浅析轻钢结构在工业厂房设计中的应用

曹义林

摘要：轻型钢结构不但屋面荷载较轻,杆件截面较小、较薄,而且钢结构的自重较轻、材质均匀、应力计算准确可靠、加工制造简单、工业化程度高、运输安装方便等特点外，以使其逐渐被广泛应用于工业厂房当中。

关键词：轻钢结构；工业厂房；设计；应用

中图分类号： TU319 文献标识码： A 文章编号：

1 如何做好钢结构的设计

1.1荷载取值准确

严格按规范办事，屋面结构竖向均布活荷载的标准值（按水平投影面积计算）应取0.5 kN/m2。《门式刚架技术规程》规定，不上人屋面的活荷载为0.5 kN/m2，同时当构件的荷载面积大于60 m2时可乘折减系数0.6，取 0.3 kN/m2，与钢结构设计规范的解释一致。但近两年，我国大部分地区常出现强降雪天气，导致很多加油站、场馆倒塌。因而，施工人员一方面要考虑投影面积大于60 m2的荷载折减，另一方面还要根据当地的雪荷载情况取其中的最大值，以确保建筑安全。

1.2节点的处理

强柱弱梁是设计要遵循的原则，同时，强节点弱构件也是必不可少的设计准则。很多情况下，构件满足设计要求，节点却不能满足抗震要求，因此，加强节点域设计是要重点考虑的问题。

1.3 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。规范的意思是：水平力由摩擦力承受，或者由抗剪键承受，注意是“或设置抗剪键承受”，不是“和设置抗剪键承受”。

2 轻型钢结构设计的应用

2.1 门式刚架

门式刚架轻钢结构能有效地利用材料,构件尺寸小,重量轻,而且可以在工厂批量生产,保证质量,工地连接简便迅速,施工周期短。

2.2 屋盖系统

在屋盖系统的设计中,充分利用这些材料“轻质高强”的特点,采用钢网架,轻钢结构等新技术,减轻了屋盖系统的自重,同时也大大减轻了柱网的荷载。

2.3 墙面系统

采用压型钢板作围护结构,其墙面檩条最好采用冷弯薄壁型钢而少用槽钢, 因为冷弯薄壁型钢比槽钢节约材料,受力性能好而且与压型板的连接简单,方便。墙面用冷弯薄壁型钢时,施工快且美观。而用槽钢做墙面檩条时,因为槽钢壁厚,在现场施工速度慢且墙面也不美观。

3 钢结构厂房基础设计特点

对于钢结构厂房铰接柱脚，基础仅受轴心荷载作用，由于没有附加弯矩引起的偏心距 e 的作用，设计相对比较简单; 而对于刚接柱脚，基础则要受附加弯矩及钢柱柱底水平力引起的偏心荷载共同作用( 见图 1) ，偏心距为:e = ( M + Vh) / ( N + G) （1）

图1 刚接柱脚基础受力

对于网架结构厂房来说，以下因素也往往决定了基础的受力特点: ⑴ 大跨度拱形网壳结构，使自身支座处水平推力较大，甚至比竖向反力还大，这时由水平力引起的水平位移将难以控制;⑵大跨度平板网架结构，由于自身挠度引起支座处的水平反力也比较大，这时传递到基底的弯矩也比较大，从而使基础偏心距 e 较大。

4 基础形式的选择

对于有吊车的工业厂房结构通常采用刚性柱脚。该柱脚形式可以提高厂房的整体刚度，从而减少侧移。但这样一来，基础一般有较大的弯矩。这个问题在门式刚架轻型钢结构体系中尤为明显。由于自重轻，水平荷载与竖向荷载比值较大，在风荷载及吊车的共同作用下，厂房边列柱柱底荷载偏心距较大。根据笔者的工程设计经验，偏心距一般在1. 0 m 左右，有时甚至达到 1．5 m ～ 2．0 m。根据以上分析，按常规的单独基础设计，基础的宽度将达到 6 m ～12 m，这在实际工程中是难以接受的。通过研究分析，我们认为可以采用以下方法加以解决。

4.1增加基础压重 G

根据式( 1) ，在柱脚内力( M，V，N) 和基础形式( b，h) 已确定的情况下，增加基础压重 G 是减少 e 的较好措施，实际工程中通常有两种方法可以操作:

⑴厂房设底部加重墙: 一般为粘土砖，并使其重量通过基础梁传到基础上。设墙高为 Hw( 一般为基础顶面至窗台的高度) ，厚为 Dw，柱距为 Hw，砖墙的重度为yw，则每个基础因此而增加的重力为 G' =HwLwDw/2。一般 Lw= 6 m ～ 9 m，Dw= 370 mm ～ 540 mm，Hw= 2． 0 m ～ 3． 0 m，yw≈20 kN/m3，可得 G' =50 kN ～150 kN，而 N值的数量级在 100 kN ～1 000 kN 范围内变化。可见，若能充分利用围护墙重，不失为减少基础偏心距的好办法。但此法往往受墙体材料、墙高及建筑要求的限制。

⑵ 增加基础埋深: 增加基础埋深对基础设计来说变化有两个: a． 考虑深度修正后的地基承载力设计值ƒ增大，但这对受偏心距控制的基础来说无关紧要; b． 基础底面以上压重 G 增大，这对降低偏心距 e 来说是有利的。

4.2采用偏心基础

此方法只适用于偏心距 e 较小的情况，其原理就是使基础本身受力偏心，相当于针对较大的 M 增加一个反向的弯矩 M' =Ne'，使基础满足设计要求。偏心基础受力图见图 2。此种基础形式在工程中较少采用，一般若吊车吨位不太大，可以考虑采用柱下偏心基础的形式。但此时为保证基础不致过分倾斜，基础和基底土接触不脱离，基础底面偏心距必须满足:e1= ( Mmax+ V1h － N1e') / ( N1+ G1) ≤b/6 ( 2)

e2= ( Mmin+ V2h + N2e') / ( N2+ G2) ≤b/6 ( 3)

pmax≤1． 2ƒ。

其中，Mmax，Mmin分别为单向计算水平荷载时，边柱柱脚处的最大和最小弯矩值; N，V，G 分别为相应的轴力、剪力和压重。偏心基础一般可以减少基础尺寸，但对于大吨位和重级工作制吊车，该方法应谨慎使用。

4.3采用重力式挡土墙基础

这种方法适用于跨度较大的拱形钢网架基础，因为拱形结构造成水平推力较大，这时水平推力甚至远大于结构竖向力，采用一般的常规基础很难满足设计要求，此时采用这种基础利用基础背后的被动土压力来抵消部分水平力，同时将基础设计成楔形基础，使基础地面的法线与上部结构的传力方向保持一致，使基础实际处于轴向受力状态，从而简化了基础设计。

5 支撑设计与构造

5.1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。尽管屋盖支撑在规范中并无严格的间距布置和长细比构造要求,但其截面宜符合用型钢的构造要求。结合我国地震分布广泛的实际情况,屋盖支撑一律采用圆钢未免过于极端,根据现有的经验,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。

5.2柱间支撑

与以上的屋盖支撑相同, 工程中采用圆钢的也不少。由于柱间支撑为抗震中的主要受力构件,它不仅要经抗震计算确定其构件截面,还必须满足不同烈度的长细比构造要求,比屋盖支撑有更高的要求,作者认为不小于 7 度抗震区宜用型钢,同时柱间支撑必须符合规范的相关规定,并经纵向抗震计算确定杆件截面。

5.3吊车梁设计

关于吊车梁制动桁架的设置,吊车吨位在 20t 以下和跨度在 24m 以内的轻钢厂房一般可不设制动桁架,在规程(九)中规定轻钢厂房只能设中、轻级工作制桥式吊车,超重量不大于 20t。只要满足吊车梁的强度和变形以及构造要求,在横向水平刹车力的作用下就能满足吊车梁的侧向稳定,当有必要时可适当加大吊车梁上翼缘的宽度,以保证其稳定性。不设吊车制动桁架还可减少制造和安装工作量,降低造价。吊车梁端部设计有平板式和突缘式。实际上突缘式用的较多,现在钢柱用的较多,平板式支座合力点不在腹板位置,柱牛腿要增加加劲肋;吊车吨位大的话还须考虑一个柱距有吊车一个柱距无吊车情况下,平板式支座合点偏心而产生沿厂房纵向弯矩对柱的作用。

结语：

由于社会经济的发展和技术进步,在轻工业厂房的设计中,轻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,因此在现代结构中将得到更广泛的应用。

参考文献:

［1］GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范［S］．

［2］弓晓芸． 轻型钢结构建筑体系的发展及展望［J］． 工业建筑，1995( 7) : 25-26．

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［4］赵熙元． 建筑钢结构设计手册［M］． 北京: 冶金工业出版社，1995．

［5］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,2006,21（07）:102-103．