jì)表明，腹板的用鋼量占梁整體用鋼量的50%—70%。因此有必要采取措施來減少腹板的用鋼量。

降低腹板的厚度—般有兩種方法。—種是設(shè)置合適的加勁肋，加勁肋作為腹板的支承，將腹板分段，以提高臨界應(yīng)力。橫向加勁肋能提高腹板的臨界應(yīng)力并作為縱向加勁肋的支承，縱向加勁肋對(duì)提高彎曲臨界應(yīng)力特別有效。短加勁肋常用于局部壓應(yīng)力較大的情況�！督ㄖ�抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中也提出構(gòu)件的腹板寬厚比可通過設(shè)置縱向加勁肋來減小。

另一種降低構(gòu)件腹板厚度的方法是適當(dāng)放松寬厚比限值，并利用腹板屈曲后強(qiáng)度。對(duì)多數(shù)輕型維護(hù)結(jié)構(gòu)的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算表明，地震組合多數(shù)情況下對(duì)梁柱受力都不起控制作用，尤其是在地震烈度較低的地區(qū)。有文獻(xiàn)提出即，可偏于安全地根據(jù)偶遇地震組合是否控制剛架構(gòu)件受力作為選擇構(gòu)件截面板件寬厚比限值的判斷準(zhǔn)則。實(shí)際上根據(jù)大多數(shù)廠房的設(shè)計(jì)計(jì)算得出，重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的屋面梁多由撓度控制，廠房柱多由剛度和長(zhǎng)細(xì)比控制，尤其屋面梁一般應(yīng)力都比較小。因此對(duì)于地震組合不起控制作用時(shí)，采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中彈性階段設(shè)計(jì)的板件寬厚比限值也是可行的。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)卣鸾M合不起控制作用時(shí)，建議按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮屈曲后強(qiáng)度的利用，可不遵守《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中單層鋼結(jié)構(gòu)廠房板件寬厚比限值的要求。當(dāng)?shù)卣鸾M合起控制作用時(shí)，可根據(jù)設(shè)置合適的加勁肋來減小腹板厚度，有時(shí)也能起到很好的經(jīng)濟(jì)效益。

3溫度伸縮縫的設(shè)置

溫度變化將引起鋼結(jié)構(gòu)廠房的變形，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)廠房平面尺度較大時(shí)，為避免產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，應(yīng)在廠房縱橫兩個(gè)方向設(shè)置溫度伸縮縫，區(qū)段的長(zhǎng)度可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范來執(zhí)行。溫度伸縮縫一般采用設(shè)置雙柱的方法來處理，對(duì)縱向溫度伸縮縫可在屋架支座處設(shè)置滾動(dòng)支座。

4屋面支撐系統(tǒng)及屋面設(shè)計(jì)

屋蓋支撐系統(tǒng)的布置應(yīng)根據(jù)廠房跨度、高度、柱網(wǎng)布置、屋蓋結(jié)構(gòu)形式、吊車噸位和所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度等條件來決定。一般情況下無論有檁或無檁體系的屋蓋結(jié)構(gòu)均應(yīng)設(shè)置垂直支撐;在無檁體系中，大型屋面板有三點(diǎn)和屋架焊接，可起到上弦支撐作用，但考慮到施工條件的限制和安裝需要。無論有檁或無檁體系屋蓋均應(yīng)在屋架上弦和天窗架上弦設(shè)置上弦橫向支撐。對(duì)于屋架間距不小于12m的廠房或廠房?jī)?nèi)設(shè)有特重級(jí)橋式吊車或廠房?jī)?nèi)有較大振動(dòng)設(shè)備的均應(yīng)設(shè)置縱向水平支撐。

屋面的排水及防水設(shè)計(jì)在屋面設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮，根據(jù)《屋面工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，屋面坡度最小為5%，在積雪較大的地區(qū)，坡度應(yīng)適當(dāng)加大。單坡屋面的長(zhǎng)度主要取決于所在地區(qū)的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，單坡屋面長(zhǎng)度宜控制在70m以內(nèi)。

目前，市場(chǎng)上鋼結(jié)構(gòu)屋面的做法常用的有兩種：①剛性屋面：雙層彩色壓型鋼板內(nèi)夾保溫棉;②復(fù)合柔性屋面：由屋面彩鋼板內(nèi)板、隔氣層、保溫層、卷材防水層組成。

5立面設(shè)計(jì)

輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑主要有把握以下4個(gè)方面的特征：規(guī)模、線條、色彩、變化。

鋼結(jié)構(gòu)廠房的立面主要由工藝布置來決定，在滿足工藝的要求下力求立面簡(jiǎn)潔恢宏同時(shí)使節(jié)點(diǎn)盡量簡(jiǎn)單統(tǒng)一。彩色壓型鋼板使得輕鋼廠房的建筑表現(xiàn)得體形輕盈色彩豐富，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉重單一。在輕鋼廠房的設(shè)計(jì)中常采用跳躍性色彩和冷色調(diào)，重點(diǎn)突出主要出入口、外天溝、收邊泛水等地方，既體現(xiàn)了現(xiàn)代化廠房的恢宏氣勢(shì)，又豐富了立面效果。

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廠房，外墻維護(hù)為磚砌體，外裝修為涂料或面磚，輔以色帶，由于混凝土屋面設(shè)置采光窗效果不理想，設(shè)計(jì)時(shí)通常在墻面設(shè)置大量的采光窗。但對(duì)于維護(hù)墻為彩色壓型鋼板的鋼結(jié)構(gòu)廠房來說則不然。線條是表現(xiàn)輕鋼結(jié)構(gòu)建筑風(fēng)格最獨(dú)特的特征，均勻的線條或橫或豎，使得輕鋼結(jié)構(gòu)建筑富有流暢的金屬質(zhì)感，體現(xiàn)了強(qiáng)烈的現(xiàn)代工業(yè)氣息。若在墻面設(shè)置大量采光窗，則破壞了墻面的線條造型，同時(shí)，輕鋼結(jié)構(gòu)屋面可以大量使用屋面采光板，采光均勻，同時(shí)兼可解決廠房通風(fēng)問題。

6防銹處理

鋼結(jié)構(gòu)表面直接暴露在大氣中就會(huì)銹蝕，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)廠房空氣中有侵蝕性介質(zhì)或鋼結(jié)構(gòu)處在潮濕環(huán)境中時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)廠房銹蝕就會(huì)更加明顯和嚴(yán)重。鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕不僅會(huì)使構(gòu)件截面減小，還會(huì)使鋼構(gòu)件表層局部產(chǎn)生銹坑，當(dāng)構(gòu)件受力時(shí)將引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)過早破壞。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房構(gòu)件的防銹蝕問題應(yīng)予以足夠的重視，并應(yīng)根據(jù)廠房侵蝕介質(zhì)情況和環(huán)境條件在總圖布置、工藝布置、材料選擇等方面采取相應(yīng)對(duì)策和措施，以確保廠房結(jié)構(gòu)的安全。一般鋼結(jié)構(gòu)的防腐常采用防銹底漆和面漆，涂裝層數(shù)及厚度常根據(jù)其使用環(huán)境和涂層性質(zhì)來決定。一般室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)在自然大氣介質(zhì)作用下，要求涂層厚度100μm，即底漆兩道，面漆兩道。露天鋼結(jié)構(gòu)或在工業(yè)大氣介質(zhì)作用下的鋼結(jié)構(gòu)，要求漆膜總厚度為150μm～200μm。且在酸環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)要求使用氯磺化防酸漆。鋼柱柱腳在地面以下部分要用不低于C20的混凝土包裹，其保護(hù)層厚度不小于50mm。

結(jié)束語(yǔ)

總之，鋼結(jié)構(gòu)廠房在滿足工藝布置的前提下，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系能使結(jié)構(gòu)受力合理、安全可靠，且能有效降低結(jié)構(gòu)造價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

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