浅析工业厂房钢结构设计

张树林

摘要：随着我国工业现代化生产的需要，钢结构工业厂房凭借其施工效率高、抗震性能好、自重轻和环保等优势在建筑工程中得到广泛应用。本文通过介绍钢结构设计的特性，阐述钢结构工业厂房设计特点，从中综合探讨钢结构工业厂房设计的概念、结构选型、结构计算与施工图绘制等问题。

关键字：工业厂房；钢结构；设计

随着建筑工程技术的不断进步以及施工经验的丰富，工业厂房的设计正朝着大跨度、大吨位和轻自重的方向发展。过去我国工业厂房建筑以钢筋混凝土为主，但是近年来，钢结构因为有着自重轻、强度高、塑性佳、施工时间短、环保节能和制作简单等特点，另外得益于工业建筑中的高效防火、高强度板材和防腐涂料的得到大量的应用，钢结构在工业建筑界中的领域有了较快的发展。但是，基于工业建筑设计中的实际情况需要合理选用材料和结构方案，在工业厂房钢结构设计过程中，需要做到质量优质、经济合理、安全适用和技术先进，在此，笔者结合工业厂房钢结构设计的经验，从中总结当中需要注意的若干问题，希望借此对建筑工程界有所借鉴，并从中与同行交流和参考。

一、钢结构的特征

钢结构有重钢和轻钢之分，目前学界对此并没有统一的判定标准。其中较为认可的说法是厂房行车起吊重量达到或超过25顿的，就被定义为重钢结构。另一种说法则从钢量比来看，等于或大于50KG/m2即被认为是重钢结构。现今电厂厂房、石化厂房等跨度大工程主要采用重钢结构，而轻型的站棚、货场、仓库和工业厂房则主要采用轻钢结构。据统计，轻钢建筑需求量每年约在600万以上，而且每年呈现增长趋势。

1.1钢结构施工速度快，拆装方便

钢结构由机械化生产程度较高及其精度和质量有保证的专业化金属构件厂生产构件的。钢结构施工过程比较简单，制成的构件可以在现场操作组装，组装时只需要进行螺栓和紧固件的安装，这些操作在较大程度上节省了人力成本，加上施工速度较快，建设周期得到缩减，从而提高经济效益。

1.2钢结构运输灵活，自重轻

与其它建筑材料比较，钢结构的容重显得较大，但是在相同的跨度和荷载作用下，其钢屋架的重量一般不多于钢筋混凝土屋架的1/3。另一方面，钢结构运输与吊装较为方便，从而降低运输成本。另外，钢结构在工业厂房建筑设计跨度方面可以得到较大的要求，其最大跨度可达到48m左右，这一优势可以令柱网的布置更加灵活。

1.3钢结构环保节能，空间利用率高

钢结构设计充分利用建筑空间，其相应的投资得到节约。通过钢结构的网架结构形成的屋面下部空间可布置各类管道，如空调冷水管道、采暖管道、给水管道、通风管道和消防管道等。钢材是一种强度高和效能高的建筑材料，而且其安装属于干式作业，没有噪音和粉尘产生；建成的钢结构拆卸容易，废弃之后可以回收利用，具有较高的循环利用价值。

二、工业厂房钢结构设计特点

在工业厂房钢结构设计过程中，需要进行结构判断、结构评估和结构分析。结构判断需要的是根据所提供的资料信息进行判断是否采用钢结构；而在结构评估中则通过建立对应的力学模型来获得构件截面参数，其中钢结构厂房则需要分析和设定梁柱支撑的截面参数，从而选择轧制、焊接H型钢等截面。结构分析则需要设计人员分析厂房钢结构是否符合施工要求，核对重要的参数，分析工程周期、结构变形、安全隐患和总剪力等。以上只是工业厂房钢结构设计的基本步骤，实际上在设计过程还有不少细节需要注意。

2.1截面预估工作

在构件截面初步估算工作中，主要是对梁柱和支撑的断面形状和尺寸作估算。截面高度一般是根据荷载与支座情况在跨度的1/20—1/50之间作出选择。而翼缘宽度则是通过梁间侧向支撑的间距1/b限值确定，这方法因避免了钢梁其整体稳定的复杂运算而受到大量的运用。在确定板件厚度则需要按规范中局部稳定的构造规定预估，一般为50<λ<150，其简单选择值在100附近。选择钢管、H型鋼截面等的判断则需要根据轴心受压、单向受弯和双向受弯的不同情况。不同的结构，规范中对截面的构造要求也不同，例如普钢规范和轻钢规范中的限值问题，在关于钢结构特有的组成构件的板件的局部稳定问题，则有较大的区别。除此之外，结构工程师可以根据构件的不同受力条件，合理地选择美观经济的截面形式。

2.2构件设计与节点设计

材料的选择是构件设计的关键。常用的钢材材质是Q235、Q345、Q390及Q420。为了便于工程管理在主结构中通常使用单一钢种，选择不同强度钢材的组合截面，也是经济上要考虑的问题。选择Q235是对于稳定起控制作用；而选择Q345则是对于强度起控制作用。现行构件设计规范中使用的是弹塑性方法来对截面进行验算，但这种方法与结构内力计算的弹性方法并不匹配。现今的结构软件一律提供截面验算的后处理功能。随着程序技术的进步，部分较先进软件可将验算时不通过的杆件，自动在给定的截面库里加大一级，并且自动重新分析验算，直到通过验算，这就所谓截面优化设计功能之一。

钢结构设计的重要环节是节点设计。节点的形式要在结构分析之前经过充分的思考和确定。设计中经常会出现结构分析模型中使用的形式与最终设计的节点形式不完全一致的情况，这种错误在设计中是必须要避免的。节点从传力特性上可分为刚接、铰接、半刚接，前两者适合初学者进行分析。节点连接分为等强设计和实际受力设计，在设计手册中则有焊缝及螺栓连接表格供设计者查阅。手册对焊接焊缝的尺寸及形式有强制的规范规定，设计者应该严格遵守规定。如Q235对应E43，Q345对应E50，因此当Q345与Q235连接时，不应该选择高强度E50，而是选择E43。在焊接设计过程中不得随意加大焊缝，同时要注意焊缝的重心应与被连接构件重心尽量接近。高强螺栓分为8.8s和10.9s两个强度等级，而按照受力特点则分为承压型和摩擦型。因两者计算方法不同，高强螺栓常用M16-M30，其最小规格是M12，设计中应该谨慎使用不稳定的超大规格类型的螺栓。而普通螺栓存在抗剪性能差的缺点，对此可在次要结构部位使用。连接板应该选取厚度加4mm的梁腹板，然后对其进行验算净截面抗剪。安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序是节点设计必须考虑的问题。2.3图纸编制

钢结构设计图纸分为设计图和施工详图，前者由设计单位提供，后者一般由钢结构制造公司或者设计单位按照设计图编制的，近年来随着钢结构项目的增多，而相应的设计院钢结构工程师减少，有能力的钢结构公司编制设计图的情况也很普遍。编制施工详图的基础是设计图，荷载资料、设计依据、材料选用及其材质要求、技术数据、设计要求、构件截面、结构布置以及结构的主要节点在设计图中需要表示清楚，为了利于施工详图的顺利编制进而准确表现设计的意图，主要材料应该列表表示。

三、结束语

随着建筑工程技术的日益发展，工业厂房钢结构设计应该根据经济技术、生产工艺等因素，多元化发展其结构形式、结构布置的技术，以不断满足市场的需求。工业厂房钢结构设计在弄清其概念、结构选型的基础上，要做好结构选型、结构计算的工作，同时要结合施工图的设计与施工水平，作出优异的工业厂房设计。

参考文献

1、 刘震：《工业厂房钢结构设计体会》[J]《中国科技信息》，2012年11期；

2、 高志岭，赵海陆：《浅析工业建筑中钢结构设计步骤》[J]《黑龙江科技信息》，2008年31期。