钢结构厂房稳定性研究

梅浩栋 赵伟哲 秦宏伟 丁悦

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

0 引言

钢结构是由钢制材料组成的结构，是主要的建筑结构类型之一。2008年奥运会后我国钢结构建筑得到迅猛发展。钢结构作为一种主流的结构形式，被广泛应用到厂房、铁路、桥梁以及大型场馆及住宅等方面，各种规模的钢结构企业数以万计。通常钢结构建筑的多少，标志着一个国家或一个地区的经济实力和经济发达程度，钢结构既适合单层大跨度建筑，也可用于建造多层或高层建筑，用途广泛。得益于炼钢技术的提升以及奥运会的推动，很多新建厂房普遍采用钢结构形式。因此，对钢结构厂房稳定性问题进行研究很有必要。

1 钢结构失稳原因分析

钢结构失去稳定性的原因主要有钢结构整体失稳和构件局部失稳。

1.1 钢结构整体失稳

（1）构件整体稳定不满足要求。当受压部位或受弯部位杆件的长细比超过允许值时，结构会失去稳定。

（2）构件有各类初始缺陷。钢结构材料存在的缺陷，导致计算出现一定的误差。如：钢结构的焊接残余应力和残余变形、初偏心力以及初弯曲，加工产生的残余应力和残余变形等没有得到足够的重视。

（3）构件受力条件的改变。钢结构使用过程中荷载和使用条件的改变，如超载、节点的破坏、温度的变化、基础的不均匀沉降、意外的冲击荷载等，引起受压构件应力增加，或使受拉构件转变为受压构件，从而导致构件整体失稳。

（4）支撑不够。对于轻钢厂房，设计时往往只重视钢梁钢柱，支撑系统被设计者或施工者所忽视。如支撑间距过大，系杆以及支撑未计算凭经验选用导致长细比超限等，也是造成整体失稳的原因之一。

（5）施工临时支撑不够。在实际安装过程中，由于结构并未完全形成一个受力整体，需要对已安装好的钢构件设置一些必要的临时支撑来维持其整体稳定。若临时支撑未设置或设置不合理，轻则会使构件丧失整体稳定性，重则造成整个结构的倒塌或倾覆。

1.2 构件局部失稳

（1）局部稳定不满足要求。构件翼缘的宽厚比和腹板的高厚比大于限值时，易发生局部失稳现象，此问题在大截面构件及组合截面构件中应特别注意。

（2）受力部位加劲肋构造措施不合理。构件的局部受力部位，如支座、较大集中荷载作用点，应设置支承加劲肋，如果没有设支承加劲肋，使外力直接传给较薄的腹板极易导致局部失稳。对于较长构件，运输时构件两端以及中间如没有设置横隔，可能导致构件截面的几何形状发生改变而引起构件局部失稳。

（3）吊点位置选择不当。在吊装过程中由于现场吊点位置设置不合理，桁架或网架的杆件受力情况可能变化，造成局部失稳，所以钢结构桁架以及网架施工图纸应明确构件吊点位置。

钢结构建筑由多个钢构件组成，构件的局部失稳将导致构件受力情况改变，从而导致构件整体失稳，因此必须重视局部失稳问题。

2 钢结构体系保证稳定性原则

2.1 整体稳定原则

对于整个钢结构体来说，横向稳定主要是由各个梁柱做支撑维持平稳，而纵向的稳定，一般是由纵向支撑构件如系杆、支撑来达到平稳的目的。在对整个钢结构体系稳定性进行核算时，应该充分考虑横向和纵向承载情况。计算时要保证受压或压弯构件本身及其组成杆件在荷载作用下不发生屈曲而丧失稳定。整体稳定性的计算，需要结合梁柱构件自身及其面外支撑系统进行全面设计［1］。

2.2 局部稳定原则

在设计阶段，除了需要对钢结构整体的稳定性有充分的考虑外，还应结合建筑物所处的环境以及建筑物的形式来对图纸进行针对性的设计。局部稳定设计最主要的部分就是对钢结构支座及节点的设计，如支座处、吊点处、梁柱节点处、现场焊接部位、较大集中荷载作用点等应设置纵向及横向加劲肋，以免构件在集中力作用下发生破坏。保证构件局部稳定的关键在于保证构件各部位在外部集中力作用下不发生屈曲，从而维持自身稳定性。只有保障各构件本身的稳定，才可以确保整个钢结构体系不会出现失稳的情况［1］。

3 钢结构稳定性设计阶段要点

3.1 结构方案设计

结构体系应根据建筑的抗震烈度、建筑高度、场地条件、地基、材料及施工等因素，结合技术经济和使用条件综合比较确定，不同性能的钢结构建筑需要采用不同的结构形式进行设计。对于钢结构建筑，要明确整个钢结构体的受力体系，在进行设计时，应尽量采用一些相对合理的结构样式。另外，在进行方案规划时，钢结构建筑应尽量能够满足规则性要求，建筑设计应重视起平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能及经济合理性的影响，宜选用规则的形体，其抗侧力构件的平面布置宜规则对称、侧向刚度沿竖向宜均匀变化、竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐较小、避免侧向刚度和承载力突变，这样可以使钢结构体系受力均衡。方案设计中尽量满足以下三点原则：

（1）平面的设计应尽量简单且对称，尽量避免平面凹凸，减少平面不规则，同时应具有合理的刚度和承载力分布，使钢结构体系整体的重心以及结构的中心吻合，使结构在两个主轴方向的动力特性相近，避免应力集中或塑性变形集中，平面规则结构对于扭转和形变的抵抗能力比较强。

（2）对于竖向的设计，也要尽可能减少不规则性，同时尽量避免竖向抗侧立构件不连续和楼层承载力突变的情况。结构竖向的规则和对称能够最大程度地满足结构整体的稳定性。

（3）对于一个建筑物来说，钢柱的布置以及基础形式的合理选择也很重要。在满足工艺生产要求下，应尽量减少非必要的抽柱，使其尽可能满足对称以及结构规则性要求。对于不规则的建筑应按规定采取加强措施，按相应要求进行地震作用计算和内力调整，并对薄弱部位采取有效的抗震构造措施，特别不规则的建筑应进行专门研究论证，不应采用严重不规则的建筑。

3.2 将绿色发展理念纳入设计

近两年，光伏太阳能行业发展迅速，以玻璃行业为例，业主常常要求设计院在设计厂房时考虑屋顶布置太阳能板。笔者认为工业厂房屋顶适当布置太阳能板或是大势所趋，今后钢结构厂房在进行方案设计时，可结合太阳能板系统，考虑在钢结构厂房屋面或外围墙上布置太阳能板。设计太阳能板方案需要结合厂房的维护结构，使两者相辅相成。玻璃厂一般大面积小坡度屋面厂房，如切裁、装箱、深加工以及库房等工段屋面常采用此技术。此技术在节约后期生产成本的同时也能在一定程度上提高厂房整体的稳定性及美观度。值得一提的是，进行该项设计符合循环发展的理念，能满足国家对新建工业厂房的环保要求。光伏太阳能板系统对厂房整体的稳定性有一定的提高，但对于采用光伏太阳能系统的厂房，由于太阳能面板自重10～20 kg/m2，在设计时，需要对厂房原有结构的承载力进行核算。

3.3 工艺协调

现阶段跨度不大于48 m的钢结构厂房，一般都是采用轻钢门式刚架。厂房的建设都是为后续生产服务，所以钢结构厂房设计要充分满足后期在厂房内进行的各种生产需求，但是现实中设计图与实际安装不一致的情况也屡见不鲜。为了提高设计图的合格率，在设计工作开展时，就要以实际生产工艺为出发点，使设计的方案能够满足生产的要求，如厂房的高度、变形缝的位置、抗风柱位置、钢架的柱距及结构楼层等。对于钢结构厂房材料的选择，一般都是根据实际需要选择相应的材料；对于有特殊要求的厂房，需要进行构件疲劳验算，寒冷地区，还需要选用相应材质的钢材，其材质必须符合国家的相关标准，使整个钢结构厂房的设计合理可靠。

3.4 抗震性能设计

钢结构厂房除了需要满足结构稳定性要求之外，还需要具备必要的抗震承载力，应具备良好的变形能力和消耗抗震能量的能力。结构厂房抗震性能的强弱直接影响厂房在遭遇一定幅度震动时的受损程度。设计人员需要根据建筑体所处的地区对钢结构建筑的受力情况以及抗震性能进行分析，使所设计的厂房满足抗震要求。对钢结构厂房受力分析时，也可对钢结构构件的形状及梁柱关键节点进行合理优化，使其充分满足抗震要求，确保厂房内部生产工作的安全和稳定。

3.5 结构受力体系设计

钢结构的设计中，承载力设计是关键。目前国内所设计的钢结构构件大多采用T字型或箱型、H字型，尽量避免畸形构件，这种对称形状构件截面刚度较好，具有较好的承载能力。对于吊车吨位大的厂房设置制动桁架或制动梁来抵抗横向水平荷载（图1）。对于较大高度的钢梁，在纵向布置支撑时，可在支撑柱距设置双层系杆以抵抗梁平面外水平向荷载引起的扭转（图2）。对于同一钢结构建筑，不同位置的构件其要求也不同，如在整个结构中，钢柱及柱脚一旦承载力超限或失稳破坏，影响极为严重，因此务必充分保证其承载力及稳定要求，建议设计时可预留适当的余量。除此外，钢结构构件节点在设计时也要进行严格的计算，尽量满足强节点弱构件要求。

图1 吊车制动桁架

图2 双层系杆

4 钢结构加工及施工阶段要点探究

除了设计之外，钢结构加工时要严格按照设计图纸进行图纸深化及加工，如有构件结构不合理处或施工有困难的地方，及时向设计单位反馈，钢构件严格按照工艺流程要求进行加工制作。构件运输时构件在运输车辆上的支点、两端伸长的长度及绑扎方法均应保证构件不产生永久变形、不损伤涂层，节点板、高强度螺栓连接面等重要部分要有适当的保护措施。现场施工单位应做好构件进场交接验收，对构件进行妥善安置及防护。钢结构吊装前应做好应急预案，在钢结构安装过程中采用合理施工方案，尽可能避免现场扩孔，减少现场焊接作业，减小施工过程中的误差，对安装好的构件采取临时支撑措施以保证结构整体稳定。对于危大工程，务必做好预案，制定应对措施，加强安全管理，确保工程安全生产，防范安全生产事故。另外，施工过程中监理也要做好现场监管工作，确保每个施工环节能保质保量的完成。

5 结语

在进行工业厂房设计中，钢结构优势明显，被广泛应用于各种大跨度工业厂房。随着我国国民经济的显著增长，钢构件加工行业制作水平的提升以及装配式建筑发展的大趋势，今后国内采用钢结构的厂房将会越来越多，设计及相关人员一定会造就更多经济合理、安全可靠的钢结构建筑。