关于钢结构厂房结构设计的相关研究
2022-08-15薛国辉李帅
薛国辉,李帅
(中建三局城建有限公司,长春 130000)
1 前言
现在,无论是国内还是国外,都在不断的开发技术,使得防腐涂料、防火涂料、高强度钢板等都在大规模的投入使用。因此,钢结构被广泛地应用于工业的建设中,而且发展的速度也越来越快。工业建筑在进行结构设计时,每个设计者的设计经验不同,对规范的了解程度也会有差异,因此,在设计问题时,所选择的处理方式也会有所不同,下面对工厂钢结构的设计研究进行了介绍。
2 钢结构工业厂房特点及发展历程
2.1 钢结构工业厂房特点
第一个特点是钢结构的大跨度。目前国内很多工厂的设计,都是为了满足大跨度的需要,采用的是大跨度的钢结构,钢结构最大跨径可达48 米,相对于传统的钢筋混凝土框架,在不改变梁高的前提下,实际开口间距比钢筋混凝土大50%以上,因此能有效地增加立柱的弹性。该特性使得钢结构在纵向温区长度超过300 米,横向温带长度为150 m,完全符合有关要求。第二个特点就是钢制的建筑比较轻巧。在厂房的设计和施工中,钢结构相对于常规混凝土结构来说,具有较低的质量,从而极大地减轻了基础的荷载。此外,钢结构体系在很大程度上克服了混凝土结构抗震能力差、施工技术复杂等缺点,其是一种应用于民用建筑项目的材料,其耐久性得到了极大的提高,可以有效地延长轻钢结构的使用寿命。
2.2 钢结构的发展历程
20 世纪50 年代中期,国内率先对预应力钢结构进行了研究,率先应用于输料栈桥,国内某年建造了一座25 米左右的煤炭栈桥,这是国内首次采用预应力钢栈桥。此后,国内部分学者逐步开发出了冷弯薄壁钢结构,以使其更加符合我国国情。到了70 年代末,我国一家工厂已经成功地开发出了一种新的自动式高架仓库,仓库的高度大约在15 米,共有13 层。随着我国经济的快速发展,钢结构工程建设的步伐也越来越快,空间结构和相应的轻型钢结构也逐渐被开发出来。
3 钢结构厂房设计不足之处
作为一名建筑设计师,应该按照企业的需求,对工厂的建筑进行全面的设计,包括柱网、跨度、气楼、吊车的形式,以适应建筑的实际应用需求。首先是立柱、网孔等,在选择立柱网段时,应了解生产工艺、设备布置、生产线数量、吊车的吨位及使用次数。不要一味地追求成本最小化的钢材,以满足生产的需要。其次是建筑内部,由于钢结构厂房的内部采用了柱间支撑,并在柱上安装了电缆桥架、管道支架等,部分构件具有较大的荷载,所以对敏感结构厂房的受力进行合理的规划是设计的重点和难点。厂房内部结构存在的设计缺陷包括:钢支架分布、气楼形式不合理、柱间支撑位置等因素对内部的物流通道产生影响;另外,对生产工艺、吊车外形尺寸的认识还不够充分,致使吊车的吨位、数量、形式、安装吊车时的净空高度都不够合理,会对生产造成极大的浪费。最后是造价,在设计过程中要充分考虑成本费用,而成本费用是影响企业经济效益的一个关键因素。在工程建设中,工厂的工程项目扮演着举足轻重的角色[1]。
4 工业厂房钢结构进行设计的准备工作
4.1 结构分析
工厂的钢结构分析是一个很重要的环节,在完成了结构的评估之后,相关的设计师必须要对工厂的钢结构进行全面的分析,确定是否符合建筑的要求,在必要的时候,还要检查一些关键的参数,包括安全隐患、结构变形、工期等等。
4.2 结构判断
在前期的准备工作中,设计师要通过对有关数据的判断和分析来检验钢结构的适应性,从设计经验来看,并非所有的工厂厂房都适用于钢结构,如果盲目的选择钢结构,可能会造成安全事故的发生。
4.3 结构评估
在进行结构评价时,首先要建立力学模型,然后对各构件的剖面进行具体的参数分析;钢结构厂房结构估算时,先确定梁、柱支承的截面参数,然后确定是否可以在一定程度上选择H 型钢、槽钢、轧钢等截面。
5 钢结构厂房结构设计要点
5.1 结构布置
在钢结构厂房的结构设计中,不仅要达到具体要求,而且要对其大小进行精确的控制。比如:钢结构厂房,门型钢架的宽度在21 米~24 米之间,宽度可以根据实际情况而定,但不能超过36 米,垂直和水平的荷载都是由构件连接而成,并且这些构件还承担着相邻框架之间的连接,在支撑系统中施加的压力,也要在相应的温度区域,设计屋顶的横向支撑,增加空间的稳定性[2]。
5.2 受力分析
在钢结构厂房的结构设计中,当屋顶处于满载状态时,应从安全的角度对其进行受力分析。在进行应力分析时,根据荷载作用的组合,举例说明:第一,考虑活荷载、雪荷载,并选取二者间最大的荷载,作为结构设计规范。第二,在进行应力分析时,应将雪荷载和积灰荷载结合起来。第三,在钢结构厂房的屋面施工、检修过程中,不得采用这种载荷进行自动加载。第四,按国家规定的负荷标准,安排多个起重机使用。第五,对设计风荷载和地震荷载的区别。规范中指出,钢结构厂房屋顶的垂直荷载标准为0.5 N/m2。
5.3 防火设计
在长时间承受100℃辐射热量的情况下,钢的强度变化不大,并有一定的耐热性;但超过150℃时,必须采用隔热材料。钢结构不能耐火,应特别重视对关键建筑物的防火保护。目前,为了保证钢结构的耐火性能,一般采用在钢结构上涂一层防火漆,以保证其耐火性能。另外,设计者还要从多角度进行分析,并采取相应的防范措施,例如:合理地设计疏散通道、逃生通道等,避免发生火灾时人员的紧急撤离,减少火灾造成的伤害[3]。
5.4 防腐设计
由于钢制建筑经常暴露在空气中,极易受到空气的侵蚀,而在钢制建筑内部,由于长期处于潮湿的环境中,其腐蚀就会加剧。钢结构受腐蚀,不仅导致整体截面变小,而且在钢材表面产生大量的花纹和凹坑,对结构造成一定的破坏。最常用的方法是在钢结构表面涂上一层防腐蚀涂层,这种涂层具有致密性、疏水性、高电阻、高粘附性,能有效地阻挡空气中的水蒸气和氯离子,对钢结构起到很好的防护作用。
5.5 抗震设计
在工业厂房的钢结构设计中,特别是在高震地区,应加强钢结构的抗震设计,以有效地提高厂房的抗震性能,并增强厂房的抗震性和安全性。在设计中,为了减小振动对厂房的损害,应使钢结构的布局均匀、对称,并使结构传递力清晰、有效。在此基础上,采用科学、合理的连接方法,以保证屋架与屋面板、屋架和立柱的连接牢固,防止节点损坏。同时,还需要加强柱身与墙体的拉力,采用合理的高宽比调节和减震方法,使其在地震作用下的抗震性能得到最大化。
6 工业厂房结构设计中钢结构设计的内容
6.1 钢结构工业厂房图纸设计
在钢结构工业厂房的结构设计中,必须根据实际情况,按照图纸进行详细的施工。在钢结构施工中,根据施工阶段、施工质量、施工工艺等进行施工,设计图纸都有明确的规定,可以说,在工程建设中,设计图纸是很有价值的。在具体的设计中,还要注意材料的准确性,也就是钢筋的种类和规格都要尽可能地控制在一个很小的范围之内,如果两个钢筋的规格大小比较接近,那么就可以采用相同的标准。
6.2 钢结构工业厂房防火设计
与混凝土结构相比,钢结构在使用过程中会受到温度的影响,其耐火性能也不是很好。因此,在钢结构工业厂房的结构设计中,应充分考虑保温、防火等因素,以保证厂房整体的安全可靠。在建筑工程的具体设计中,应明确火灾危险等级、防火等级,并严格按有关防火规范进行设计,选用防火等级的钢材,以减少火灾对钢结构的冲击,从而提高其防火性能。在实际工程中,为了提高钢结构的耐火性能和防火等级,一般都会在钢结构上涂覆一层防火漆。此外,在设计时,设计者应采取有效的预防措施,全面实施消防设计,减少火灾造成的损失。
6.3 钢结构工业厂房抗震设计
近几年,由于地震频发,工业厂房的抗震设计应从总体上提高其抗震能力。即在实际地震设计时,应确保设计厂房内钢结构的均匀性,并使其整体应力分布十分均衡,以钢框架为基础,合理的布置水平、纵向结构,以防止厂房出现变形,即使在地震中,也能保证建筑物本身的抗震性能。在地震中,建筑结构的损坏,主要是由于其承重部件没有满足规定的强度要求,导致结构在地震荷载作用下失去了稳定的支撑点,导致结构的坍塌。因此,在钢结构工业厂房的设计中,必须保证其科学、合理,从而使其整体稳定,并具有更好的抗震能力。在发生地震时,工业厂房中合理的支撑体系可以起到很好的保护作用,并能有效地保障建筑物的整体稳定,使建筑物的结构不至于受到严重的损坏。
6.4 钢结构工业厂房防腐设计
钢结构自身的特点,使其在空气中极易氧化,尤其是在潮湿的环境中,会使其进一步恶化。在钢结构的腐蚀中,其主要特征是:构件截面急剧减小、局部锈坑、受力部分应力过多等,从而对钢结构的寿命造成了很大的影响。在这一具体的设计中,设计师要将工厂周围的环境有机的结合起来,从而制订出具体的防腐蚀设计,进而有效地增强钢结构的抗腐蚀性能。目前,钢结构建筑施工中,一般都是在钢材表面涂上一层防锈防腐蚀涂层,以防止大部分的腐蚀因素与钢材的直接接触,从而起到保护钢材的作用。但是,在特殊的涂覆防腐蚀材料时,要根据不同的腐蚀防锈要求,选择特定的涂层厚度。
7 钢结构厂房设计中需要注意的事项
7.1 变形缝的设计
为钢结构工业厂房设计的变形缝,其主要内容有三种:防震缝、伸缩缝、沉降缝。在设计各类变形缝时,应充分考虑到工业厂房的质量要求。比如,当工厂厂房温度过高时,建筑结构就会受到温度的影响,从而导致建筑的变形。因此,在设计时,应以地基顶部为出发点,将两个温度区间分开的上部结构位置布置,使其易于在温度变化时发生横向变形,从而防止上部结构出现过大的变形。
7.2 支撑系统
在支撑体系的设计中,要重视结构振动、跨度、结构性能等方面的问题,并加强其在实际中的应用。钢结构厂房由于功能的差异,其支撑体系的设计也不尽相同,当钢结构厂房安装有振动装置或起重机时,就需要进行支承体系的设计,并且是横向支承,从而确保钢结构厂房的安全与稳定,使其结构设计更具科学性,进而使支撑体系发挥更大的作用。
7.3 厂房的工艺设计和钢结构设计要相互协调
钢铁工业厂房是企业生产领域的重要组成部分,而工厂的建设对整个生产流程的优化起着至关重要的作用。有时,厂房的结构不符合设计要求,主要有:墙体宽度、厚度、高度等指标不符合要求。其结构形式有:塔桅、网架、索膜、轻型钢、平面桁架、框架、桁架等,结合企业的实际情况,选用适当的钢结构,如采用格子式结构,当悬挑载荷大时,可以降低建筑物的荷载。另外,在选择设备时,还可以选择不同的材料,在选定的区域要根据不同的用途来选择,具体可以选用无缝钢管、焊接钢管等材料来满足结构需求。在无缝钢管内,有一个空心的部分,这个接口可以用来传输液体。圆钢和钢管等固体钢相比,具有更轻的重量,用于工厂的结构,可以稳定钢结构。因此,在结构设计上必须与生产工艺条件一致,工厂的设计必须与生产过程相适应。
7.4 合理进行电梯间位置布置设计
如果工厂是多层建筑,那就意味着要安装一些升降机来搬运货物。因此,在建造多层楼的时候,一定要合理选择电梯的位置,不仅要保证沉重的东西可以搬运,而且要保证在搬运的过程中,电梯之间的重量也要均匀。在选择升降机的地点时,应尽量避免与大楼的中心相背离,也就是大楼的拐角和末端。
8 结论
综上所述,工厂厂房是企业发展的重要物质基础,其科学合理的设计不仅能保证企业的安全与稳定,还能促进职工整体生活水平的提高。目前,钢结构被广泛地用于工业建筑的结构设计。然而,由于钢结构自身的缺陷,所以在设计时应严格按照规范,强化耐火、抗震等方面的设计,以确保其安全,并保障整体的质量,为我国工业的健康发展打下良好的基础。