大型冶金工业钢结构厂房的设计探讨

梁 涛

(山西太钢工程技术有限公司，山西 太原 030009)

大型冶金工业钢结构厂房的设计探讨

梁 涛

(山西太钢工程技术有限公司，山西 太原 030009)

近年来，随着国民经济的迅猛发展，钢结构在各领域得到广泛的应用，但也暴露出一些问题，其中有节点设计不满足要求的问题、有稳定问题、有挠度问题等，特别是消防问题，不断引起各方的重视。作为一名长期从事工业设计的结构工程师，对钢结构的理解也许比别人要深，尤其是经历了几场大火后，对钢结构的设计有了更多的领悟。

大型冶金钢结构；防火墙；防火分区；喷涂法；防火卷帘

1 钢结构的特性

(1)施工周期短，制作、安装机械化程度高。钢结构主要构件都是钢厂成品，施工过程中焊接工作量小，加工简便、快捷，并且材料性能有钢厂保证，工程质量高。适宜于成批大量生产，从构件的工厂加工到现场吊装，工业化程度大大高于具有劳动密集性质的现浇钢筋混凝土结构。

(2)钢结构的重量轻，机械性能很好，可以承受较大的荷载，故钢结构件截面尺寸小，同样跨度同样荷载时，钢屋架的重量最多不过钢筋混凝土屋架的1/4或1/3，钢结构的重量小，便于运输、吊装，降低运输成本。

(3)钢结构与力学计算的假定比较符合，钢材内部组织比较均匀，接近于各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构更能清楚的反应结构受力性质，传力更加清晰、明确，能准确反应设计意图。

(4)钢结构拆、装简便。钢结构由专业化金属构件厂生产构件(梁、屋架、柱等)，在工地上用电焊或螺栓(或高强螺栓)连接起来，施工安装简便迅速，而且，螺栓连接的钢结构便于改造拆迁。广泛应用于各种临建及展台布置、货位布置中，施工速度快，节约人力成本，减少施工周期，经济效益明显。

(5)钢结构在平面布局上的灵活性。

(6)适用于大跨度结构。大跨度对于钢筋混凝土来说几乎不可能，但钢结构却能很好解决问题，现在广泛应用于机场、桥梁、体育场等。

(7)钢结构耐火性差、不耐高温。钢材虽然是不燃材料，但在高温作用下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等却会随温度升高而降低，在550℃左右时，降低幅度更为明显，一般在15min左右就会丧失承重能力而垮塌。2001年9月11日，位于美国纽约市中心的世贸大厦遭到恐怖分子的袭击，在先后遭受两架民航客机的撞击后，仅过了20min，这幢摩天大楼便轰然倒塌，造成了几千人的重大伤亡。主要原因就是在高温作用下，钢构件很快失去强度和承载能力。钢材就其自身耐火性能来讲，远低于砖石和钢混结构，因而，钢结构的防火问题日益突出。

2 工业钢结构厂房的防火措施

2.1 工业钢结构厂房的防火分区

现代工业要求的厂房常是大空间、大跨度、通透的。为有效地把火灾控制在较小范围内，《建筑设计防火规范》要求在建筑物内划分防火分区，并明文规定了各级防火分区的最大允许面积。现轻钢厂房的占地面积通常较大，如轧钢厂主车间的建筑面积一般都超过5 000m2，而规范允许的分区面积为3 000m2(生产类别为丙类，采取防火涂层保护后，耐火等级按三级考虑)，因此应作防火分区的分隔。

因成套设备生产线的工艺要求，轧钢车间通常几公里长，不可能用防火墙把厂房一分两半，截断连贯的生产线，从生产的角度，这样的方案不能满足生产要求，肯定不会被业主单位同意。

在整个车间设自动喷水灭火装置，使允许的防火分区面积增加一倍，从而满足规范要求。但要注意以下两个问题：

(1)根据《自动喷灭火系统设计规范》第4.3.2条，超过8m的大空间建筑物，安装闭式喷头的作用不大。而工业钢结构车间的高度大多远超过8m。

(2)有的丙类三级单层钢结构车间面积达9 000m2，需分3个防火分区，若全车间安装自喷，则防火分区允许面积扩大一倍。

2.2 喷涂防火涂料法

喷涂防火涂料法是用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面，形成保护层。钢结构防火涂料按所使用的胶粘剂的不同可分为有机防火涂料和无机防火涂料2类，按涂层厚度分为薄涂型和厚涂型2类，薄型涂料涂层较薄，有一定装饰效果，施工方法可喷可刷，高温时涂层膨胀增厚保护钢构件。具有重量轻、施工较简便，适用于隐蔽结构和裸露的钢梁、斜撑等构件。薄涂型钢结构涂料涂层厚度通常为1～6mm，而耐火极限可达0.5～1.5 h，这种涂料又称钢结构膨胀防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料又称钢结构防火隔热涂料。厚度一般为7～25mm，粒状表面，导热系数低，密度较小，耐火极限可达0.5～3.5 h。

2.3 屏蔽法

钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内，或将构件包藏在两片墙之间的空隙里，只要增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的。这是一种经济的防火方法。

2.4 浇筑混凝土或砌筑砖块法

钢构失去稳定性的临界温度为540℃。在高温作用下，热量会迅速传导至内部，升温快，科学实验表明，裸露钢构的耐火时间仅15min，当结构可能受到炽热熔化金属的侵害时，应采用耐火砖或耐热材料做成的隔热层加以保护；当结构表面长期受辐射热达150℃以上或在短时间内可能受到火焰作用时，应采取加隔热层或水套等。用现浇混凝土作外包层时，可以直接在钢结构上现浇成型，施工简单，效果明显。

2.5 维护结构材料的选用

维护结构材料的选用很有研究，很多火灾的案例都是由于材料不合格或不符合使用要求造成的。其中保温材料不合格引起火灾占很大比例，因而建材的选用至关重要，主管单位必须严格把关，杜绝不合格产品的流通使用。

2.6 施工要求

近年来，某冷轧厂火灾、废储罐火灾，都造成了很大的经济损失和社会影响。究其原因，都是施工方野蛮施工或考虑不周造成的。所以必须精心组织，科学施工，严格遵守《防火规范》。

2.7 其他

防火方法现在不断的发展，钢与混凝土组合结构既能发挥钢材的力学性能又能发挥混凝土的防火作用，目前被广泛应用。此外，车间内设置喷淋及独立水幕，虽然造价很高，但防火效果也很显著。

3 钢结构主材的选用

钢结构构件要提供较高的工作可靠度，除了钢材的强度保证，还应有较好的其他工作指标和工艺技术指标，如焊接性能、抗脆性和疲劳性能、极限塑性和抗裂纹扩展性能等。材质对脆性破坏的影响主要体现在钢材本身的塑性和韧性，而这又取决于钢的化学组成、晶体结构以及冶炼方法。研究表明，低合金钢的抗冷脆性能比低碳钢高，而低碳钢中的镇定钢、半镇定钢和沸腾钢，其抗冷脆性能依次降低。

研究表明，内蒙高原冬季长、夏季短。而且冬季地表温度大部分均在0℃以下，在一些高海拔地区年平均气温在-2～-4℃左右，冬季年平均气温在-24～-26℃左右。因此在低温环境下防止钢材的脆性破坏，正确选择结构用钢材显得至关重要。

门式刚架结构作为承受静荷载或者间接动荷载的重要承重结构，钢材选用时应根据具体的工作环境温度选择。在所处环境温度＞－20℃时，应选用Q235B·Z、Q345A(或B)、Q390A(或B)；在所处环境温度≤－20℃时，钢材可以选用Q235B·Z、Q345A、Q390A等。

4 钢结构的稳定问题

稳定是钢结构设计中经常遇到的突出问题，很多结构的坍塌不是由于强度不满足造成的，而是由于整体失稳造成的，稳定问题如果不处理好将会造成不应有的损失。

(1)局部失稳问题。为了有效解决局部失稳问题，建议设置横向加劲肋和纵向加劲肋，同时，严格限制高宽比。

(2)整体失稳问题。当梁有铺板(钢板或者混凝土板)并与梁的受压翼缘牢固连接时可不考虑梁的整体稳定。当自由长度与其宽度比超出一定的限值时考虑整体稳定。

(3)运行过程中的失稳问题。不按照规程操作或者使用不当，会造成局部应力集中，或者造成最不利荷载分布，进而造成失稳的发生。

5 节点设计

5.1 梁柱连接节点

见图1、图2。

图1 框架梁与箱型柱刚接节点

图2 铰接节点图

5.2 柱与基础连接节点选择

柱脚与基础的连接节点根据需要设计成铰接或者刚接，铰接节点对基础部直接产生弯矩，决定基础截面的主要因素是垂直力和剪力，因而基础截面尺寸较小，钢结构柱尺寸较大；刚接节点对基础产生弯矩，垂直力和剪力起的作用不明显，基础截面尺寸较大，钢柱截面较小。常见的柱脚刚接节点和铰接节点见图3、图 4。

图3 铰接柱脚节点详图

图4 刚接柱脚节点

6 抗剪键的设置

在地震作用下，厂房的纵向水平力和横向水平力很大。超出了柱脚螺栓承受的能力，这个时候柱脚底板剪力验算不满足，需要设抗剪连接件。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由底板与混凝土基础间的摩擦力(摩擦系数可取0.4)或设置抗剪键承受。规范：水平力由摩擦力承受，或由抗剪键承受。

7总结

钢结构工业厂房的设计纷繁复杂，既要考虑经济因素又要满足使用要求，往往这里面就会产生矛盾，同时规范的条文不能覆盖到每一种情况，这就给设计人员带来新的挑战，设计人员需多方面考虑问题，在分析比较中寻找更合适的方案。

Largemetallurgical industry steelstructure p lant design isdiscussed

Liang Tao

In recent years,with the rapid development of national economy,steel structure in all the areas to be widely,but also exposed some problems,including node design does notmeet the requirements of the problems,stability problems,deflection problem and so on,especially the fire controlproblems,and constantly aroused attention.Asa long term isengaged in the industrialdesign of the structuralengineer,the steelstructure of the understanding,maybemore than others to deep,especially after a few games after the fire,the steel structure design havemore understanding.

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TQ 639

A

1000-8136(2011)29-0027-03