工业厂房钢结构设计要点初探

施海燕/苏州立诚建筑设计院

工业厂房钢结构设计要点初探

施海燕/苏州立诚建筑设计院

由于钢结构具有强度高、塑（延）性好、自重轻、施工工期短、制作方便、节能环保、构件可重复利用、地基基础费用省等优点，钢结构越来越多的应用于工业厂房的建设中。但是由于受传统发展理念的制约，设计师在厂房设计阶段会遇到不同的问题，导致厂房设计质量存在诸多问题，这直接导致了后期施工建设不达标，给企业造成了巨大的经济损失，因此必须重视工业厂房钢结构设计工作。本文重点探讨了工业厂房钢结构设计要点。

钢结构；柱脚设计；檩条；耐热

一、钢结构工业厂房

厂房一般有以下几种结构形式：砌体结构、钢筋混凝土结构、钢结构。应用钢结构建设厂房具有以下几个方面的优点：（1）钢结构与混凝土结构相比较，混凝土结构具有较为复杂的建筑工艺，且不具备较强的防震能力，而钢结构因自重轻，不但能够弥补这些缺陷，还可以有效降低了地基承载力。（2）在实际施工过程中具有较快的安装速度，而钢结构的组成零件可以进行大批量工业化生产，应用设备实施给料、焊接和开孔等作业，并及时处理好表面结构，有利于实际建设中的拼装施工，在一定程度上可以减少施工周期。（3）钢结构系统通常会应用具有较高强度的材料，而钢结构厂房因投资成本不高，且拆迁便利，所以可以反复回收利用，避免了材料的浪费，对环境起到很好的保护作用。

二、工业厂房钢结构设计要点

（一）屋面支撑与柱间支撑的确定

支撑的作用主要是保证结构体系成为空间体系，有足够的空间刚度。支撑所受力主要是风载和地震作用，温度作用。计算支撑内力时一般假定节点为铰接，并忽略偏心的影响，并且一般的支撑都是按拉杆考虑，所以，一般适宜双向布置。

1.屋面支撑

屋面支撑受力较小，杆件截面通常可按容许长细比来选择。交叉斜杆和柔性细杆按拉杆设计，可采用单角钢；非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面。当屋架跨度较大、房屋较高且基本风压也较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力。

2.柱间支撑

对厂房来说：分为上层支撑和下层支撑，上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大而引起较大的温度应力，支撑腹杆常按柔性拉杆计算。交叉体系的下层支撑当吊车作用较小时一般圆钢，较大时通常采用角钢或槽钢。交义斜杆常按拉杆设计，但为了提高厂房的纵向刚度，当吊车较大时，应按压杆设计。

（二）柱脚设计

轻钢结构柱脚形式有两种：即铰接柱脚和刚接柱脚。对于铰接柱脚，基础仅受轴心荷载作用，设计相对比较简单。但部分轻钢节结构厂房都有吊车，依据《轻钢结构刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定：用于工业厂房且有5t以上的桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接；《技术措施结构2003）规定：当设有桥式和梁式吊车时，轻钢结构刚架柱宜采用等截面构件，柱脚应设计成刚接。因此5t以上的桥式和梁式吊车的门刚结构柱脚应设计成刚接；3t及以下悬挂式吊车和无吊车的门刚结构，柱脚才可以设计成铰接。有较大吊车的房屋，柱顶位移较大，柱脚采用刚接，使得每榀刚架形成超静定结构，不但能减小柱顶位移而且具有更大的安全储备。对于高宽比和风荷载较大的无吊车门刚结构，柱脚也宜设计成刚接。

同时当柱底板与混凝土基础间的摩阻力不足以抵抗全部的水平剪力时柱脚还应设置抗剪键，抗剪键的设置需要计算。在基础施工时应留置键槽，键槽每侧宽出抗剪键不小于30mm，底部空隙高度不小于20mm。在柱脚底板和基础顶面之间留有一定空间，柱脚铰接时不宜大于50mm，柱脚刚接时不宜大于100mm。

（三）围护结构中檩条的设计

由此看来，要提高执行力，并不是要简单模仿强制性的军事命令，也不是复制军营化的管理方式，而是尽可能让我们的制度规章生动化、形象化、通俗化，使不同层面的员工都容易消化、深深植根脑海之中。就像中华民族绵延不绝、中华文化持久弥新，实际上归于儒家文化的传递，而儒家文化核心就两个字：仁、礼。仁者爱人，就会相互帮助，包容众生；知礼有节，就会遵守规矩，不侵犯他人。不管有多少外来民族侵略、外来文化侵蚀，从未使中华民族灭亡、使中华文化断绝，由此可见儒家文化的生命力。因此，要使企业各项制度规定让员工自觉遵守，执行明确快速，除了规章制度本身合理，反映员工心声外，内容形式上一定要做到：要求简约，传导方便，执行容易。

檩条通常是风荷载工况起控制作用，设计时常忽略验算风吸力作用下的稳定，导致大风时很容易失稳破坏。为了保证风吸力作用下的整体稳定，通常在檩条之间设置拉条。计算中已考虑拉条的作用而施工图中忽略了布置拉条或拉条布置不当都将导致檩条失稳破坏。正确的拉条布置位置是根据计算结果在檩条上下翼缘附近，在上下稳定均需要拉条约束时，在实际工程设计中有些设计者对屋面或墙架最上端檩条的侧向支撑，如拉条、斜拉条、撑杆能正确设置，但对中间墙面或屋面，如门窗洞口、屋面风机开孔处、屋面天窗(采光窗)等处，经常只设拉条，而漏设斜拉条和撑杆等，根本无法将拉条上的拉力传至承重结构上。其根本原因是对拉条、斜拉条、撑杆的传力作用及途径不清楚，同时也是对规范条文只知其然，不知其所以然，从而给围护结构的设计带来安全隐患。

（四）提高耐热性能的设计

钢结构建设使用钢材为建设原料，钢材属于金属类别，因而具有较强的导热性能。在钢结构厂房中，这种导热性能却具有危害性，耐热性能不高使得整个厂房的防火功效令人担忧。据科学研究表明，以250度温度为界：在250度以下，随着温度的提高，钢材的抗拉强度会减小，而塑性有所提高；在250度以上，随着温度的提高，刚才的抗拉强度会增大，而塑性有所降低，同时钢材的强度变小；当温度达到500度时，钢材的强度就会降到最低。当钢结构应用到厂房建设中时，温度过高就会给厂房带来倒塌的危险，为此需要在提高厂房耐热性能方面做出改善。提高钢结构的耐火性能可以从材料、构件、结构3个层次考虑，另外有效的防火保护措施也是提高钢结构耐火性能的一个重要途径。

1.提高钢材耐火性能

钢结构的耐火性能取决于钢材，因此提高钢材的耐火性能是提高钢结构抗火性能的根本之道。应用建筑耐火、耐候钢：通过在钢材中添加耐高温的合金元素Mo、Cr、Nb等，使得钢材在600℃时的屈服强度不小于常温屈服强度的2/3，且其他性能与相应规格的普通结构钢基本一致。此外由于它的耐火性能好，可以在施工时适当减小保护层的厚度，甚至可以不涂防锈漆，这样可以节省一定成本。防火涂料是施工时涂抹在钢架表面，形成一层耐火隔热的保护膜，提高钢架耐火性能的材料，其类型可分：薄型、超薄型和厚型等几种涂料。厚型涂料是颗粒状材料，在高温情况下靠涂料自身的厚度和较低的导热性能对钢架构件起到隔热的作用。超薄型和薄型涂料自身厚度较薄，在高温情况下涂层会膨胀增厚来保护钢架，避免其过热。这两种类型适和隐蔽结构、裸露的钢梁和斜撑等钢架构件使用。

2.采用防火能力强的构件

3.采用有利于防火的结构形式

采用钢混组合结构，如钢板混凝土组合剪力墙结构，或者在关键部位比如楼板和楼梯这种对防火要求较高的部位采用钢筋混凝土结构。钢结构防火保护构造作法应合理、坚固、经济、易于施工并利于装修。

[1]赵万里,张静.大型钢结构厂房设计技术要点研究[J].城市建设理论研究（电子版）,2012年36期.

[2]李京都.简述单层钢结构厂房设计中的问题[J].建筑工程技术与设计,2015年9期.