钢结构设计要点探究

鞠亮

【摘要】介绍了钢结构厂房的优缺点，从温度伸缩缝、支撑系统设置、钢结构厂房的防锈蚀、隔热与防水设计、抗震设计五方面探讨了钢结构厂房设计应注意的问题，为设计人员提供了参考依据，从而设计出安全经济的工业厂房。

【关键词】钢结构，厂房设计，伸缩缝，支撑系统，抗震设计

导言

近年来，随着我国钢铁产量的大幅度增加，用于建筑市场的各种型钢无论从产量、品种性能上都得到很大的发展，钢结构厂房因其施工速度快、承载力高、整体刚度和抗震性能好，在工业厂房设计中逐渐代替了笨重的钢筋混凝土结构而得到了普遍应用，钢结构厂房可分为重型钢结构厂房：例如炼钢车间、轧钢车间、大型冶炼车间等，这类厂房因其车间内设有大吨位吊车，厂房受较大的动力作用，所以耗钢量大；另一类厂房为轻型钢结构厂房：这类厂房多采用门式刚架结构，屋面及墙面多采用压型钢板复合板材，由于其自重轻，用钢量低，施工速度快，在工业及民用建筑中得到了广泛的应用。尽管钢结构厂房有很多优点，但作为一种材料，它也有很多缺点，例如防火性能差、易锈蚀等，所以在做钢结构厂房设计时应根据其特点注意以下几个方面的问题。

1.温度伸缩缝

温度变化将引起钢结构厂房变形，使结构产生温度应力，其大小与柱子刚度、吊车轨顶标高和温差有关。当厂房平面尺度很大时，为避免产生过大的温度力，应在厂房横向或纵向设置温度缝，将平面尺寸很大的厂房分成若干温度区段。温度区段的长度可根据钢结构设计规范执行。温度伸缩缝一般采用设置双柱方法处理，也可采用设置单柱方法处理，对纵向温度伸缩缝可在屋架支座处设置滚动支座，对横向温度伸缩可在框架梁与檩条连接处采用椭圆孔滑动方式或槽钢夹板滑动方式。

2.支撑系统设置

为了保证钢结构厂房的空间工作，提高其整体刚度，承受和传递纵向水平力，防止杆件产生过大的变形，避免压杆失稳，以及保证结构的整体稳定性，应根据厂房结构的形式，车间吊车的设置，振动设备以及厂房的跨度、高度，温度区段的长度等情况布置可靠的支撑系统。钢结构厂房支撑分柱间支撑和屋盖支撑。1）柱间支撑。厂房每一温度区段应设置稳定的柱间支撑系统，并与屋盖横向水平支撑的布置相协调。下柱支撑的位置是决定厂房纵向结构变形方向的重要因素，并影响温度应力的大小，下柱支撑应尽可能设在温度区段的中部，使吊车梁等纵向构件能随着温度变化比较自由地向区段两端伸缩。当温度区段的长度不大时，一般在温度区段的中部设置一道下段柱支撑，但温度区段的长度大于150 m时，为了保证厂房的纵向刚度，应在温度区段内设置两道下段柱支撑，其位置应尽可能布置在温度区段中间1/3的范围内，为了避免过大的温度应力，两道支撑的中心距离不宜大于72 m。上段柱支撑除在设有下段柱支撑的柱间布置外，为了满足结构的安装要求，提高钢结构厂房上部纵向刚度，传递山墙的风力及纵向地震作用，还应在温度区段的两端柱间布置上段柱支撑。

2）屋盖支撑系统。该系统是由横向支撑、纵向支撑、垂直支撑及系杆所组成的。屋盖支撑的布置应根据厂房跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式、吊车设置及吨位大小、振动设备情况等条件来决定。一般情况下无论有檩或无檩体系的屋盖结构均应设置垂直支撑，在无檩体系中，大型屋面板有三点和屋架焊接，可起到上弦支撑作用，但考虑到施工条件限制和安装需要，无论有檩或无檩体系屋盖均应在屋架上弦和天窗架上弦设置上弦横向支撑。对于屋架间距不小于12 m的厂房或厂房内设有特重级桥式吊车或厂房内有较大振动设备均应设置纵向水平支撑。

3 钢结构厂房的防锈蚀

钢结构表面未加保护而暴露在大气中就会锈蚀，当钢结构厂房空气中有侵蚀性介质或钢构件处在潮湿环境中，钢结构厂房锈蚀就会更加明显和严重。钢结构的锈蚀不仅使构件截面厚度減薄，而且还会在构件表层产生局部锈坑，当结构构件受力时将引起应力集中现象，使结构过早破坏，因此对钢结构厂房防锈蚀问题应予以足够地重视，并应根据厂房侵蚀介质情况和环境条件在总图布置、车间内部工艺布置结构选型和材料选用等方面采取相应对策和措施，以确保厂房结构安全使用。一般钢结构的防锈蚀通常采用防锈漆涂刷其表面，涂层的层数和总厚度应根据构件使用环境和涂层性质来决定。一般室内钢结构在自然大气介质作用下，要求涂层厚度为100μm左右，即底漆两道，面漆两道。露天钢结构或在工业大气介质作用下的钢结构，要求总厚度在150μm～ 200μm或200μm以上。钢柱柱脚在地面以下部分应采用强度等级不低于C20混凝土包裹，其保护层厚度不应小于50 mm。有侵蚀介质厂房的受力构件，其型钢厚度不得小于8 mm，受力焊缝厚度不宜小于8 mm。

4 隔热与防火设计

钢材受热在100℃以上时，随着温度的升高，钢材的抗拉强度降低，塑性增大；温度在250 ℃左右时，钢材抗拉强度略有提高，而塑性却降低，出现蓝脆现象；当温度超过250℃时钢材出现徐变现象；当温度达500℃时，钢材强度降至很低，以致钢结构塌落。因此，当钢结构表面温度处于150 ℃以上时，必须做隔热及防火设计，做法一般有两种：1）在钢构件外包耐火砖，混凝土或硬质防火板材；2）采用厚涂型防火涂料，厚度按《钢结构防火涂料应用技术规程》计算。

5 抗震设计

虽然钢结构具有良好的抗震性能，但是如果设计不合理，当厂房遭受较大地震作用时，也会造成严重破坏，所以必须按抗震设计规范规定采用必要抗震构造措施，确保钢结构厂房在地震发生时安全可靠。在做抗震设计时应注意：1）在总体布置方面要求厂房结构的质量和刚度均匀分布，使厂房受力均匀，变形协调，尽量避免因结构刚度不均匀对抗震造成不利影响；厂房横向结构宜采用刚架或者使屋架与柱有一定固结的框架，以便充分利用钢结构的受力性能并减少横向结构变形。2）钢结构厂房的破坏一般情况不是由于杆件强度不足而常常因为杆件失稳而造成，所以合理布置支撑系统，保证厂房结构整体稳定性，对钢结构厂房尤为重要。3）在地震作用下，存在着低周疲劳作用，设计时应注意其对厂房的影响。对结构连接点的设计，应保证节点的破坏不先于结构构件的全截面屈服，应使结构构件能进入塑性工作，充分吸收地震能量，发挥其抗震能力。4）厂房的围护墙为7度～ 8度时，宜采用钢筋混凝土墙板或轻型墙板，如压型钢板复合板材、石棉瓦、瓦楞铁等；与柱子柔性连接的外贴式砖围护墙仍可采用，而嵌砌于柱间的砖墙不应采用。9度时应采用轻型墙板。总之，在做钢结构厂房设计时，不能盲目地拿来就做，应根据其优缺点，首先选择合理的结构形式；其次应根据以上5个方面做出完整的设计，让设计安全经济。

参考文献：

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[2]闫桂森，陈旭. 设计钢结构厂房应注意的问题[J]. 山西建筑，2008，05：108-109.

[3]周奋生. 钢结构厂房设计中应注意的几个问题[J]. 工程建设与设计，2010，11：29-32.