吳佳瑩
(中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司,北京 100120)
鋼結(jié)構(gòu)具有多種優(yōu)點,如質(zhì)量較輕、較好的抗震性能以及可以滿足大空間需求等,并且在建造過程中對周圍環(huán)境不會造成嚴重危害,整體建筑成本較低,因此,得到了廣泛的應用[1]。對于工業(yè)廠房來說,材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)十分重要,會對整體建筑的作用和功能造成一定影響,所以在工業(yè)廠房整體結(jié)構(gòu)設(shè)計中應十分注重建筑材料的選擇。
鋼結(jié)構(gòu)本身具有較高的強度,在發(fā)生地震時,能夠很好地消耗部分地震能量,降低地震造成的沖擊,從而讓損失降到最低。其次,鋼結(jié)構(gòu)可以有效承擔施工荷載和結(jié)構(gòu)荷載,在具體施工過程中可以節(jié)省大量的模板材料,促進了施工成本的降低。此外,鋼結(jié)構(gòu)建筑對現(xiàn)代住房產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很好的適應性,其商品化程度較高,在工業(yè)生產(chǎn)中適合批量生產(chǎn)。鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)示例如圖1 所示。
圖1 鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)示例
鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)相比較,其質(zhì)量較輕,在實際工業(yè)廠房建設(shè)中能夠較好地減輕對基礎(chǔ)持力層的壓力。同時,在實際建設(shè)過程中鋼結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)的特征,在運輸和升掛方面具有較大的優(yōu)勢,因此,可以有效解決混凝土結(jié)構(gòu)施工工序復雜等難題。除此之外,在地震發(fā)生時可避免因質(zhì)量過大吸收更多的地震能量,具有良好的抗震性能。
通常情況下,在鋼結(jié)構(gòu)布置方案相同的環(huán)境中,鋼結(jié)構(gòu)的開間要比混凝土開間大很多。在進行鋼結(jié)構(gòu)的排列工作時,靈活性較強,并且還可以有效滿足設(shè)計工作的需要[2]。除此之外,鋼結(jié)構(gòu)形式的應用還可以通過減少柱的截面面積和使用輕質(zhì)墻板,提高面積使用率,增加戶內(nèi)有效面積。
在對工業(yè)廠房進行設(shè)計的過程中,鋼結(jié)構(gòu)制造廠家一般會使用機械化生產(chǎn)來制造鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,這就使得鋼結(jié)構(gòu)具有很好的質(zhì)量和精度。此外,鋼結(jié)構(gòu)制造廠家通常會將加工完成的鋼結(jié)構(gòu)組件送到施工現(xiàn)場,對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行組合裝配的過程也比較簡單方便,可節(jié)省大量時間,有效促進了工業(yè)廠房施工效率的提升。
通過焊接完成相關(guān)位置的連接,從而降低耗材的使用。同時,鋼結(jié)構(gòu)在單位價格上對于其他材料也具備一定的優(yōu)勢,這也是該結(jié)構(gòu)應用于工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要原因。此外,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計另外一個重要優(yōu)點就是便捷性,對于設(shè)計結(jié)構(gòu)類型來說,利用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠在很大程度上讓設(shè)計流程得到簡化,從而促進了設(shè)計工作的順利進行,有效提升施工效率。
在工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中,應以鋼結(jié)構(gòu)自身的實際負重情況為標準開展荷載設(shè)計工作,確保在設(shè)計過程中荷載數(shù)值的準確性,從而為鋼結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性提供有力保障。此外,鋼結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計人員應考慮到風荷載及溫度荷載等其他外界因素的影響。GB50009—2019《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中明確規(guī)定,荷載的設(shè)計值等于荷載的標準值乘荷載分項系數(shù),永久荷載的分項系數(shù)為1.2 或1.35;可變荷載為1.3 或1.4,所以設(shè)計值要比標準值大。
首先,在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應保證廠房構(gòu)件布置的均勻性,有利于廠房整體受力,合理布置工業(yè)廠房的縱向及橫向結(jié)構(gòu),溫差較大時產(chǎn)生的溫度應力,會對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴重影響。為了有效避免這一問題,可以在設(shè)計過程中添加溫度伸縮縫,并對溫度區(qū)域長度進行明確,也可以采取雙柱或單柱的方式完成設(shè)置。
其次,應做好工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)支撐體系的設(shè)計工作,確保其合理性和科學性。只有確保合理設(shè)置支撐體系,才能讓鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗拉強度得到提升,鋼結(jié)構(gòu)支撐體系的設(shè)計需要以廠房高度、振動設(shè)備、車間吊車設(shè)置以及廠房結(jié)構(gòu)形式等內(nèi)容為依據(jù)。屋蓋支撐和柱間支撐是比較常用的2 種支撐方式,需要對二者進行協(xié)調(diào)設(shè)置,通常會將下柱支撐設(shè)置在溫度區(qū)的中間位置,確保車梁等構(gòu)件在溫度發(fā)生變化時能夠?qū)崿F(xiàn)自由伸縮[3]。
腐蝕作用會對鋼結(jié)構(gòu)造成嚴重危害,可能會導致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表面銹蝕、構(gòu)件截面縮小等不良現(xiàn)象,大大縮短了鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命,還有可能引發(fā)重大安全事故,所以在設(shè)計過程中應加強對鋼結(jié)構(gòu)的防腐除銹設(shè)計。
在進行工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作中,應注重施工工藝、施工材料、廠房布局以及廠房選址等問題,并以此為基礎(chǔ)來合理設(shè)計防銹處理措施。另外,還應在鋼結(jié)構(gòu)的表面涂一層較厚的防銹漆,以此來對外界環(huán)境的眾多不利因素進行隔絕。對于暴露在外面的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,應加大防銹漆的使用力度,也可以采取其他有力措施讓鋼結(jié)構(gòu)能夠處在比較好的環(huán)境中,防止鋼構(gòu)件因環(huán)境因素影響而發(fā)生腐蝕。
雖然鋼結(jié)構(gòu)自身具有較大的強度,并且抗震性能也比較好,但是其防火性能較差。例如,1970 年美國50 層的紐約第一貿(mào)易辦公大樓發(fā)生火災,樓蓋鋼梁被燒扭曲10 cm 左右。鋼結(jié)構(gòu)材料強度會隨著溫度的升高而發(fā)生變化,當溫度過高時鋼結(jié)構(gòu)自身強度下降,從而對工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性產(chǎn)生嚴重影響[4]。特別是當溫度超過250 ℃時,鋼結(jié)構(gòu)材料塑性明顯降低,結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形,嚴重的話還有可能導致工業(yè)廠房出現(xiàn)坍塌的情況。因此,在實際的設(shè)計工作中要做好鋼結(jié)構(gòu)的隔熱防火設(shè)計,其具體的設(shè)計措施可以包含以下幾個方面:通過耐火性材料的安裝或是現(xiàn)澆混凝土的方式對鋼結(jié)構(gòu)自身的保溫隔熱性能進行提升;還可以將比較硬的板材安裝在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的周圍,以此來促進鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量的排除;將防火材料涂抹在鋼結(jié)構(gòu)表面,讓鋼結(jié)構(gòu)的防火隔熱性能得到提高,這也是一種比較好的方法。
在單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,針對柱內(nèi)側(cè)翼緣和梁下翼緣穩(wěn)定性不好的問題,可以合理設(shè)置隅撐,隅撐可以有效避免此種問題的發(fā)生。鋼架斜梁承受的壓力不固定,使得鋼結(jié)構(gòu)廠房的穩(wěn)定性無法得到保證,隅撐的應用也可以在最大限度地確保某穩(wěn)定性要求[5]。較大的風力影響容易導致下翼緣喪失平面外的支撐力,從而使得結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性丟失,這種情況下可以將支撐設(shè)計在下翼緣位置。如果遭受到比較大的壓力時,右翼緣就容易發(fā)生屈曲,若不加以重視,還有可能出現(xiàn)鋼架倒塌的情況,所以在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應加強對斜梁下翼緣支撐結(jié)構(gòu)重要性的認識。
某工業(yè)廠房在建設(shè)時,選用輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)體系,總跨度長約19.56 m,廠房長度為54.68 m,柱距為4.8 m,屋面和墻面選用鍍鋅鋼板材料。廠房設(shè)計壽命為50 年,所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6 度,丙類,要求二級結(jié)構(gòu)安全,因為實際需要對廠房空間利用率要求較高。
根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計方案,可以確定此工程是單層廠房結(jié)構(gòu),由柱子和橫梁構(gòu)成框架,然后由各種縱向結(jié)構(gòu)將框架連接起來,如屋蓋和屋面等。在設(shè)計輕鋼結(jié)構(gòu)荷載的過程中,應首先考慮橫向結(jié)構(gòu)承受的荷載,并進行分析,確定可變荷載和永久荷載,對框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進行全面了解,優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。如果水平荷載存在一定問題,那么廠房平面屋架剛度和穩(wěn)定性就不夠。為了提升廠房水平荷載能力,應該將支撐系統(tǒng)提前設(shè)置好。
5.3.1合理布置結(jié)構(gòu)
板、梁和鋼柱等結(jié)構(gòu)承受著輕鋼結(jié)構(gòu)廠房上部的荷載,在布置平面結(jié)構(gòu)時,需要將柱網(wǎng)提前確定好,之后再根據(jù)設(shè)計明確承重柱的每個位置,如基礎(chǔ)梁、屋面板和屋架等。將設(shè)計方案確定好之后,合理規(guī)劃柱網(wǎng)。廠房結(jié)構(gòu)的質(zhì)量會受到柱網(wǎng)布置合理性的影響,后期設(shè)備的使用也會受到波及。需要對廠房用途、設(shè)備型號和大小等內(nèi)容進行全面考慮,確保結(jié)構(gòu)方案足夠合理。另外,為了防止發(fā)生違規(guī)情況,還應滿足行業(yè)規(guī)范要求。
5.3.2廠房受力分離
對廠房受力情況進行計算,確保構(gòu)造筋數(shù)量配置的合理性,具體體現(xiàn)在以下幾個方面:保證縱向鋼筋配筋率不超出50%,柱縱筋保持獨立,防止與預埋件、箍筋或拉筋焊接到一塊??v向鋼筋之間的距離應保證≤37 cm,彼此之間的凈距離不低于6 cm。鋼柱附近箍筋應選擇封閉式。在進行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,應十分注重結(jié)構(gòu)的防火性能、防腐性能和抗震性能等,全面排查并消除安全隱患,為廠房的正常使用提供保障。
5.3.3設(shè)計方案優(yōu)化
當鋼結(jié)構(gòu)主體組裝完成后,需要對其進行全面檢查,確保廠房整體的質(zhì)量和美觀性。重點檢查不同鋼結(jié)構(gòu)相鄰平面上螺栓的連接情況,如果發(fā)現(xiàn)問題就立即采取對應措施予以解決。以相關(guān)檢查流程標準為依據(jù),對整個廠房進行質(zhì)量檢查,保證每個工序的施工質(zhì)量。另外,做好黏結(jié)層混凝土的處理工作,加強后期養(yǎng)護。
5.3.4嚴格控制鋼結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量
鋼結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量會對廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性造成直接影響。采購工作人員應不斷提升自身專業(yè)能力和個人綜合素質(zhì),加強對原材料質(zhì)量的監(jiān)督和控制。還需要建立相應的制度,對材料采購的整個過程進行監(jiān)督,確保采購流程中不會出現(xiàn)差錯。通過有效監(jiān)督還能夠防止瀆職行為的發(fā)生,從根源上保證鋼結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量,為施工安全和廠房質(zhì)量提供有力保障。
5.3.5儀器的使用和保養(yǎng)
正確使用儀器,并且做好儀器保養(yǎng)工作可以有效提高它們的使用壽命。在施工過程中使用儀器時,應嚴格按照相關(guān)規(guī)定和方法進行,不能出現(xiàn)違規(guī)操作,確保施工質(zhì)量和施工效果。在保養(yǎng)時需要注意保養(yǎng)方法,應用棉紗布擦拭儀器表面,避免與儀器發(fā)生碰撞,使用之后及時涂抹防銹漆,施工儀器的使用和保養(yǎng)應由專業(yè)的人員來完成。
工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)體系以及結(jié)構(gòu)設(shè)計是否具有科學性和合理性,會對工業(yè)廠房的安全及穩(wěn)定造成嚴重的影響,從而阻礙工業(yè)建設(shè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。在當前的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中,鋼結(jié)構(gòu)的應用較為普遍,但鋼結(jié)構(gòu)也存在著易腐蝕及耐熱性較差的問題,所以在進行工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作時應針對性地加強這幾個方面的設(shè)計工作,從而讓工業(yè)廠房的安全性和穩(wěn)定性得到保障。