钢结构厂房设计中应注意的几个问题

邱亮

（黑龙江省食品医药设计院有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

由于社会经济的发展和技术进步,在工业厂房的设计中，钢结构已经成为一种重要的结构形式，它具有自重轻、造价低、施工周期短、工厂化程度高、现场工作量小、综合效益高等优点。以哈尔滨地区为例，哈尔滨地处严寒地区，冬季气温低，堆积的冰雪反复冻融，保温要求很高，同时也很容易对普通钢屋面造成破坏，尤其是天沟处，造成渗漏。这都是需要注意的问题。

1 结构设计

1.1 厂房结构体系的选型问题

厂房结构方案的选择主要是从满足工艺流程、建筑节能设计、结构设计分析和技术经济分析等方面综合考虑确定的。

格构式钢框架也是可选择方案之一，它选择钢缀条柱和桁架构成平面框架，以双层保温压型钢板作为屋盖和墙体的围护。柱-网架结构方案是另一个可选择方案。采用轻钢或钢筋混凝土柱作为承重结构，屋盖采用钢网架承重，上设双层保温压型钢板屋盖，墙体可选用保温压型钢板，也可选用砌体作保温围护。现行方案的主要优点是结构轻盈、经济性好。制造和安装周期短，造价较低，外形和内部都较为美观，符合建设单位要求，因而得以实施。但是已建结构也存在着它固有的弱点，主要是结构刚度较差，特别是对于存在长期积雪可能的高寒地区例如哈尔滨，刚度问题会表现出来。此外在高寒地区围护结构的耐久性也有待于考察。但作为一个高速发展领域的产品生产厂房，它的产品本身有高换代性，因而这些问题将不会影响到生产的正常进行。

1.2 门式刚架柱网尺寸的选择及结构体系的布置问题

门式刚架柱网布置首先应满足厂房工艺使用的要求，门式刚架间距通常为6m~9m，不论是否具有吊车、门式刚架的合理柱距，建议采用8m~9m，因为工程中构件数量的多少，将直接影响加工、安装的工程量、施工进度及造价，一个工程采用9m柱距时的刚架、檩条、吊车梁等构件的数量要比采用6m柱距时约减少30%，虽然其截面有所增大，但其对缩短施工周期、降低工程造价的有利影响十分明显。门式刚架的较经济跨度建议在21m~24m范围内采用，其合理的最大跨度不宜大于36m。其次，结构体系的选择。檩条和墙梁既是承受竖向和水平荷载的构件，也是刚架和刚架之间的连系构件。厂房纵向水平力由支撑体系承受，在每个温度区段端部柱间或第二柱间应设置屋盖横向支撑，其余位置每隔40m左右设置一道横向支撑，以使整个房屋形成空间稳定结构。门式刚架轻型结构房屋的纵向温度区段不大于300m;横向温度区段不大于150m。

1.3 门式刚架受力分析的原则

考虑到计算时假设屋面活载是满布的，如荷载取值过大，则安全度较大，用钢量也增大，规程Ⅰ规定:当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准(按水平投影面积计算)应取0.5kN/m2，包括计算屋面板、檩条，但对受荷载水平投影面积大于60m2的钢屋架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可不小于0.3kN/m2。

荷载效应组合应符合下列原则:（1）屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中较大值;（2）积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑;（3）施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑;（4）多台吊车的组合应符合现行国家标准12J的规定;（5）风荷载不与地震作用同时考虑。

1.4 檩条，墙梁及拉条应注意的问题

门式刚架轻型钢结构厂房中的檩条和墙梁一般采用高效经济的实腹式带卷边C形和Z形冷弯薄壁型钢，其优点是截面回转半径和惯性矩相对较大，整体刚度较好，能够充分发挥材料的性能，但同时也存在截面抗扭刚度较小，对荷载的偏心非常敏感，在计算时要考虑可能产生的扭转变形和约束翘曲应力。在设计檩条、墙梁、拉条一类的围护构件时应注意以下几点:（1）风荷载标准值按规程的规定计算更能符合实际;为避免造成施工中的不便，应尽量不采用双层拉条。（2）当檩条在风吸力组合作用下下翼缘受压时，可通过稳定计算解决;（3）在风吸力作用下檩条的稳定性可采用《钢结构设计规范》和《冷弯薄壁型钢结构设计规范》中的公式验算。

2 保温隔热设计

钢材具有非常好的导热性能，其导热系数达到50W/m·℃，对于钢结构建筑，如果不进行保温隔热处理，势必会造成大量能源浪费和消耗，同时还要满足工艺性要求和舒适性要求。针对不同气候区域的工程项目，经过计算采用不同的保温层厚度。

保温设计的原理及计算方法:

2.1 热工学中有如下理论:

其中，ΔT 为温差，℃;A 为表面积，m2;ΔQ为热流损失，W=T/S;R为热阻，m2·℃/W。

以有生命力的“人“的感知为例:

夏天:t1(人体温度)=37℃，t2(环境温度)=35℃，Δt=2℃，要求R很小。

表现为穿薄的衣服，甚至光胳膊、短裤。

冬天:t1′(人体温度)=37℃，t2′(环境温度)=10℃，Δt′=27℃，要求 R 增大。

表现为穿厚的衣服，如羽绒服等。

由此导出:热阻R是最关键值。“钢结构建筑”保温隔热就是要获取足够的R值。

2.2 R=L/K=1/λ。

其中，L为隔热材料厚度，m;K为隔热材料导热系数，W/m·℃;λ 为传热系数，W/m2·℃。

选择λ和K，确定R。

根据《建筑设计热工规范》，可以确定国内5个气候带的不同工况下的传热系数。

如青海格尔木(严寒地区)：

λ≤0.3W/m2·℃，玻璃棉K=0.041W/m·℃。

L≥K×1/λ=0.041×1/0.3=136mm，此为室内有采暖设施房屋或公共建筑的最低厚度。再考虑热桥、窗户的散热，实际厚度一般取:L=136×120%=160mm。

3 屋顶设计的问题

3.1 屋盖支撑

规范第9.1.20条规定，屋盖支撑杆件宜用型钢，目前多数采用圆钢，甚至在8度地震区也有用圆钢的，必须引起高度重视由于人们对震害的感受不深，认为地震发生的概率很小，因此重视不够。作者建议8度地震区应用型钢截面，7度及7度以下视刚架跨度和荷载大小可考虑是否一律采用型钢。

3.2 钢结构厂房屋面设计的防水问题

屋面防水设计涉及屋面坡度、天沟形式、单坡屋面长度等因素。屋面坡度，根据《屋面工程技术规范》的规定，屋面坡度最小为5%。但在实际工程中，一些外资钢构公司屋面坡度经常做到3%，甚至2%。考虑到目前国内钢构厂家技术力量、节点的处理、材料性能方面参差不齐，人们将屋面坡度控制在5%。在积雪较大的地区，坡度应适当增大。单坡屋面长度，主要取决于工程所在区域的最大温差以及降雨所形成的最大水头的高度。根据收集的资料和工程设计经验，单坡屋面长度宜控制在70m以内，若超过70m，需做专题研究、特殊处理。哈尔滨地处严寒地区，冬季气温低，堆积的冰雪反复冻融，容易对普通钢屋面造成破坏，尤其是天沟处，造成渗漏，根据以往的经验，内天沟尚无成功的实例，故确定设计方案全部采用外天沟。另外哈尔滨冬季雪大，在高低跨处宜积很高的雪，威胁厂房安全，故确定设计方案采用一个屋脊双坡屋面。

4 结语

钢结构在现代建筑中由于用钢量少，安装设计时间短，工业化生产程度高，特别在厂房、仓库等大跨度结构中得到更广泛的应用。哈尔滨地区处于寒冷地区，冰雪覆盖的时间较长，本文针对这个问题要求钢结构厂房在设计重要着重考虑保温，屋顶的防渗漏的设计，同时给出了一些建议。

[1]刘霄，杨红旗，杨国海.轻型钢结构厂房的设计与研究[J].山西建筑，2006-07-10.