多层钢结构工业厂房的轻型化设计与应用研究

【摘要】随着我国工业产业的不断向前发展，工业厂房的数量也在不断增长，并且很多工业厂房主要是以钢结构为主。基于此，本文以工业厂房轻型化设计工作为例展开相关分析和研究，有效提出多层钢结构工业厂房的结构体系与布置工作特点，同时对工业厂房轻型化设计工作要点进行深入探索，充分发挥出多层钢结构工业厂房的使用工作优势，提高工业厂房的结构安全性和稳定性，降低工程整体经济造价，为后续类似工业厂房设计工作开展提供有效参考和借鉴。

【关键词】工业厂房;多层钢结构;轻型化;设计;应用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

多层钢结构工业厂房与传统的钢筋混凝土厂房进行对比，多层轻型钢结构具有自重更轻、材料消耗量更少、抗震性能更强以及施工效率更快等多方面优势，多层钢结构工业厂房在设计制造和施工方面具有一体化的特性，因此工程项目的建设周期更短、经济效益更加明显。钢结构材料属于一种绿色环保型材料，通过使用螺栓进行连接，不存在湿作业，噪音更小，污染程度更低，因此受到我国各大工业产业的广泛使用和认可，同时也受到人们的广泛关注和重视。

1、多层钢结构工业厂房结构体系与设计特点分析

1.1 结构体系构成

由于工业厂房的钢结构层数更少、高度更低，因此通常情况下，多层轻钢工业厂房主要是以纯钢结构框架为主，屬于一种框架支撑结构。在工业厂房的设计工作当中，必须要合理选择钢结构的构成体系，最大限度上减少钢材料的使用量，有效满足工业厂房的轻型化设计工作要求和标准。

1.2 纯钢结构框架

某些工业厂房因为各种机械设备的使用需求，需要进行大量的设备摆放和管线设置等，受到这些因素的影响，钢结构内部空间不能使用大量的支撑柱来进行支撑，因此需要在框架结构设计工作中，选用纯钢结构框架体系。纯框架结构通常情况下，包含箱型柱或者H型柱以及工字形钢梁结构组构成，因为在建筑体的纵横两个方向梁柱之间需要形成对接，同时四面衔接的箱形柱结构，节点数量相对较多同时具有一定的复杂性。纯框架结构的平面设计工作相对比较灵活，可以为钢结构厂房内部提供出更大的室内空间，并且钢结构各部分的刚性程度分布比较均匀。框架结构的延展性相对较强，制证自振周期较长，因此可以起到良好的抗震作用和效果[1]。如图1。

1.3 框架支撑结构

相比于纯钢框架结构而言，框架支撑结构具有消耗钢材料更少、节点的构成更加简单、钢结构侧移刚性程度更大等多方面特点。框架支撑体系主要是通过工字形钢梁柱所构成，支撑体通常设置成X型，同时也可以设计成人字形或者是偏心支撑结构。该结构通常情况下是以横向承重体系，纵向支撑梁以及支撑柱结构所构成，通过楼板起到内部空间相互关联的作用和效果。基于这一设计形式下，钢结构的纵向相当于排架结构刚性程度相对较小，因此需要保证在纵向方向上设置支撑体，提供主钢架的平面外约束，可以有效抵御外部风力荷载以及地震灾害所产生的作用力，轻型钢结构的屋盖钢度相对较小，因此为了有效提高钢结构的整体强度和稳定性，需要在支撑柱的开间位置设置出横向支撑结构，有效保证支撑体两端的结构稳定性[2]。如图2。

1.4 钢维护结构

彩色涂层的压型钢板与夹心金属板自重相对较小、保温隔热性能更强、安装施工效率更快同时外表更加美观，在我国各大工业厂房当中应用非常明显，多层轻质钢维护结构的有效使用，可以最大限度上降低钢结构厂房的自重大小，同时可以降低基础工程的施工要求。外墙体部分可以通过使用非承重式墙体结构，比如镀铝新型压板，底层部位的墙体使用的是空心砌体结构保温材料，主要是以玻璃丝棉材料为主，对于保温性能要求相对较高的厂房，可以将玻璃丝棉材料的厚度进行适当提升。

2、多层钢结构厂房的设计工作方法和应用

2.1 设计工作方法

传统形势下，我国很多工业厂房在设计工作过程中，经常会通过人工的手段和简化公式的计算设计工作方法，但是在实际工作过程中，通常是用有限元结构模型分析钢结构的构成情况，或者是直接使用专用的工业厂房钢结构设计工作程序。对于钢结构设计地震烈度为6度以上的区域，需要有效考虑到水平地震力所产生的作用和影响结构，分布均匀的多层轻型钢厂房，可以运用底部剪力法来进行设计和计算，钢结构对称的多层钢结构厂房，可以将其简化成平面框架结构模型，相反需要有效建立起钢结构空间框架结构模型来进行计算。通常通过使用增大钢梁刚性程度的方式，结合楼板组合设计工作模式，提高钢结构的整体稳定性。现阶段，对于组合梁刚性程度的评价分析方式，主要包含Newmark方程分析法、等价截面惯性分析法、钢结构平均刚度分析法等，在工业多层钢结构厂房的设计工作中，比较常用的是平均刚度分析法[3]。

2.2 具体设计工作案例

有效结合我国某地区一处工业厂房结构设计展开分析和研究，该工业厂房主体结构总共分为4层，局部3层，宽度大小为15m，钢铁支撑住间距大小为7m，总长度为63.5m。钢结构建筑实际面积为3600m2，主要是以条形基础为主。钢结构屋面部分使用的是PHP压型钢板保温屋面系统，首层窗台部分以下为240粘土砖墙，剩余部分的外墙面，使用的是BHP压型钢板保温墙面系统，内墙板为60mm的厚保温墙板。支撑柱之间使用114×3.0圆形钢管来进行支撑，楼面活荷载大小为3.5kN/m2，恒荷载大小为4.0kN/m2，钢结构屋面活荷载大小为0.5kN/m2，钢结构基本风压为0.35kN/m2，钢结构设计地震烈度为7度。

2.3 多层钢结构轻型化设计应用

在本次轻型钢结构横向承重体系设计过程中，需要保证梁柱截面面积大小复合设计工作要求，通过对比分析之后，该钢结构工业厂房使用的是纯框架结构体系与框架支撑结构体系两种形式。在不改变量体截面面积大小的情况下，对钢柱支撑位置进行改动，其中纯框架空间结构模型分为框架、支撑结构模型和空间整体模型两种形式，侧向支撑体部分起到了重要的空间关联作用，可以有效减少横向结构所形成的自振周期，提高钢结构的刚性程度，平面模型的计算结果相对偏柔，忽略了地震重力所产生的影响，造成钢结构在地震中条件下，层间之间的位移偏差量达到45%。因此，在设计工作过程中对于地震烈度为7度或者7度以上的区域，采用的是多层轻钢厂房结构为主，建立起空间模型进行计算和分析。通过两种空间结构模型的计算分析工作，结果可以得出以下几个方面结论：第一，因为支撑体的作用和效果框架支撑结构，在纵向方向上具有更强的刚性程度。第二，因为工字型钢柱在横向方向上具有较大的惯性力矩作用，相比于纯框架结构而言，框架支撑体系的自振周期相对较小、刚性程度更大同时侧向位移量更小，尽管纯框架结构可以满足钢结构的强度以及侧向位移的使用要求，但是钢材料的实际消耗量相对较大，因此在本次工业厂房轻型钢结构设计工作中，选用的是框架支撑体系，在整体的经济性上更加明显节省钢材消耗量达到17%以上[4]。

结语：

综上，对于工业厂房的轻型化设计工作而言，需要有效发挥出多层钢结构的使用优势，需要保证钢结构设计更加科学合理，提高工业厂房的整体结构稳定性，避免在后续的使用过程中出现安全隐患。

参考文献：

[1]许亚君.BIM技术在多层装配式钢结构住宅建筑设计与施工中的应用[J].居舍，2020（33）：27-28.

[2]刘喆.多层工业建筑的计算机设计应用探究[J].电子世界，2019（03）：87+89.

[3]赵建修.装配式钢结构住宅抗侧力体系分类及研究进展[J].施工技术，2018，47（S4）：575-583.

[4]王晓波.浅谈门式钢架轻型钢结构工业厂房的结构设计与研究[J].建筑与预算，2017（08）：25-27.

作者简介：张宾（1990.10-），男，汉族，河南新乡人，本科，工程师，研究方向：结构设计工作。