浅析钢结构工业厂房的设计要点

曹淑娟

山西太钢工程技术公司（030021）

0 前言

随着社会工业的快速发展，钢结构因其在各方面的优越性，在工业厂房建设中应用越来越广泛。钢结构建筑越来越受到人们青睐，满足了工业建筑的建设要求，钢结构工业厂房已逐渐取代混凝土厂房。

1 钢结构建筑的优越性

钢结构建筑应用广泛。随着改革开放和经济发展，钢结构建筑除工业厂房外，还适用于仓库、体育馆、高铁站、飞机库等大跨度建筑。

钢结构建筑建造速度快，施工周期短。依据设计图纸，大多数构件已在工厂预制加工完成，现场安装工业化程度高，可缩短施工周期，早日建成投入使用，大幅度提高综合经济效。在实际工程中，面积8 000 m2的工业厂房，只需两个月即可完成。

钢结构建筑自重轻，强度高、塑性韧性好，变形能力强。钢结构对动荷载适应性强，节点延性好，抗震性能高。同时，柱网布置灵活，可以提高空间利用率，最大程度满足工业建筑生产工艺要求，尤其适用于大跨度工业厂房。

钢结构建筑经济性能好，绿色环保。钢结构建筑成本较低，因其自重轻，相应基础面积小，造价低，对地基承载力要求相应降低。钢结构可重复利用，大大减少建筑垃圾，更加绿色环保。

2 钢结构工业厂房的设计要点

钢结构工业厂房一般是由横向结构和纵向结构系统组成。横向结构系统是框架（包括屋架或横梁、天窗架和柱），是钢结构厂房的基本承重结构，承受屋面荷载、横向风荷载和地震作用，在有吊车的工业房屋中还要承受吊车的竖向荷载和横向水平荷载。纵向结构系统是由柱、托架（用于大柱距）、柱间支撑、墙梁等构成。横向框架承重体系通过檩条、墙梁、屋面板、墙板等围护体系及由柱、柱间支撑、屋面支撑、系杆等支撑体系组成空间受力体系。

首先，要对厂房的建筑和结构进行合理的规划，使其满足工艺和使用要求，并预测未来可能产生的工艺流程变化及发展，尽可能满足未来发展需求。然后，根据工艺设计方案确定车间平面及高度方向的主要尺寸，布置柱网和温度伸缩缝，确定横向承重体系的形式，预估承重构件的型号大小。根据吊车梁跨度及吊车荷载选择吊车梁类型，根据柱距及柱高确定支撑形式，根据柱距布置墙架柱、墙梁等。上述各受力体系有了具体结构形式后，接下来根据荷载、跨度、高度等数据预估杆件型号进行受力分析及内力计算、详细节点连接设计，最后绘制施工图。

2.1 柱网和温度伸缩缝的布置

2.1.1 柱网布置

进行柱网布置时，应注意以下几方面的问题。

2.1.1.1 满足生产工艺要求

柱网的布置应满足产品工艺流程和生产设备的空间需求，还应考虑未来生产发展和工艺设备更新方面的需要。

2.1.1.2 满足结构传力合理的要求

柱网布置需保证厂房结构的传力合理，保证厂房的横向刚度，应尽可能将柱网布置在同一横向轴线上。

2.1.1.3 符合经济合理的要求

柱的纵向间距同时也是纵向构件（吊车梁、托架等）的跨度。厂房的柱距增大，可减少柱的数量，厂房耗钢量随之减少，同时也可减少柱基础的工程量，但柱距增大，吊车系统构件及托架的重量随之增加。为尽可能减少投资，降低单位面积耗钢量，需比较权衡来确定最合理的柱网布置。

2.1.1.4 符合柱距规定要求

按照《厂房建筑统一化基本原则》《建筑统一模数制》的规定:结构构件的统一化和标准化可降低制作和安装的工作量。沿厂房跨度方向，当L≤18 m时，横向框架跨度宜采用3 m的倍数；当L＞18 m时，其跨度宜采用6 m的倍数；沿厂房纵向柱列，基本柱距一遍采用6 m或12 m，根据工艺生产流程需要柱距可按18 m甚至24 m布置。

2.1.2 温度伸缩缝

众所周知，温度升降会引起钢结构构件热胀冷缩，从而导致结构变形，结构变形引起钢结构建筑产生温度应力导致结构使用性能降低甚至损坏。为避免产生过大的温度应力和温度变形，应在纵向长度及横向跨度较大的厂房中间设置温度伸缩缝。

温度伸缩缝最常见的做法是设置双柱。即在缝的两侧布置两个无任何纵向构件联系的横向框架，使温度伸缩缝的中线和定位轴线重合。

2.2 横向框架的荷载和内力

2.2.1 永久荷载和可变荷载

永久荷载有:横向刚架、屋面系统、支撑体系、吊车梁系统、墙架系统及设备管道等。

可变荷载有:风荷载、雪荷载、积灰荷载、屋面活荷载、吊车荷载、地震荷载等。

2.2.2 内力分析和内力组合

下面进行横向框架即厂房承重体系的计算。依据《钢结构设计手册》[1]《钢结构设计标准》[2]，为简化计算，将空间受力的钢结构厂房假设成平面受力体系进行计算。每榀框架即为一个计算单元。先计算出每个计算单元内的永久荷载和可变荷载，确定荷载之后即可根据梁柱强度、稳定、柱位移比、梁挠度各项控制指标来确定梁柱承重构件具体型号及钢材等级。

2.3 支撑的作用及布置原则

对钢结构厂房而言，因其构件自重轻，抵抗水平荷载（如风荷载、吊车荷载及地震荷载）能力差，支撑的作用尤其重要。钢结构厂房的支撑分为屋面支撑和柱间支撑。

屋面支撑的作用：横向支撑和纵向支撑形成封闭型，保证钢结构厂房的空间整体作用；避免受压杆件侧向失稳，减小钢架梁平面外计算长度；承担山墙水平荷载，将其传递给柱间支撑及基础；保证施工安装阶段的结构稳定。

柱间支撑的作用:组成纵向构架体系，保证厂房的纵向刚度；承担厂房端部山墙的风荷载、温度应力及纵向地震荷载，并通过压梁传至基础；柱间支撑及系杆可作为钢架柱平面外的支点，从而减小柱平面外计算长度[3]。

柱间支撑的布置原则：应满足厂房生产净空的要求；应满足厂房纵向刚度的要求，同时还应考虑柱间支撑的设置对厂房结构温度变形的影响，及由此产生的附加应力；柱间支撑的设置应与屋面支撑布置相协调，一般均与屋面支撑设置在同一柱距内；每一温度区段的每列柱，一般均应设置柱间支撑[4]。

3 钢结构建筑设计常见问题及优化

钢结构建筑有许多方面的优势，但也有不足之处，比如杆件厚度小，耐腐蚀性能差，防火性能差，钢材在一定温度下短时间内强度降低导致结构损坏，防水性能差。根据工作经验，针对常见问题总结出以下优化方案。

3.1 保温隔热

对于钢结构建筑，钢材受热性能见表1。保温隔热处理做法一般有两种:在钢构件外侧刷防火涂料，防火涂料具体类型及厚度根据构件耐火等级及耐火时间确定（适用于钢结构受到短时间火焰的直接作用）；在钢构件外侧包硬质防火板材或耐火砖（适用于钢结构受到炽热熔化金属的侵害时）[5]。

表1 钢材受热性能

3.2 屋面防水设计

针对钢结构屋面热胀冷缩的特点，合理选择屋面体系。屋面结构选择浮动式屋面，屋面板横向以咬口式锁合，即直立缝锁边纵向采用三明治挤压方式连接，同时屋面板搭接长度不小于40 mm。这种结构体系可滑动，密封性好，防水效果好，抗风能力强。

设计时应严格按照规范要求设计屋面雨水系统，并设置溢流措施，同时补充设计窗口上下檐口的包边、屋脊泛水板和阴阳角等细部节点，防止出现雨水渗漏现象。

3.3 防锈处理

锈蚀的危害性:使构件截面厚度变薄；构件表面产生局部锈蚀；引起构件乃至整个结构过早损坏。

防锈蚀处理方法:构件表面除锈后涂刷防锈漆，具体防锈漆的类型、层数、厚度根据构件使用环境确定。

4 结语

钢结构作为当前工业厂房的主要结构形式，优化设计充分发挥其优势，避免不足之处，可以极大提升钢结构厂房的使用性能。同时钢结构的发展会带动一系列轻质高强墙体材料的发展，并为绿色建材的发展创造条件。