关于工业建筑轻钢结构设计问题的研究

2023-01-07王莎

江苏建材 2022年3期

王莎

（中国建材国际工程集团有限公司江苏分公司，江苏南京 210000）

0 引言

新时期背景下，我国工业建筑工程施工逐渐向智能化、大型化、高层化趋势发展，传统水泥结构和木结构已经无法满足需求，而轻钢结构作为新兴技术，以其可塑性高、抗压性强等诸多优势受到了广泛青睐，有效应用不仅能够减轻建筑体自重，且可以提高建筑的安全性和稳定性。轻钢结构已经成为工业建筑施工中不可或缺的技术手段，已成为后续施工技术进一步发展和应用的必然需求。

1 工业建筑轻钢结构概述

相较于混凝土的浇筑施工，轻钢结构利用空间大、施工速度快，弥补了传统混凝土现浇施工低效、污染等缺陷，且能够结合实际调整强度，现已被广泛应用在工程建设中。该结构在建设中应用大量钢制骨架、螺栓等，只需要简单地拼接组装就能够完成基础建设工作，将其应用在一些工业建筑施工中，能够有效缩短工程建设期限，且可以保证强度、空间符合使用需求[1]。

2 工业建筑轻钢结构系统分析

工业建筑轻钢结构系统包括主结构、次结构、屋面结构以及墙面结构，所有构件都经过预先设计，下面将进行细致分析。

2.1 主结构

轻钢结构的灵活性较强，较比传统的钢结构，自重更轻、性能更加优越，能够结合相关技术措施应用于各类建筑中。从主结构上进行分析，单跨柱脚可采用铰接的方式，跨度控制在21～36 m；多跨考虑钢架弯矩包络图确定钢梁、钢柱变截面大小和选择拼接节点，结合主体要求设置摇摆柱，钢架梁在反弯点附近进行拼接，以此保证稳定性[2]。

2.2 次结构

轻钢结构的次结构材料以冷弯薄壁型钢等为主，在次结构的檩条及墙梁设计中，结构型式需要结合实际选择。次结构可以将其划分为C 形或和Z形，其中C 形次结构为简支座，以冷弯薄壁型钢再加上隅撑构成，应用中刚度相对较低；Z 型则为连续支座，截面条件下承载力要大得多，跨度＞6 m 的檩条设置拉条，采用薄壁角钢作拉条能起到很好的抗倾覆作用，设计中必须对此着重关注。

2.3 屋面系统

轻钢结构与普钢结构设计存在差异性，限制条件存在很大的不同。在屋面系统中必须考虑荷载取值，为此需要预先对结构变形以及长细比例进行计算，随后确定屋面与整体结构的关系。轻钢结构屋面系统可以分为螺钉外露式、暗扣式和锁缝式，在实际应用中可选择厚0.6 mm 彩色复合压型钢板作为保温防水层，钢板下可以铺设玻璃纤维承受屋面荷载，这一方式现已逐渐成为主流[3]。

2.4 墙面系统

墙面系统也是工业建筑轻钢结构的重要组成部分，在设计过程中需要按照相应的技术规程进行工作开展，可以结合实际选择压型钢板或复合板，从而确保设计的合理性。压型钢板多为竖放，通常情况下需要在内侧加铺一层内板，可以放置纤维棉进行保温，整体的美观性较好；复合板则多为横放，需要在竖向连接处防水处理，外墙面每隔6～9 m需要进行竖向搭接，适合要求较高的工业建筑。

3 工业建筑轻钢结构设计基本原则

3.1 适用原则

节点选择要具有适用性，可以借助计算机设备进行模拟，检查设计方案是否符合工业建筑标准，随后判断具体的框架结构，如发现问题则需要进行优化，保障后续投入使用能够安全稳定[4]。同时，在设计中也需要考虑工业建筑使用期间的各项需求，包括设备摆放以及人员活动等，且需要考虑采光性能等，在确定结构形式后需要进行设计核对，如发现部分区域受力严重则需要增大材料强度，结合实际进行加固处理，如结构难以契合需求则需要改变结构框架的形式。工业建筑室内空间大，轻钢建筑框架要预留足够多的通风口，在关键位置设置通风器；在考虑室内光照强度时，可以选用隔热建筑材料，分析后续所应用材料的抗氧化能力，减少使用过程中热量的堆积，避免出现不适用的情况。

3.2 安全原则

在设计中根据工业建筑特点，分析耐火等级以及抗震等级，多（单）层轻钢结构皆需要进行防火及抗震设计。涂料性能指标必须满足《钢结构防火涂料应用技术规范》；而抗震则需要满足《建筑抗震设计规范》。轻钢结构的工业建筑通车规模较大，在内部除办公区外还会设施办公室、仓库等，外部会设置辅房，则空缝要采取封堵措施，材料需要结合实际进行选择，包括保温板、防火板、密封胶等，确保工业建筑的整体质量。

3.3 经济原则

在工业建筑轻钢结构设计中，也需要考虑经济原则，根据生产的特点和企业的要求实施，在方案比较后得出最优方案，其中包括项目选址、规划位置、建筑材料、单体规模、建筑造型等，配合建筑、电、水、工艺、暖通，尽量采用标准尺寸的产品，在满足规范要求的前提下尽可能节省资金消耗。

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3.4 美观原则

工业建筑工程也需要在设计中考虑美观性，要求内部空间充足、完整，结合楼层总高度、基层承载能力进行设计，结构柱距离一般可以设置在8~9 m的范围内。工业建筑形体简洁、规格统一，根据其自身的特点设计可采用较少的外部装饰与内部装饰，外墙板可以选择氟碳涂层、高（低）波压型彩钢板、小型彩钢等，结合实际考虑光影效果变化，使整体外观效果进一步提高。

4 工业建筑轻钢结构设计需考虑的几点问题

4.1 活荷载取值

因GB 55001—2021《工程结构通用规范》的要求，活荷载的标准值均为0.5 KN/m2，如活荷载取值不合理，则容易给轻钢结构埋下安全隐患。为此需要在设计中结合实际情况，综合考虑各种因素，按需要通过计算合理增大。同时，还应将悬挂荷载考虑到设计过程中，可以按照活荷载≥0.4 KN/m2的悬挂荷载进行计算取值。

4.2 体型系数

轻钢结构依托于受力构件截面，确定体型系数范畴，参照《建筑结构荷载规范》考虑范围，因风荷载体型系数敏感性较大，在实际的轻钢结构设计中，可以按照相应情况对规范进行选取，当跨高比L/H≤4时按《建筑结构荷载规范》选用；跨高比L/H＞4 时，按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》附录A 选取。

4.3 柱脚设计

在设计轻钢结构时，强度会随柱脚发生改变，因此需严格控制铰接柱脚的设置。应结合柱顶位移需要增大梁柱断面，分析建筑高度和风荷载的大小，通过设计将柱下端固定在基础部分，增加与基础的接触面积，边缘最小距离必须符合建设的有关规定，根据荷载大小进行放大或缩小，防止基础柱脚因外在因素而破坏。

5 工业建筑轻钢结构设计的具体策略

5.1 支撑体系

将各个平面钢架联结，为结构提供侧向支撑点，屋面布置应与山墙抗风柱的位置相协调，横向水平支撑应结合刚性系杆进行考虑，并对檩条的刚度和承载力进行验算，无法起到刚性直腹杆的作用时，在钢架斜梁间设置H 形钢或其他的截面形式，利用三点和架构焊接的方式，确保水平支撑力，整体支撑可利用轻质的混凝土来进行构建，这样做可以有效降低荷载，从而满足设计的实际需求。

5.2 伸缩缝处理

纵向温度伸缩可采用设置双列柱的方法处理，在厂房中部选取一榀适当的钢架，将所有纵向构件做成可滑动的节点，通过伸缩来释放温度应力。对于横向超长钢架的温度伸缩，则可以将其设置为双柱，在柱顶设滑动支座，考虑温度应力对钢架的影响，如梁截面变化较大，需增加大量的屋面支撑，且在实际建设中需要综合考虑到工期、造价等因素，保证后续处理的效果。

5.3 隅撑设置

隅撑是保证斜梁下翼缘受压稳定的重要措施，在设计中需要考虑梁端负弯矩的范围，与梁和檩条均采用单个螺栓连接，由此来形成对柱子的侧向支撑。为确保吊车梁对柱体的支撑效果，抗风柱与钢架斜梁下翼缘连接时，平面外计算长度可取至少2倍隅撑间距，连接处的斜梁下翼缘亦设置隅撑，减小边柱在纵向扭转效应。

5.4 拉条设置

檩体系压型钢板轻型需要设置拉条，当檩条跨度＞4 m 时，应在檩条跨中设置一道拉条；超过6 m 需要在整跨度的三分点处各设一道拉条，直径≥10 mm。将圆钢拉条设置在1/3 腹板高度范围内，采用自攻螺钉直接与檩条连接，以此保证后续应用的稳定性。

5.5 结构防护

（1）防火隔热

虽然工业建筑轻钢结构具有更高的强度与更高的可塑性，但整体的防火、隔热能力较差，温度在100 °C 以上时抗拉强度会缓慢下降，达到300 °C时轻钢材可能直接变形或损坏。为提高工业建筑投入使用后的安全性，在轻钢结构设计过程中需要结合建筑图明确防火隔热的实际需求，严格遵守国家的防火规范，选择上也要选择符合质量的防火涂料，保证防火隔热设计的效果。

（2）自然腐蚀

轻钢结构的腐蚀会造成钢材构件截面的减小，表面出现腐蚀绣，这样的现象大大加重了工业建筑的安全隐患。轻钢结构在自然潮湿的环境下容易氧化，为防止钢结构的氧化腐蚀现象，延长钢结构厂房的使用年限，可以采用氧离子与钢结构相隔离，并采用防腐涂料进行涂刷，在钢结构进行防腐设计时，考虑环境因素进行合理设计，从而减少钢结构的自然腐蚀现象。