多层钢结构工业厂房结构设计常见问题

2022-03-13缑涛

科技创新导报 2022年19期

缑涛

（山东省阳光工程设计院有限公司山东济南 250101）

多层钢结构工业厂房具有外形美观、构件小、荷载小、抗震能力强等特点，它的成本普遍较低。钢结构构件的生产速度非常快，它对环境的破坏小，产生的污染少，并且具有较高的材料回收率，从而满足节约资源的最终目标，努力构建绿色和谐社会，促进社会的稳定发展。

1 多层钢结构厂房特点

1.1 多层轻钢结构厂房特点

多层轻钢结构厂房一般采用轻型围护结构，这种材料自重轻，但保温效果强，在安装过程中消耗的时间少，这些优势有效地提高了该材料在材料行业的竞争力，最终用于多层轻钢厂房。此外，轻钢结构厂房层高较高，一般大于4m，多为集中荷载，许多荷载是悬浮荷载，有时通过振动产生力。多层轻钢结构厂房还具有施工时间短的特点，其设计与施工不断演变为一体化，现场几乎没有焊接工作，大大缩短了施工时间，有效保证了项目的完工效率。多层钢结构工业厂房不仅能满足当今社会的绿色需求，尽可能多地使用再生材料来支持节能减排，而且还具有较强的保温性能，因此，建设和改进多层轻钢结构厂房，可以有效地促进社会进步。

1.2 多层工业厂房常见结构

目前，在我国的工业厂房建设中，最常见的结构形式主要是框架体系、纯框架体系和钢框架—支撑混合体系。（1）框架体系是一种水平设计的厂房结构，它主要是根据柱的形状和支承在每个柱中间的荷载力，从而支撑整个多层厂房。可以看出，框架体系的厂房结构很经济，但柱间占用的空间较大，造成厂房部分空间使用范围的浪费，导致部分区域的废弃。（2）纯框架系统是一种水平和垂直使用的植物结构，它是相对于框架结构而言的，两者最大的区别是纯框架系统不需要柱支撑。该厂房结构的优点是合理利用厂房的所有空间；缺点是过度使用钢筋，导致立柱的方向相差不大。（3）钢框架—支撑混合体系是相对于纯框架体系而言的，它主要依靠钢架与支架之间的对抗力来达到水平效果，容易发生一定的事故。

2 多层钢结构工业厂房结构设计要点

为了保证多层工业厂房的结构稳定性和空间充分利用性，在过去，大多数工业厂房的结构设计往往采用框架结构，然而，这种施工方法虽然节约成本、经济实惠，但在一定程度上浪费了厂房的空间。为此，要求多层工业厂房的设计人员遵循一定的设计原则，将结构设计简洁性原则、柱网对称均匀原则、清晰传力原则列为自己的设计标准。只有设计者和施工人员根据这些原则进行厂房结构设计，掌握厂房结构设计的要点，才能减少工业厂房的空间变形，避免应用集中、凹角、收缩等问题。

（1）多层工业厂房结构设计人员应合理控制水平和垂直框架的使用周期。由于多层工业厂房具有大跨度、大尺寸的特点，要求厂房结构尽可能少使用立柱，以提高工程的安全性，最大限度地利用空间。然而，横向框架需要使用更多的柱和更小的尺寸，因此，施工人员和设计人员有必要合理调整水平框架和竖向框架，制订最佳的设计方案。例如：一般在设备规模较小的前提下，采用水平控制的结构施工方法，以促进竖向和水平方向抗震能力的一致性，这种设计方法不仅可以预防地震灾害，还可以节省企业或单位的成本；反之，在设备更大、空间更宽的前提下，设计师应利用纵向框架结构，最大限度地利用厂房用地，从而经济合理地设计不同行业或车间的选址［1］。

（2）多层工业厂房的结构设计人员在安装电梯时也应选择科学合理的位置。由于多层工业厂房所涉及的工业设备和货物往往较重，设计人员需要为生产活动建立垂直运输电梯，从而最大限度地节省人力。而且电梯房的生产工具和材料大多为钢筋混凝土，这些材料刚度大，这就要求设计师要意识到烘箱材料对建筑可能存在的偏心，从而最大限度地对建筑的角落和末端进行干预，以便于工作人员的正常使用。

（3）对于地质、洪水等自然灾害多发地区的多层工业厂房，还应合理控制抗震缝。因为在过去房屋使用寿命较长时，如果一个建筑在设计或施工阶段设计过多的伸缩缝或抗震缝，就会影响建筑的最终使用效率，而且容易出现渗水的情况。对此，施工人员应注意伸缩缝和防震缝的数量，间隔40m左右设置后浇带，从而减轻对整个建筑结构应力点的压力，从顶层或底层提高整个工业厂房的防震效果。

3 多层钢结构工业厂房结构体系

3.1 建立多层钢结构工业厂房的设计理念

当设计部门决定采用多层钢结构工业厂房时，需要提前有一套完整的设计理念，而设计理念的提出取决于对多层钢结构建筑结构特点的掌握和工业厂房的具体需求。除了这两点外，设计师的个人相关经验也具有很大的指导意义，在具体的设计工作中，如果设计内容或施工内容不符合实际要求，设计师根据个人经验可以做出准确的判断和处理，从而减少对施工的不利影响［2］。

3.2 综合分析多层钢结构建筑的特点

多层钢结构建筑在工业厂房中广泛应用的主要原因是轻钢材料具有与普通钢相同的强度和耐久性，维修材料一般为夹芯金属板。从这些方面可以看出，多层钢结构工业厂房具有以下特点［3］。

（1）采用集中式悬架，承载能力强。建设工业厂房，特别是大型工业厂房的主要作用是放置一些大型的工业机械设备，而这些设备需要经常使用，在使用过程中，往往会产生巨大的振动和负荷，这将对厂房建设产生一定的影响。机械设备在运行过程中会产生集中荷载和悬挂荷载，这些荷载是对厂房稳健性的重大考验。多层钢结构工业厂房的设计特点能满足所有的荷载要求，具有较强的承载能力。

（2）施工周期短。工业厂房有许多建筑要求，具体内容是更高层次、更多标准建筑、适合工业化的装配线建设。对于具体的工厂建设来说，这是一个巨大的挑战，以上要求大大增加了施工难度，消耗了大量时间，延长了工期。多层钢结构建筑可以很好地避免这一问题，因为多层钢结构的施工要求相对较低、轻钢重量小、操作安装非常简单，大大提高了施工效率，缩短了施工周期。

（3）防震性能。在工业厂房建设初期，应优先考虑厂房的防震，因为地震问题是造成房屋损坏的重要因素。在工业厂房的建设中，抗震能力也是厂房非常重要的安全保障，特别是在地震多发地区，抗震性能应放在建设需求的首位。在建设项目中，首先可以调查厂房所在地区近年来的地震发生情况，根据区域地震情况，选取厂房的抗震系数。必要时，寻求专业人员的帮助，进行厂房的防震设计，使工业厂房能够适应不同地区的条件，提高厂房的使用寿命和安全性，为厂房的安全生产提供保障。

4 多层钢结构工业厂房设计注意事项

为了使设计的多层钢结构工业厂房满足各种高质量的要求，其设计方案的制订不容忽视。因此，设计师必须去许多施工现场实地考察核电站，再设计图纸，然后精确测量和计算所有数据，以便最终确保设计方案最符合当地的地理条件，充分利用其所有功能。

4.1 负荷计算

一个工程能否安全进行，提前计算好工程各部分的负荷是非常重要的。在工程进行过程中，设计者必须提前到施工现场进行实地考察，并提前进行精确的荷载计算。具体的计算需要根据建筑结构的荷载规范进行，框架的主荷载可以直接由PMCAD 生成，从而在一定程度上保证建筑工程的施工安全和质量。由于该工程主体框架面积较大，屋面梁计算时可按0.3kN/m计算荷载［4］。

4.2 主框架设计

在主框架设计过程中，由于荷载较大，为了尽量减少用钢，需要结合反弯点的具体位置，将梁改为变截面梁，同时，也要使其符合钢结构设计规范的规定，以保证企业能够获得最大的经济效益。大量试验结果表明，如果框架主梁两端剪力满足钢结构设计规范的相关要求，纵柱无需重新设计，即可满足平衡要求。在纵弯梁的计算设计过程中，纵弯梁和二层次梁的数据应按两端铰接梁的值进行计算，并按塑性进行设计。合理的断面设计不仅能有效地提高建筑工程的安全性能，而且能保证有限的资源不被浪费。计算出最合适的截面可以提高企业的经济效益，帮助施工企业提高竞争力。

4.3 设置合理的失效机制

（1）遵循强柱弱梁的原则。要全面避免柱、梁的破坏，对于整个结构而言，决定其牢固与否最关键的因素就是柱的牢固程度。（2）强截面和弱杆。要严格避免节点结构的损坏和构件的损坏，对于节点来说，它与成员本身密切相关，因此，必须保证节点的完整性。（3）强剪切弱弯曲。对于实际的剪切破坏，在实际过程中是比较突然的，因此，提前预测和判断失败是不可能的。而对于弯曲破坏，它有一个变化的过程，并呈现曲线，可以提前预测危险，从而避免后续破坏的进一步蔓延［5］。

5 多层钢结构工业厂房结构设计措施

5.1 全面控制四大原则，突出抗震性能

四项原则是指在设计时要兼顾经济性和安全性，同时兼顾可靠性和实用性。然而，一些企业在厂房结构设计时，出于经济效益的考虑，往往忽视了质量，给安全埋下了很大隐患。安全是多层钢结构设计中最重要的考虑因素。对电站安全性能影响最大的环境因素是地震，一旦发生地震，如果核电站的设计不科学，它可能会被破坏或倒塌，导致重大事故。特别是在地壳活动频繁的地区，要对电站的抗震系数进行精心设计，综合考虑历史资料和专家意见，推断局部可能发生的最大地震，以最高地震为依据进行设计。总之，应严格控制设计和质量，在这四项原则之间找到最佳的平衡。

5.2 抓住受力关键节点，重视支撑系统设计

钢结构厂房安全性在首位，必须详细分析其受力情况，综合考察柱间、梁间、柱梁间节点稳固性，用合理的设计达到应力平衡状态。为了使节点更牢固，也要优选焊接技术，如栓焊连接，根据钢质调整焊接尺寸。抓住受力关键节点后，系统考虑支护结构的设计。在选择中心支撑结构时，应优先考虑交叉支撑和“人”形支撑，避免“K”形支撑。如果局部地震烈度较大，设计者应进一步提高结构的整体稳定性，如采用延性较好的偏心结构、通过合理布置简化构件计算长度等。如果设备荷载较大，为防止结构位移，应提高柱的横截面积，水平荷载压力应由柱等主要受力构件分担。只有科学设计支撑系统，才能从源头上消除安全隐患［6］。

5.3 合理结构计算，优化技术处理，提高综合效益

成本投资是工厂设计的一个重要考虑因素，企业应该追求最佳的成本效益，因此，设计人员应进行合理的结构计算，并为成本预算提供详细的数据。结构计算的各个方面都要综合考虑，包括梁、柱的长度计算、各部分荷载计算等关键和重要数据，以及细节上的注意事项，如梁端弯矩宽度的调整范围，一些不确定因素不能忽略，如可能的裂缝宽度计算。计算完成后，需要对软件进行复核，确保数据的准确性，避免在后期施工中由于数据的错误遗漏而造成频繁的问题和混乱。设计人员应积极与施工人员沟通，达成共识，在结构计算环节统一概念，避免施工矛盾，降低协调成本。在做好结构计算的同时，要对造型设计进行优化，以优化结构设计，使综合效益最大化。多层钢结构的设计体系有很多内容，一旦构件控制不合理，设计过于复杂，将大大增加后期施工的麻烦。设计人员应分层量化钢结构应用技术项目和建筑材料的投入量，合理投入钢材用量。设计师需要有相当的理论水平和专业能力，在保证钢结构的实用性和可靠性的前提下，在参数计算和结构计算的整个过程中都应贯彻简化技术处理的原则，以最小的投入带来最大的产出。