钢结构厂房设计中常见问题分析

王学文

（昆明冶金研究院，云南 昆明 650031）

钢结构已经在我国建筑领域中成为主要的构造之一，在工业厂房、仓库等建筑中，大量采用了钢结构排架、钢框架、门式钢架等结构，但是钢结构本身的缺点也是比较明显，防腐蚀和防火性能比较差，这也会在一定程度上影响钢结构的应用，下面主要结合当前钢结构厂房设计中的常见问题予以分析。

1 钢结构的防火问题

分析钢材的物理特性可以看出，钢材具有优异的导热性能，导热系数为50W/m·℃，当钢结构的温度达到100℃之后，钢结构的抗拉性能就会明显降低，其弹塑性增加非常快；当钢结构的温度超过250℃之后，虽然钢结构的抗拉伸强度有所增强，但是其弹塑性降低非常快，这时候的钢结构也就会出现蓝脆现象；如果钢结构的温度超过500℃之后，钢结构的强度降低非常快，这时候的钢结构很容易坍塌。因此，对于钢结构的厂房设计过程中必须考虑防火措施，当钢结构所处的环境温度超过150℃之后，钢结构必须做隔热防火处理，当前通常做法是在钢结构的外侧增加耐火砖、硬质防火板材或者使用混凝土结构，对于一些特殊用途的钢结构可以采用涂刷厚型防火材料，其涂刷的厚度必须以《钢结构防火涂料技术规程》中的相关要求来计算，如果涂刷的厚底较薄，便会影响防火性能；如果涂刷的厚度较厚，虽然能够提升结构的防火性能，但是会浪费大量的材料，增加工程成本的支出，从经济学的角度来看不适合，故需要与相关专业协调，在重点位置涂刷。

2 支撑系统的设计

对于钢结构的厂房来说，通常为了确保厂房整体刚度，控制厂房位移，以及明确地传递纵向水平力，同时还要考虑到厂房中设备运行对钢结构的影响，必须结合厂房高度、跨度、温度区段的长度等具体情况来设置支撑系统。钢结构的支撑系统目前主要有屋盖支撑和柱间支撑。

2.1 柱间支撑系统

厂房设计过程中必须要在每一温度区段内设置柱间支撑系统，同时也要充分考虑到屋盖横向水平支撑的协同工作问题。由于下柱支撑的位置是决定钢结构纵向变形的主要因素，同时还会影响到温度应力的大小，因而当厂房长度较长时不宜将柱间支撑设置在纵向端头跨内，否则吊车梁等纵向机构不能够随着环境温度变化向温度区段的两端伸缩。根据《建筑抗震设计规范》的要求，当7度厂房单元长度大于120m（采用轻型围护材料时为150m）、8度和9度厂房单元大于90m（采用轻型围护材料时为120m）时，应在厂房单元1/3区段内各布置一道下柱支撑。为了提升厂房结构上部的纵向刚度，以及传递纵向地震作用和山墙的风力，还应该在温度区段的两端柱间设计上柱支撑。

2.2 屋盖支撑系统

屋盖支撑系统通常是由垂直支撑、纵向支撑、横向支撑以及系杆组成。屋盖支撑系统的设计应该结合厂房的高度、柱网布置、厂房跨度、屋盖结构形式以及厂房内设备的振动情况进行综合考虑。此外，屋面支撑系统的布置，还应根据柱间支撑的位置总体考虑，使屋面支撑与柱间支撑形成简洁的传力路径，并形成有效的提高厂房刚度的措施。如果厂房内有大型振动设备的厂房，其屋盖还应该设置纵向水平支撑。

3 防腐蚀问题

钢结构虽然具有钢筋混凝土结构不具备的弹塑性和抗拉伸强度，但是钢结构必须考虑腐蚀问题。我们知道钢材如果不做任何防腐处理，长时间暴露在环境中就会很快腐蚀，从而影响钢结构的使用性能。对于厂房的钢结构而言，经常处于潮湿的环境中或者厂房内还有腐蚀性的介质附着在结构表面，钢结构的腐蚀速度便会加快，因而必须重视钢结构的腐蚀问题。

对于厂房的钢结构必须要充分考虑厂房的环境条件和钢材的本质特性来采取相应的处理和防护措施。对于钢结构防腐处理通常是在钢材表面涂刷防腐漆，涂刷的厚度和层数是由钢材的使用环境以及涂层的性质决定的，对于生产中存在强腐蚀性液体、气体等厂房，比如电解车间等，应采用相应的材料（如玻璃钢）对厂房构件进行包裹，并采取加强通风等措施，减小腐蚀性气体的浓度。对于生产环境较恶劣的车间，钢结构柱脚在地面以下以及地面以上150mm高度范围内，应该采用强度等级不小于C20的混凝土包裹，并且厚度不小于50mm，在有侵蚀介质的厂房内，型钢的厚度不得小于8mm。

4 抗震设计问题

“5.12”汶川大地震、雅安地震给我们带来了惨痛的教训和很大的经济损失，虽然地震发生的几率比较小，但是还要考虑到钢结构的抗震性能。通常情况下，钢结构由于具有极强的抗拉伸性能和弹塑性，具有良好的抗震性能，如果钢结构在设计过程中存在不合理的问题，当厂房遭遇到大地震时，也会造成严重的破坏，因此钢结构厂房设计过程中应严格遵守建筑物抗震设计规范，对于工艺配置较特殊的车间，应采取必要的构造措施，来确保钢结构在地震发生之后的安全性和可靠性。

首先对于钢结构的总体布置方面必须严格要求钢结构的刚度要均匀分布，确保钢结构的受力均匀以及变形统一协调，这样能够避免在地震作用下，因为钢结构刚度不均匀和变形不协调对厂房结构产生不利影响；其次是地震作用下，钢结构破坏基本上都是由于杆件强度不足及失稳造成，因而必须确保钢结构的整体及局部稳定性；最后要重视钢结构连接点的设计和施工技术标准，必须确保节点破坏不先于结构件，使得整个构件能够进入塑性工作状态，发挥极限能力。

5 结论

钢结构在现代厂房建筑物、构筑物中由于结构轻巧、施工时间比较短以及抗震性能优异等特点，使得钢结构在大跨度厂房、高耸构筑物中得到广泛的应用，只有在设计过程中充分考虑到钢结构可能出现的各种问题，才能够从根本上确保钢结构的结构安全及使用要求。