轻钢结构在工业厂房设计中的应用

梁 涛

（山西太钢工程技术有限公司，山西 太原 030009）

1 概述

轻型钢结构在我国发展迅猛，特别是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》公布以来，伴随着彩钢板、太空板、岩棉板、薄壁型钢等产业的规模化，我国每年都有上千万平方米的轻钢建筑工程，这些建筑主要用于轻型的仓库、厂房、体育馆、汽车展厅、机场航站楼、机库及加层建筑等。轻型门式刚架的梁、柱根据需要可加工成变截面构件，也可采用焊接H形钢。梁柱节点参考当地的抗震情况及地基情况采用刚接、铰接或者二者并用。

2 大跨度门式刚架结构的设计

2.1 荷载的分析及合理取值

首先，根据所处的地理位置选择当地的抗震设防烈度、风荷载、雪荷载。

其次，根据使用情况和结构构成选取楼面及屋面的恒荷载、活荷载。

第三，选取合理的恒荷载、活荷载分项系数。对于可能出现的危险，要留有足够大的安全系数，并进行最不利的荷载组合。

2.2 梁、柱截面的预估

当建筑结构体系布置结束后，需对重要构件截面作初步估算，特别是指梁、柱、支撑等的断面尺寸的预估。

根据荷载与支座情况，钢梁截面高度通常在跨度的1/20～1/50之间选择。翼缘宽度可根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定，这样可避免钢梁整体稳定的复杂计算。在截面高度和翼缘宽度确定后，板件厚度可按规范中局部稳定的构造要求判定。

柱截面按长细比预估，通常为50＜λ＜150，简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等。

2.3 变形缝间距的规范要求

轻型房屋钢结构的温度区段长度应按下列要求规定：①纵向温度区段变形缝间距不大于300 m；②横向温度区段变形缝间距不大于150 m。这是规范的基本要求，解释为：当有计算依据时，温度区段长度要求可以适当放宽。温度区段超限，可以通过增加支撑来约束温度应力，使温度应力均匀分配到各个柱基础，从而保证厂房的整体稳定不被破坏。

2.4 失稳的控制

2.4.1 设计过程中需注意的问题

建筑体系的稳定不但要考虑整个体系，同时还要对组成体系的单体构件进行受力分析。目前，公司应用软件大多进行的是平面计算，很少能进行空间计算。虽然有的软件能进行空间计算，但由于使用过程复杂，不易上手，所以未能广泛地应用。由于不进行空间整体分析，就不能简单地确定稳定情况，所以必须设计必要的支承构件，以确保足够的平面外支撑。

2.4.2 施工过程中的失稳问题

大跨度钢结构的设计很重要，但施工工序同样重要，不当的施工流程会造成致命的后果，有时不单单是财产损失，甚至会付出生命的代价。所以，施工中要注意以下几点：

（1）钢结构焊接。对于施工单位首次焊接的钢种，一定要进行焊接工艺评定，并制定相应的焊接工艺。严格把好接头装配质量关。接头的装配质量包括：坡口质量、根部间隙、对口错边量等几个方面。焊接过程中为减少焊接应力，防止产生焊接裂纹，应严格按照标准规定要求对焊接部位进行预热，在整个焊接过程中应随时加热以保证焊缝道间温度，并一次焊完一条焊缝，在焊接完成后，应及时按标准要求进行后热。对设计及国家规范要求探伤的焊缝，应对每条焊缝按比例要求进行无损探伤。焊缝完成后质检人员要及时按设计和GB50205等标准要求进行外观检查和无损检验，不合格部分及时通知焊工返修。

（2）钢结构安装质量控制。安装前，施工单位应对构件的产品合格证、设计文件与预拼装记录进行检查，并复验记录构件的尺寸。钢结构的变形、缺陷超出允许偏差时，应进行处理。钢结构安装前，应编制详细的测量和矫正工艺，厚钢板的焊接应在焊接安装前进行模拟产品结构的工艺试验，编制相应的施工工艺。对拼装好的屋架应预设一定的起拱度。钢结构吊装就位后，应对构件定位轴线、标高等设计要求控制点进行测量，并做好标记，对吊装对接接头质量进行焊前检查。安装好临时支撑及钢索以使钢屋架在施工过程中安全稳定。

2.4.3 维护、使用过程中的失稳问题

在工业车间的使用过程中，由于误操作、雨雪和热辐射常常造成承重构件的失稳。在物流车间，车辆频繁操作，司机不小心会误撞柱子，由于轻钢结构跨度大、重量轻、柱子截面小，很容易导致柱子移位，进而造成车间垮塌。有效的办法是设置护栏，对重要通道的柱子进行保护，以避免对柱子造成伤害。

屋面天沟设置不当，屋面坡度过缓会造成排水不畅，特别是下雪天，雨雪白天不能及时排走，晚上结了冰冻在屋面上，第二天又接着下雪，就会造成屋面雪荷载过大，导致屋面檩条发生弯曲，屋面板出现缝隙，发生漏水，严重的还会造成屋面梁垮塌，引发安全事故。

2.4.4 扫雪操作不当

连续大雪会使屋面荷载增加明显，有时候还会达到设计强度界限。业主急于减少屋面强度，便盲目让人扫雪，由于扫雪区域顺序不合理会造成不利情况发生，进而引发屋面坍塌。

3 钢结构的特点

（1）结构自重轻。钢结构一般由压型金属保温板、保温层及檩条等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻。用钢量一般为30 kg/m2左右。

（2）施工周期短。钢结构的工厂化制作，使工程质量易于保证，施工时间短。

（3）空间设置灵活。门式刚架采用金属压型板封闭，因而柱网布置不受模数制约，柱距大小可以根据使用要求来确定。

（4）截面尺寸小。同等的受力条件，所需钢结构梁柱的截面只有混凝土构件的1/2左右，极大地节约了空间，更好地满足使用的空间要求，从而也降低了建筑成本。

4 如何做好钢结构的设计

4.1 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。

4.2 考虑活荷载的最不利布置

应该按照规范要求考虑活荷载的不利布置，虽然规范没有明确活荷载不利布置的条件，但根据经验，大部分非临时建筑都应该考虑活荷载的不利布置。

4.3 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。

4.4 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”。

5 结论

钢结构的应用正处在大发展的时期，不久的将来还会有更广泛的应用，作为一名从事工民建设计的工作人员应不断积累经验，不断学习国外的新知识，紧密结合冶金工业的发展，为钢结构的应用作出应有的贡献。