浅谈门式钢架轻型钢结构工业厂房的结构设计与研究

2021-11-27周健宇

中国建筑金属结构 2021年6期

周健宇

1.钢结构应用于厂房的必要性与可行性

相较于混凝土等脆性建筑材料，钢结构的强度、刚度、延性等力学性能都更为优异，且其结构重量更轻，可以很好地应用到大跨度结构的建造中。钢结构建筑的施工主要依赖于工厂预制、现场拼接的方式来进行，这就决定了钢结构厂房的现场作业对于人工的需求量将大幅降低，有利于成本的控制与施工的组织，同时钢构件之间也能够实现更为灵活自由的组合、搭接[1]。此外，通过工厂预制的方式，能够有效地实现对构件质量的把控，避免环境对构件形成所产生的干扰。由于钢结构厂房是由独立的构件单元形成的，因此在建设过程中若出现设计方案的临时更改，也可快速、便捷地完成结构替换，不会对结构整体产生破坏[2]。

2.门式钢架轻型钢结构工业厂房结构设计

2.1 轻钢结构荷载设计

在设计环节中，对于门式钢架结构荷载的统计与计算主要考虑永久荷载、可变荷载两个大的方面，其中可变荷载又可细分为竖向可变荷载、风荷载、地震荷载等。永久荷载主要包括建筑中各个钢构件以及填充结构、附属结构的自重，譬如屋面板、填充墙、檩条等都应包括在内，又可被称为恒荷载[3]。而可变荷载不同于永久荷载，其在建筑的使用过程中会发生变化，且一般认为该变化幅度较大不可忽略，而对于强度水平仅在均值附近略微浮动的荷载一般可归入恒荷载中简略计算。在门式钢架轻型钢结构的可变荷载统计中，应主要考虑外界自然施加的风荷载以及雪荷载，同时也应将建筑物长期使用积灰所产生的荷载包括在内[4]。此外，还应对建筑使用中可能出现的偶然作用进行考虑，譬如地震作用等，这一类作用虽然发生的概率和作用时间都较短，但其自身强度较大，且对建筑物的损害较为突出，严重者甚至会导致建筑物功能失效。总之，在进行结构荷载设计时，设计人员应当充分考虑到建筑受到的各种作用，并针对其性质做好分类与组合，为后续设计提供可靠的参考。

2.2 轻钢结构支撑系统设计

支撑系统是钢结构建筑稳定性的基本保障，同时也是结构上部荷载传导的主要路径，因此支撑系统的设计需要设计者予以足够的重视并采取有效措施进行保障。从结构组成上来看，支撑系统主要包括排架柱、梁、屋架等保证结构稳定的主要构件[5]。研究表明，柱间支撑对于结构内力传导的稳定性有着很好的保障作用，因此支撑的数量、尺寸、类型都应密切联系设计需求以及工程环境来确定[6]。如果支撑的设计存在缺漏或不合理等问题，那么将对结构内力的传导造成阻碍甚至中断，并对整体结构的强度、刚度造成损失。支撑系统的安装也应制定合理的方案，对支撑安装的相对顺序以及方法做出明确规定，为多榀钢架的搭接工序创造稳定的结构。

2.3 轻钢结构的柱脚连接设计

有效的柱脚连接是排架柱与地基可靠支撑的关键，需要结合设计方案细化其连接方式。一般来说，门式钢架轻型钢结构的柱脚连接可采用铰接或刚接的方式，在铰接设计下，柱脚只受到柱在竖向的压力以及水平的剪切力作用，其主要应用在纵向高度以及横向跨度都较小，且未配置吊车或吊车载重在5t 以下的小型钢结构厂房中；而对于配置吊车载重量在5t以上或厂房跨度、高度较大时，则必须采用刚接设计，不同于铰接，其在连接位置还存在一定的弯矩作用。由于在采用刚接形式时在连接点位置还会额外产生弯矩，因此其对基础的要求也更高，往往需要消耗更多的混凝土、钢筋材料，连接处大多选择Q345B牌号的钢材。为了尽可能地提升建设项目的经济效益，将资源的利用率控制在合理的范围内，就需要设计人员在连接设计时考虑到基础设计、用钢量、维护成本等多方面的因素，并对不同方案展开比对，尤其是在地基承载力较差的建设项目中应综合考虑，平衡建筑性能与成本之间的关系[7]。

2.4 钢架结构屋面设计

对于屋面设计而言，其中最为关键的两个部分即屋盖支撑和排水，并以此完善对支撑、檩条、拉条的设置，一般还应在厂房纵向上的第一跨以及最后一跨建立一定尺寸的柱间支撑以及与其相应的水平支撑。檩条设计在空间位置上可按1.5m 左右的间距进行安排，应注意在相邻檩条之间还需要附加拉条进行加固，为保障关键部位的可靠，在屋脊位置还应当改为双檩条设计。对于排水系统而言，为了尽可能地提升屋面排水能力，降低积水对建筑结构的侵蚀，屋面材料一般可采用夹芯彩钢板，此外还应当根据当地气候条件和其他结构需要确定合适的屋面坡度，但应注意其不得小于5°。

2.5 轻钢结构抗震设计

研究表明，门式钢架轻型钢结构具有较为优异的抗震性能，若当地抗震设防烈度大于7 度，则在结构设计时必须对地震组合效应展开计算，验证其可靠与否。门式钢架轻型钢结构的抗震设计应满足以下几点要求：（1）结构的抗震设计应当从整体的稳定性出发，并对厂房各构件的分布及数量进行适当的调整，以此来保障结构质量分布的均匀性，避免应力缺陷的产生。（2）重视支撑设计，在合理的位置布置适当数量的支撑，不仅可以大大提升结构整体的稳定性与承载能力，同时也可以在一定程度上减少材料用量、简化结构。（3）综合考虑地震作用对结构性能的影响，地震作用对门式钢架轻型钢结构的损坏，主要是连接节点在循环荷载的作用下发生低周疲劳导致的，所以在设计时可以充分利用结构塑性变形对地震能量的耗散。（4）可在厂房排架柱的外侧设置一圈砌体墙体，用以约束钢结构在地震作用下的变形与位移，提升整体稳定性。

3.门式钢架轻型钢结构工业厂房的设计要点

3.1 结构选型与柱网布置

门式钢架布置的跨度应当结合建筑物的使用需求以及建设环境来确定，一般情况下其可取在9m～36m 的范围内，同时研究也表明经济效益最为显著的跨度取值为21m～30m，且跨度越大钢梁的材料消耗越小。在柱网设计上，一般可将排架柱间距控制在6m～9m 的区间内，且跨度越大柱距也应取得越大，最好将钢架跨度与排架柱间距两者之比取为3.5m～5m。此外，建筑高度也应作出一定的要求，使其净高介于4.5m～9m 的范围内，为了保证其具有足够的排水能力，屋顶坡度的取值不得小于5%。但同时也考虑到横向风荷载的作用效果，在满足稳定、承载能力、排水等要求的基础上还应合理控制钢架的高度[8]。

在钢柱形式的选择上最好采用工字型设计，因为该形式的排架柱在截面应力分布上较为明确，腹板位置主要承担剪切应力，而翼缘则主要抵抗弯矩作用，因此该类型的柱在实际工作中可以最大程度地发挥材料的强度，提升资源利用率。在满足结构整体稳定性的基础上，柱脚在设计时优先选择铰接的形式，其不仅可以简化结构、便于施工，也能减小对基础的复杂作用，间接节约基础工程的成本。但值得注意的是，对于受到高强度作用的厂房或大跨度厂房，其柱脚应采用刚接。

3.2 基础设计

在设计开始之前，技术人员应首先建立简单的分析模型，对基础上的主要受力点进行计算。由于基础与厂房结构是通过柱脚进行连接的，因此基础的受力情况即为柱的受力情况，计算过程应以钢柱为对象而展开。在分析基础受力情况时，应当尤其注意以下几点：（1）应考虑到厂房中所储存货物、机械等的自重对基础的作用，并对其产生的偏心距进行准确计算。（2）轻钢结构自身结构重量较小，因此其基底净反力一般不大，而水平风荷载作用时间长、强度大，应当认真核算。（3）不同于其他建筑基础，轻型钢结构工业厂房的基础埋深一般较浅，其对厂房的实际受力情况也会产生一定的不利作用，因此在设计时也可适当提升其埋深、尺寸。