钢结构厂房设计若干问题研究

齐雁

【摘要】近年来我国建筑钢结构产业得到迅速的发展，但开始应用钢结构工业厂房的时间较短，许多设计和施工技术还处于探索阶段。本文就钢结构工业厂房设计的若干问题进行探讨，供广大设计人员参考。

【关键词】钢结构； 排架； 挠度； 失稳

1. 钢结构工业厂房的特点

建筑钢材因具有较高的强度、较好的塑性和韧性，适合建造承载重、高度高、跨度大的厂房结构。钢结构工业厂房的结构通常不会产生因超载而突然断裂的情况；钢结构适合在动力荷载的环境应用，故在地震区采用钢结构特为有利；钢结构工业厂房的重量轻，可减轻整体结构重量的30%以上，由于钢材强度高、自重轻，因而基础负荷小，大大降低地基基础的工程造价，同时也方便吊装与运输；由于钢结构连接特性，易于改建、加固及拆迁，且钢结构构件也可工厂化大批量制造，施工简便，安装快捷，极大地缩短施工周期；钢结构工业厂房属于绿色环保型建筑体系，钢材属于高效能高强度的材料，再循环价值很高，且无需制模施工。

2.钢结构厂房设计需注意的事项

每种结构都有其特别之处，各种功能的建筑有其自身的需求。工业厂房就是一种特定功能建筑，它需要大空间大跨度，同时配置各种相应的设备，一般其上部采用钢结构等。现在选取几项钢结构设计的注意事项，谈谈我的看法。

（1）单件屋面板长度不宜过长。屋面漏水大致有两种：①采用屋面钉板时，钉孔孔位可能出现渗水②屋面板横向搭接处渗水，主要原因是面板过长，雨水漫过波峰，导致搭接处大面积渗水。因此要根据面板材料特性，及当地降雨量来合理选取单坡长度。

（2）钢结构构件验算时，如何合理选取对应的截面（净截面、有效净截面、有效截面、毛截面）。①毛截面：不扣除孔洞的截面面积，不考虑孔洞对截面的削弱。验算构件整体稳定性时，可采用毛截面面积进行计算；②净截面：扣除孔洞的截面面积，考虑孔洞对截面的削弱，主要用于强度验算。比如受拉构件的强度验算应采用净截面面积进行计算；③有效截面：考虑屈曲后强度但并不扣除孔洞的截面有效面积。一般对于宽厚比较大的冷成型钢，采用有效面积来考虑局部的屈曲后强度问题；考虑到板太薄，受压时会发生局部屈曲，从而不能全截面都用来承载。故对这种薄壁构件认为其中的一部分截面（有效截面）正常受力，而其他部分不考虑它的作用。④有效净截面：考虑屈曲后强度并且扣除孔洞的截面有效面积。构件受压强度既要考虑孔洞对截面强度的削弱，也要考虑局部的屈曲后强度，一般采用有效净截面计算。构件受拉时不用考虑局部屈曲，所以仍采用净截面。

综上所述：对于普通钢结构构件，验算强度时采用净截面，验算稳定性时采用毛截面；对于薄壁钢结构构件，验算受拉强度时采用净截面，验算受压强度时采用有效净截面，验算稳定性时采用有效截面。

（3）受弯工字梁失稳及解决方法：施加荷载不大时，梁基本上在其最大刚度平面内弯曲；当施加荷载达到一定数值后，梁将同时产生较大的侧向弯曲和扭转变形，最后很快的丧失继续承载的能力。此时梁的整体失稳必然是侧向弯扭弯曲。解决方法有三种：①增加梁的侧向支撑点（如屋面梁设置隅撑作为侧向支撑点）。②调整梁的截面，增加梁侧向惯性矩或增加受压翼缘宽度（如吊车梁上翼缘）。③调整梁端支座对截面的约束，支座如能提供转动约束，梁的整体稳定性将有较大的提高。

（4）次梁与主梁连接一般设计为铰接：如果次梁与主梁刚接，在主梁同一截面处两侧都有相同荷载时，对主梁影响不大。如果只是单边有刚接的次梁，对于主梁来说平面外受扭，需要计算抗扭。梁的整体失稳主要表现为侧向弯扭弯曲，因此应尽量避免梁平面外受扭。另外，若次梁与主梁采用刚接节点，现场焊接工作量将大大增加。

（5）当梁的挠度过大时，可以通过起拱加于控制，起拱的大小一般为恒载标准值加1/2活荷载标准值所产生的挠度值。对于钢结构来说，挠度过大会影响屋面排水，同时使人感觉不安全；对于混凝土结构来说，挠度过大会造成耐久性的局部破坏（包括混凝土裂缝）。以挠度为主要控制因素的钢梁，采用起拱办法能减低结构的用钢量。

另外，还有3个事项与风荷载有关，设计时需要注意的：

①敞开式建筑：指外墙面至少有80%敞开的建筑。部分封闭式建筑：受外部正风力的墙面上孔口总面积超过该建筑物其余外包面（墙面和屋面）上孔口面积的总和，并超过该墙面毛面积的5%，且建筑物其余外包面的开孔率不超过20%的建筑。他们对应着不同的体形系数。

②边缘带：确定围护结构构件和面板上风荷载体形系数时，在外墙和屋面上划分的位于建筑物端部和边缘的区域。凡不属边缘带的均为中间区。端区：确定主刚架上风荷载体型系数时，在外墙和屋面上划分的位于建筑物端部和边缘的区域。凡不属端区的均为中间区。

（6）门式刚架的抗震设计原则：①采用底部剪力法。门架以剪切变形为主，质量刚度分布均匀，两个振型周期相差太大，以第一振型为主，所以采用底部剪力法计算。②7度及其以下不需要地震计算，但仍需要采取抗震措施。③门架抗震措施主要是加强节点：①构件之间尽量采用螺栓连接；②梁柱节点，在梁下翼加掖板；③梁柱连接点处宽厚比适当减小；④柱间支撑与构件连接处节点按1.2倍杆件承载力设计；⑤柱间支撑和柱连接处的柱脚锚栓要做抗拔验算，并防止锚栓抗剪，设置抗剪键。附带引出，一般柱脚都应该设置抗剪键。在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中，柱脚的水平剪力可以由柱底板与混凝土的摩擦力或设置抗剪键承受。如果由柱底板与混凝土的摩擦力来承受，二次浇筑施工质量需要得到保证，浇筑要密实，并采用膨胀剂混凝土或无收缩混凝土。

（7）混凝土柱加变截面钢梁的单层工业厂房可以按排架结构设计。此时轻钢屋面梁可以按门式刚架规范进行设计；对于混凝土柱按混凝土规范进行设计。对于这种结构形式，关键是混凝土柱和钢梁的节点设计，连接方式一般应该采用铰接（混凝土是一种脆性材料，虽然可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很差，在外力作用下很容易松动和破坏。）。在钢梁下部设置一根拉杆，能减少钢梁对柱顶产生的较大水平力，从而大大降低混凝土柱脚的弯矩。

（8）吊车梁的设计：吊车在吊车梁上运动产生三个方向的动力荷载：竖向荷载、横向水平荷载和沿吊车梁纵向的水平荷载。纵向水平荷载是指吊车刹车力，其沿轨道方向由吊车梁传给柱间支撑，计算吊车梁截面时不予考虑。横向水平荷载应等分于桥架的两端，分别由轨道上的车轮平均传至轨道，其方向与轨道垂直，并考虑正反两个方向的刹车情况。计算重级工作制吊车梁及其制动结构的强度、稳定性以及连接（吊车梁、制动结构、柱相互间的连接）的强度时，应考虑吊车摆动引起的横向水平力。竖向荷载在吊车梁垂直方向产生弯矩和剪力，水平荷载在吊车梁上翼缘平面产生水平方向的弯矩和剪力。吊车梁一般设计成简支梁。若按连续梁设计固然可节省材料，但连续梁对支座沉降比较敏感，因此对基础要求较高。

3.小结

工业厂房采用的排架结构，从结构形式来看，固然比较简单，结構间传力明确。尽管这样，需要注意的问题还是有很多的，以上仅仅列举了几点作为阐述。让我们在工程实践中继续探索，积累更多的工程设计经验。

参考文献：

[1] 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002.中国计划出版社.

[2] 《全国民用建筑工程设计技术措施》.中国建筑标准设计研究院，2009.

[3] 《钢结构设计规范》GB50017-2003.中国计划出版社.