浅谈钢结构厂房设计现状及优化对策

任莉萍

【摘 要】与传统材料的建筑厂房相比，钢结构工业厂房有着很多优点。它的建设周期短、整体重量较轻、具有良好的抗震性能、对环境的污染和破坏较轻。随着这种厂房应用的日益普及，在工业厂房设计中逐渐代替了笨重的钢筋混凝土结构厂房。本文就钢结构工业厂房设计的现状及优化对策进行探讨，供广大设计人员参考。

【关键词】钢结构；排架；挠度；失稳

一、钢结构厂房的优点

钢结构厂房是厂房中比较普遍的一种，这种厂房具有很多的优点，造型非常美观、色彩较为鲜艳、建筑体型多样化、工程造价较低、建设周期较短、机械化程度较高、安装施工较为简便、平面布局灵活易改造。并且钢材本身材质重量轻，材质密度均匀，实际受力比与力学计算模型较近似，虽然钢结构厂房具有很多的优点，但是也不能忽略一个致命的潜在问题，那就是钢材致不耐火。很多人都认为钢材既不是易燃材料怎么会不抗火呢？钢材虽然属于不可燃材料，但是在高温的环境中，其力学性能就会发生变化，比如屈服强度，弹性模量等都会随着温度的升高而降低。当温度达到500摄氏度以上时，降低幅度更为明显，一般在15min左右就会丧失承重能力而发生垮塌。

二、钢结构厂房设计现状及优化对策

1、钢结构厂房的结构设计

由于工艺布置等方面的要求，为了拓展厂房的空间，钢结构厂房一般会采用框架结构，此外，如果厂房的层数比较多且能达到一定的工艺条件时也能采用框剪结构。钢结构厂房设计对其结构布置的要求是要对称均匀地布置柱网，并使厂房的质量中心与刚度中心接近，达到降低厂房空间的扭转作用的目的。钢结构厂房的结构体系需要具备规则、简捷以及传力明确的特点，防止凹角、收缩以及现应力集中或者由于竖向过多而导致的内收或外挑等现象的出现，提高竖向刚度的稳定性。而在多层厂房中，由于其柱距方向尺寸小，柱子多、跨度方向尺寸大，柱子少的特点，所以一般对其采用横向控制的方式，实现纵横向的抗震能力的一致，提高钢结构厂房的抗震性能，促进钢结构厂房设计的经济性和合理性。

2、钢材的保温隔热与防火及相关措施

钢材的导热性能特别好，当它处于不同温度的环境下，钢结构的抗拉强度和塑性都会有所变化，大致分为四个层次：⑴受热温度在100℃以上；⑵受热温度在100～250℃之间；⑶受热温度在250～500℃之间；⑷受热温度在500℃以上，并且在这四个温度区间钢结构的抗拉强度和塑性会发生不同的变化，随之对钢结构产生不同程度的影响。其中当钢结构所处温度在第二到第四区间时钢结构会分别出现蓝脆现象、徐变现象、钢材节后塌落。由此可见，当钢结构所处环境的温度超过100℃时就必须对其作出相应的隔热保护措施，以增强钢材的抗热性能，避免钢结构受热发生变化。

钢结构的防火通常有以下几种方法：设置防火墙、防火门；设置自动喷水灭火系统；独立水幕；设置防火带。其中设置防火墙是最简单有效且造价低廉的方法。一般在厂房高度不超过8m或者只需分两个分区的情况下，可设置自动喷水系统，使防火面积范围增加一倍，以此达到规范要求。

在钢材表面涂刷防火隔热材料是一种非常常见也非常重要的方法。涂刷在钢材表面的防火涂料可以有效的提高钢结构的耐火极限，相当于给钢材穿上了一件防火隔热的保护衣。也可以通过在钢材的四周适量地浇灌混凝土帮助钢材散热，在钢材外侧包耐火砖或硬质防火材料同样可以达到此类效果。其他的隔热防火方法还有水冷却法（在空心钢构件内充水）、彻底屏蔽法（用耐火材料组成的构件将钢结构彻底屏蔽）等。值得注意的是，在进行保温隔热与防火设计的同时还应当考虑到其工业性和舒适性的要求。

3、温度伸缩缝的设计

温度会引起钢结构厂房发生形变，使结构产生温度应力。厂房的大小则主要由柱的刚度、吊车轨顶高度决定。当厂房面积足够大，且温度应力也足够大时，钢结构厂房就会发生大的形变，产生危险，为了避免这种危险的发生，在厂房内设置温度伸缩缝是必不可少的。温度伸缩缝的设置有两种：一种是横向设置温度缝，另一种是纵向设置温度缝，选择哪一种设置则根据具体厂房设计情况而定。温度缝的设置就把厂房分为了若干个温度区段，钢结构设计规范则决定了每个温度区段的长度。其中处理温度伸缩缝的方法又有两种即双柱设置法和单柱设置法，一般选择前者来处理。倘若设置的是纵向温度伸缩缝，可在屋架支座处设置一个滚动支座，倘若设置的是横向温度伸缩缝，则可在框架梁与檩条连接处采用槽钢夹板滑动方式或者椭圆孔滑动方式。

4、屋盖支撑系统设计

在屋盖支撑系统设计中，对支撑系统的选择和屋面防水问题应当着重考虑。一般而言，屋盖支撑系统的设计与厂房跨度、高度、屋盖结构形式、吊车设置及吨位等因素有关，且绝大多数情况下，不论有无檩条的屋盖结构都应设计为垂直支撑体系。在无檩条支撑体系中，虽然大型屋面板有三点和屋架相焊接，起到了上弦支撑的作用，但是由于施工条件的限制和安装的需求，不论有无檩条的屋盖都应在屋架上弦和天窗架上弦设置上弦横向支撑。另外，若厂房屋架间距不小于12m或内设置有重级吊车或较大型震动设备，此类情况下都应在厂房内设置纵向水平支撑。在屋盖支撑设计中必须设计好屋面坡度，单坡屋面长度、天沟形式，因为这些因素直接影响到了房屋防水性能的好坏。根据有关规定，屋面坡度最小为5%。但具体情况要根据不同地区的特征作出相应的调整。厂房所在地的最大温差和降雨量的大小是厂房单坡屋面长度的重要影响因素，但总的来说单坡屋面长度宜控制在70cm以内，超过70cm则要特殊处理。

近年我国多处发生地震，人们对厂房抗震也有了新的要求。屋盖支撑杆件多数采用圆钢，尤其在8级地震区常见。对此，建议8级地震区厂房设计应用型钢截面，7级及7级以下可考虑采用型钢。

5、结构防腐设计

钢材的主要组成部分是铁、氧化铁、四氧化三铁、三氧化二铁以及其他化合物，其中有些物质暴露在空气中时就会被空气氧化还原发生质变，即称腐蚀。所以，当钢结构厂房空气中有腐蚀性介质或者钢构件处在潮湿的环境下而未对钢结构作出相应的保护措施时，钢结构厂房的锈蚀就会愈加明显。钢结构锈蚀轻微时会使钢材发生形变，比如使钢构件截面厚度发生变化，或者在构件表层形成锈坑层等，严重时甚至使钢构件结构发生大的形变，因此钢结构厂房设计时应注意结构腐蚀的设计问题。一般地，钢结构建筑的防锈可分为两种：

钢构件的防锈和维护系统的防锈。钢构件防锈法主要为在其表面刷一层防锈漆，防锈漆的层数和厚度则由构件的生存环境和涂层的性质共同决定。维护系统的防腐只要为彩板部分，它的表面涂层的处理由彩板的专业厂家完成。

总之，对钢结构厂房的腐蚀问题应给于足够的重视，根据厂房周围的环境和车间内部布置，采取相应的措施，以确保厂房结构的安全性。

6、立面设计

规模、色彩、线条、变化是钢结构建材的四个主要特征。钢结构厂房和钢筋混凝土结构厂房相比，线条是呈现轻钢结构建筑风格最独特的特征。传统的钢筋混凝土结构厂房由于屋面设置采光效果不理想，在设计时通常设计大量的采光窗，而大量的采光窗会破坏墙面的线条造型，钢结构厂房则不会受此困扰。轻钢结构屋面则大量使用屋面采光板，不仅采光均匀，而且不会破坏墙面的线条造型，既适用又美观，目前非常适合联合型厂房，顺便也解决了厂房的通风问题。钢结构厂房的立面设计主要由工艺布置来决定的，立面要求简洁恢弘，同时简单统一突出重点。设计师们往往为了突出厂房结构的重點，会在厂房入7端部预应力筋的切除及后浇砼封闭端部：⑴预应力筋张拉完毕后，采用砂轮切割机切断端部多余的预应力筋，预应力筋的外露长度不宜小于其直径的1.5倍，且不宜小于25mm。⑵为保证预应力张拉端锚具的耐久性，张拉后的张拉槽应采用与构件同强度等级的细石混凝土，也可采用微膨胀混凝土、低收缩砂浆等。

结束语

工业厂房采用的排架结构，从结构形式来看，固然比较简单，结构间传力明确。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：

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