关于工业厂房钢结构设计的研究

邓海伦

【摘 要】随着工艺技术的进步，对现代工业厂房的安全性能提出了更高的要求。钢结构工业厂房是一种新型建筑结构，较之于传统工业厂房，其优势尤为突出。而钢结构设计是工业厂房的重要组成部分，是提高厂房结构抗震性能的前提和基础，其重要性不言而喻。但从目前形势上看，由于多方面因素的影响，特别是不合理设计，使得钢结构厂房的刚度达不到相关技术要求，导致了工业厂房抗震能力弱，一旦发生地震，则容易引起变形，甚至坍塌，引起极大的经济损失。因而，加强对工业厂房钢结构设计的研究，确保钢结构工业厂房设计合理，从而提高工业厂房的稳定性，具有十分重要的现实意义。本文主要对工业厂房钢结构设计进行研究。

【关键词】工业厂房；钢结构设计；研究

前言

近几年来，我国生产力进一步解放，工业生产现代化水平不断提升，在社会进步和经济发展过程中发挥着巨大作用。较之于传统结构的厂房，钢结构具有施工速度快、自重轻、抗震性能好、环保等优势，在建筑工程中的应用越来越广泛[1]。钢结构工业厂房工期较短，搭建过程中，可进行一些生产运输操作，而且还能根据需要在内部放置巨型的机器设备，满足了企业生产的需要。但不可忽视的是，钢结构自身存在一定缺陷，若在钢结构设计过程中不加以重视，则抗震性能将大大降低，地震发生时，将容易出现扭转变形甚至倒塌的现象。尤其是在一些地质活动较为强烈的地带，地震频发给钢结构工业厂房带来极为严重的挑战。如何确保工业厂房钢结构设计的科学性、合理性和可靠性，提高钢结构工业厂房的质量，保证工业厂房的稳定性，成为新形势下工业厂房建筑面临的全新难题。加强重视，对工业厂房钢结构设计进行深入研究，提高工业厂房的稳定性，十分有必要。

1.钢结构的应用优势

目前，钢结构主要包括重钢结构和轻钢结构两种，重钢结构主要适用于大跨度厂房的建设，如电厂厂房、石化厂房等，轻钢结构主要适用于较小跨度的厂房建设，如仓库、货场、站棚等。钢结构的应用优势，具体表现在：（1）钢结构自重轻，布置灵活。较之于其它建筑材料，钢结构在同等跨度和负载情况下，自重较轻（约为钢筋混凝土屋架的1/3左右），且便于运输、吊装等。同时，钢结构的最大跨度可达48m左右，且在梁高相同的前提下，钢结构的开间可比混凝土结构的开间大55%左右，布置更为灵活，能够满足厂房建筑设计的大跨度要求[2]。（2）钢结构拆、装简便，工期短。钢结构机械化生产程度较高，梁、屋架、柱等可由专业化金属构件厂生产，质量安全、可靠。在现场组装时，只需根据设计要求安装相关的螺栓和紧固件，为房产施工节约了大量人力、物力投入，从而缩短了工期，提高施工效益。

2.工业厂房的钢结构设计

2.1防火设计方面

较之于混凝土结构，钢结构易受温度变化影响，防火能力较差。钢结构受热温度及其防火性能的变化情况详见下图1。由此，要加强对钢结构隔热和防火设计的重视，确保工业厂房的安全性和可靠性，保证工业生产的稳定进行。相关设计人员应对工业厂房的火灾危险性类别进行明确区分和定义，确定厂房的防火等级。同时，还要严格按照相关规范和防火要求，使用达到防火等级的钢构件，最大限度避免火灾对钢结构的毁灭性影响，使厂房变形甚至塌落情况的发生。当前，为提高钢构件的耐火极限，通常以钢结构表面涂覆防火涂料的方式，确保钢结构厂房的防火等级。除此之外，设计人员还要多角度、全方位分析，做好相应的预防工作，比如合理设计疏散楼梯和安全出口，以便厂房发生火灾时人员的紧急疏散问题，将火灾事故损失降到最低。

温度值 钢结构防火性能变化情况

100℃～250℃时 抗拉强度降低、塑性增大；

≈250℃时 钢结构的抗拉强度有轻度的提高，但塑性继续降低，出现“蓝脆现象”；

>250℃时 出现“徐变现象”；

≈500℃时 钢结构的强度极低，发生塌落，造成生产破坏，经济损失，甚至人员伤亡。

图1：钢结构受热温度及其防火性能的变化情况

工程实例：某集团的一、二期工程的大型厂房为钢结构，最大的车间柱高为50m，厂房面积达2.2×105m2，无缝钢管厂跨度和柱距最大为48m，最多的连跨为8跨。厂房内有高温铁水、钢坯等生产线热源，且使用重油、润滑油、煤气、氢气等多种可燃物，防火设计尤为重要。设计人员对火宅危害性进行了科学分析和模拟计算，并在充分考虑钢铁企业中的环境、生产工艺等因素的基础上，采取相应的防护措施。该厂房自投入使用以来，各方面状况良好，未出现由于工业生产产生高温而导致钢结构变形的情况。

2.2防腐设计方面

钢结构由其自身性质决定了暴露在大气中容易被氧化，发生腐蚀，潮湿的环境使其氧化加剧，钢结构腐蚀更明显、更严重。钢结构腐蚀使得构件截面缩小，表层局部产生锈坑，受力时出现应力集中现象，使得钢结构的寿命明显缩短[3]。因而，设计过程中，相关设计人员要加强重视，结合工业厂房的具体环境，制定出合理的方案和应对措施，最大限度防止钢结构腐蚀情况的发生，确保厂房的结构性安全。当前，我国钢结构防腐蚀主要通过在钢结构材料外面覆盖防锈防腐涂料来完成，将氧气、水蒸气、氯离子等腐蚀因子与钢结构相隔离，从而实现对钢结构的有效保护。不同部位的防锈防腐涂料厚度也会不同，具体见图2。

涂刷部位 防锈防腐涂料厚度

室内 100μm

露天、受工业大气介质影响 150μm～200μm

钢柱柱脚 用C2O混凝土包裹，厚度>50mm

图2：钢结构防锈防腐涂料涂刷部位及其厚度

2.3抗震设计方面

抗震设计是工业厂房钢结构设计的重要环节，尤其是在地震多发的地带，须加强重视，切实提高钢结构厂房的抗震能力，使厂房具备较高的抗震性和安全性[4]。设计时，结构布置应均匀对称，结构传力应明确有效，以减少震动对厂房的破坏。同时，应选择科学合理的连接方式，确保屋架与屋面板，屋架与柱子之间的连接可靠，避免节点破坏。此外，还应加强柱与墙的拉结，通过适当的高宽比调整及减震方式，最大限度提高厂房的抗震能力。

工程实例：某工业厂房长350m，宽300m，总面积达1×105m2，横向有8个跨段，段距约为40m。该厂房的抗震烈度要求为7级。为使钢结构抗震等级符合要求，设计人员对吊车的竖向和水平载荷的确定、水平位移控制等几个主要设计环节进行分析，最终采用双层吊车的钢结构设计。同时，遵守“强连接，弱构件”的概念设计原则，确保钢结构大震不倒。此外，为提高钢结构性能，设计人员严格按照相关的规定和技术要求，提出了防震缝的设立，并使其宽度控制在钢筋混凝土的1.4倍以上。

3.小结

总而言之，钢结构具有施工速度快、自重轻、抗震性能好、环保等优势，不仅顺应了时代发展的需要，而且满足了耗能低、效率高的现代工业厂房建设需要，在建筑工程中的应用越来越广泛。这种形勢下，对工业厂房钢结构的设计方案进行优化，并不断更新工艺技术，以提高厂房的安全性、稳定性，十分有必要。

参考文献

[1]朱健，谭平，周福霖.基于位移的钢筋混凝土结构单层厂房易损性分析[J].振动与冲击，2010，29（01）：207-213.

[2]丁建国，梁碧云.新型多层框排架结构工业厂房的耗能减震分析[J].南京理工大学学报（自然科学版），2012，36（05）：892-897+903.

[3]刘建伟，李英民，刘立平，郑妮娜，韩军，王丽萍.汶川地震钢筋混凝土柱单层工业厂房震害及分析[J].地震工程与工程振动，2010，30（06）：13-18.

[4]赵建忠.工业厂房钢结构屋面及节点防水的探讨[J].中国建筑金属结构，2013，（12）：37.