劉震

煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州市 450007

工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計體會

劉震

煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州市 450007

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的大力發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房因其施工速度快、自重輕、抗震性能好、環(huán)保等特點在建筑工程中被廣泛認可。筆者結(jié)合在工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的體會，總結(jié)出了一些設(shè)計中應(yīng)該注意的問題，希望對設(shè)計人員及施工人員有所幫助,以便同行參考與交流。

工業(yè)廠房；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計；力學(xué)計算

前言

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行業(yè)廠房設(shè)計向著大跨度、大柱距和大噸位方向發(fā)展。很長一段時間以來,我國的工業(yè)廠房建筑主要以鋼筋混凝土為主，鋼結(jié)構(gòu)由于具有強度高、塑性好、自重小、施工工期短、制作方便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，近幾年來，在國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)新工藝、新技術(shù)的發(fā)展和推廣的基礎(chǔ)上，高強度板材、高效防火、防腐涂料在工業(yè)建筑中大量應(yīng)用，從而使鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑領(lǐng)域得到較快的發(fā)展。在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,每個設(shè)計者的經(jīng)驗不同,對規(guī)范的理解不同,在處理某個設(shè)計問題時,也就會采取不同的處理方法。本文結(jié)合筆者在工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的體會，總結(jié)出了一些設(shè)計中應(yīng)該注意的問題，希望對設(shè)計人員及施工人員有所幫助,以便同行參考與交流。

1 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用特點

鋼結(jié)構(gòu)分重鋼和輕鋼，目前業(yè)界還沒有一個統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)。一般認為廠房行車起吊重量大于或等于25噸，就是重鋼結(jié)構(gòu)了。有的按照用鋼量比來看，即每平方米用鋼量大于或等于50K G/m2，就認為是重鋼結(jié)構(gòu)。一般重鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于如電廠廠房、石化廠房等大跨度的工程，輕鋼主要應(yīng)用于輕型的倉庫、工業(yè)廠房、貨場、站棚等，此類鋼結(jié)構(gòu)建筑每年需求量大約在600萬以上，并呈逐年快速增長之勢。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)自重輕、布置靈活

鋼結(jié)構(gòu)的容重雖然較大，但與其它建筑材料相比，同樣跨度、同樣荷載時，鋼屋架的重量最多不超過鋼筋混凝土屋架的1/3，而且鋼結(jié)構(gòu)方便運輸、吊裝，可以降低運輸成本。其次，鋼結(jié)構(gòu)可以滿足工業(yè)廠房建筑設(shè)計的大跨度要求，最大的跨度可達48m左右。同時，在梁高相同的情況下，鋼結(jié)構(gòu)的開間可比混凝土結(jié)構(gòu)的開間大55%左右，可以使柱網(wǎng)的布置更加靈活。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)拆、裝簡便，施工速度快

鋼結(jié)構(gòu)由專業(yè)化金屬構(gòu)件廠生產(chǎn)構(gòu)件(梁、屋架、柱等)，其機械化生產(chǎn)程度高，精度和質(zhì)量可以保證。當(dāng)制成的構(gòu)件運到現(xiàn)場進行組裝時，現(xiàn)場通常只需進行螺栓和緊固件的安裝，很大程度地節(jié)約了人力成本，且施工速度快，大大減少建設(shè)周期，經(jīng)濟效益明顯。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)空間利用率高、綠色環(huán)保

由于鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成的屋面下部空間較大，可布置各種管道，如通風(fēng)管道、空調(diào)冷水管道、消防管道、采暖管道、給水管道、壓縮空氣管道等，因此，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計可以充分利用建筑空間，節(jié)約相應(yīng)的投資。且鋼材本身是一種高強度和高效能的材料，鋼結(jié)構(gòu)安裝屬于干式作業(yè)，沒有噪聲和粉塵污染；已建成的鋼結(jié)構(gòu)也容易拆卸，同時還可以回收再利用，具有很高的再循環(huán)利用價值。

2 工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)備工作

2.1 結(jié)構(gòu)判斷

在設(shè)計準(zhǔn)備階段，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)企業(yè)提供的資料信息進行分析、判斷所要設(shè)計的廠房是否適合采用鋼結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)并不是所有的工業(yè)廠房都適合鋼結(jié)構(gòu)形式，若盲目地選擇鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，會給建筑造成一定的安全隱患。

2.2 結(jié)構(gòu)評估

結(jié)構(gòu)評估是通過建立相應(yīng)的力學(xué)模型來分析構(gòu)件截面的具體參數(shù)，鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)預(yù)估是對梁柱支撐的斷面參數(shù)進行分析和設(shè)定，然后再確定鋼梁是否選擇槽鋼、軋制、焊接H型鋼等截面。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)分析是很重要的流程，結(jié)構(gòu)評估完成以后，設(shè)計人員則可分析廠房的鋼結(jié)構(gòu)是否符合施工要求，可以對重要的參數(shù)再次進行核對，分析工程周期、總剪力、結(jié)構(gòu)變形、安全隱患等。

3 工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題

3.1 廠房的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝設(shè)計相協(xié)調(diào)

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房是企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的一個模塊，廠房都是為生產(chǎn)服務(wù)的。廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計不符合要求常表現(xiàn)為:鋼支架分布不合理，墻體厚度、高度、寬度指標(biāo)不足等。鋼結(jié)構(gòu)的形式包括空間桁架、框架、平面桁架、輕鋼、索膜、網(wǎng)架、塔桅等，設(shè)計師應(yīng)根據(jù)企業(yè)的建廠條件和具體要求選擇結(jié)構(gòu)，對于懸掛荷載偏大的應(yīng)選擇網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，從而減小建筑荷載。此外，廠房結(jié)構(gòu)選型還可以通過采用不同的材料來做支撐結(jié)構(gòu)，具體選擇應(yīng)根據(jù)其使用要求，合理選擇焊接鋼管、無縫鋼管等材料來滿足結(jié)構(gòu)需要。無縫鋼管具有中空截面，可以用作輸送流體的管道；鋼管與圓鋼等實心鋼材相比，在抗彎抗扭等強度時，由于其質(zhì)量較輕，用于廠房結(jié)構(gòu)可增強鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，在廠房設(shè)計中首先要滿足工藝要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計也一定要滿足工藝條件，特別是在方案設(shè)計階段，設(shè)計人員應(yīng)多參與工藝協(xié)調(diào)，多了解工藝布置，以便減少設(shè)計和施工不必要的麻煩。而一些企業(yè)在進行鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計時，沒有從大局上把握設(shè)計思路，造成廠房占地位置劃分不合理或企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的面積不能充分利用。

3.2 結(jié)構(gòu)計算時應(yīng)多因素考慮

目前結(jié)構(gòu)計算大多采用結(jié)構(gòu)設(shè)計計算程序進行計算，如何對計算結(jié)果進行分析、評價是一個非常重要的方面，必須根據(jù)工程設(shè)計的經(jīng)驗對計算結(jié)果進行分析和判斷。荷載計算是結(jié)構(gòu)計算的前提條件，荷載取值的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的可靠性，工藝條件中的荷載問題，如某個工程工藝提出樓面均布荷載為15K N/m2，而根據(jù)工藝的設(shè)備重量和布置圖，根據(jù)規(guī)范給出樓面等效荷載的計算方法，計算出的樓面均布荷載按10K N/m2考慮就可以。但近兩年來，我國大部分地區(qū)常出現(xiàn)強降雪天氣，導(dǎo)致很多廠房、場館倒塌，因此設(shè)計人員一定要根據(jù)當(dāng)?shù)氐难┖奢d情況取其中的最大值，以確保建筑安全。其次，強柱弱梁是設(shè)計要遵循的原則，強節(jié)點弱構(gòu)件也是要重點考慮的問題。在很多情況下，構(gòu)件滿足設(shè)計要求，但是節(jié)點卻不能滿足抗震要求。強柱弱梁指節(jié)點處柱端實際受彎承載力要大于梁端實際受彎承載力，由于廠房的梁柱中心線一般不能重合，而且柱的截面和節(jié)點偏心都比較大，對柱節(jié)點核心區(qū)的構(gòu)造和受力往往都有一定的不利影響。此時我們一般采用增大柱端彎矩設(shè)計值的方法。其目的表現(xiàn)在調(diào)整后，柱的抗彎能力比之前強了，而梁不變，即柱的能力提高程度比梁大，這樣梁柱一起受力時，梁端可以先于柱屈服。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的防火設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房防火能力比較差，當(dāng)鋼材受熱溫度在100℃以上時，隨著溫度的升高，鋼材的抗拉強度會降低，塑性會增大；當(dāng)溫度超過250℃時，鋼材就會出現(xiàn)徐變現(xiàn)象；當(dāng)溫度達到500℃時，鋼材強度立即會降到很低，甚至?xí)?dǎo)致工業(yè)廠房塌落。因此，我們一定要依據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，確定出廠房生產(chǎn)火災(zāi)危險性等級，從而使鋼結(jié)構(gòu)達到防火等級的耐火極限要求。同時，設(shè)計人員在設(shè)計時要選用鋼結(jié)構(gòu)防火保護方法對鋼結(jié)構(gòu)采取相關(guān)的保護。目前，鋼結(jié)構(gòu)廠房保護最常用的方法是在鋼結(jié)構(gòu)表面涂上鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，發(fā)生火災(zāi)時它可以作為耐火隔熱保護層，從而提高鋼構(gòu)件的耐火極限，滿足國家相關(guān)規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項非常復(fù)雜的工作,在嚴(yán)格遵守有關(guān)設(shè)計規(guī)范的前提下，既要滿足建筑的安全性、適用性和耐久性等可靠性要求,還要考慮平面布局和結(jié)構(gòu)選型合理性，以及荷載取值的準(zhǔn)確性。通過幾年的工程實踐，筆者有以下幾點體會，往往在設(shè)計方案選擇時會產(chǎn)生一些矛盾，設(shè)計規(guī)范的條文不可能覆蓋到每一種情況，設(shè)計人員需考慮多方面問題，在分析和比較中尋找更合適的方案?？傊?，做好工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于弄清楚各種概念、結(jié)構(gòu)選型要合理、結(jié)構(gòu)計算要準(zhǔn)確，施工圖的設(shè)計應(yīng)與現(xiàn)場施工相結(jié)合，施工安全和質(zhì)量必須嚴(yán)格按規(guī)范和要求進行執(zhí)行。只有這樣，才能呈現(xiàn)安全、經(jīng)濟、適用的作品。

[1]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京:科學(xué)出版社,1998.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn),鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017-2003[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

劉震（1981年5月14日），男，本科，河南省鄭州市，工程師，現(xiàn)任職于煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計研究院有限公司，主要從事礦山土建設(shè)計工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.040