厂房大跨度钢结构设计中要点探析

郝越

摘 要：厂房的现代大跨度钢结构具有强度高、稳定性强、工期短等特点，在进行大跨度钢结构相关设计的过程中要充分的考虑到钢结构对风力、地震的承载力，并且要注意钢结构屋面以及柱间支撑的设计、钢结构围护的设计，最后针对厂房这一生产重地还要做到火灾预防设计。本文就厂房现代大跨度钢结构在相应设计阶段所要注意的关键点进行了分析研究。

关键词：厂房；钢结构；设计

现代工厂无论是生产力还是生产规模都和以前相比发生了巨大的转变，所以现代工厂对于厂房的空间容量、建设结构稳定性等等各个方面都有着更高的要求，在这一要求下，传统的施工工艺以及建设材料已经无法满足工厂的建设需要，面对这种情况，大跨度钢结构应需而生，大跨度钢结构以其牢固的性能，在保证工厂厂房空间容量的同时，也能够保证整体结构的稳固，从而得到了大范围的推广，并且推广的过程中不断的完善钢结构的不足之处，逐渐总结出了设计过程中的关键要点。

1.工厂厂房的钢结构在设计中的重点

厂房钢结构设计中屋面支撑以及柱间支撑的设定

厂房的支撑作用在厂房设计中是需要首先考虑的要素，支撑作用保证厂房在使用大跨度钢结构之后能够具有足够的刚性强度，能够保证其结构空间性能的稳定。在考虑厂房的支撑作用中，主要考虑的外力因素是风力以及地震。在计算钢结构支撑力的时候，一般情况下可以设定钢结构节点为铰接的结构，并且可以忽视偏心对于结构的影响。

1.1屋面支撑的设计

屋面支撑受力较小，杆件截面通常可按容许长细比来选择。交叉斜杆和柔性细杆按拉杆设计，可采用单角钢；非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面。当屋架跨度较大、房屋较高且基本风压也较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力。

1.2柱间支撑

对厂房来说：分为上层支撑和下层支撑，上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大而引起较大的温度应力，支撑腹杆常按柔性拉杆计算。交叉体系的下层支撑当吊车作用较小时一般圆钢，较大时通常采用角钢或槽钢。交义斜杆常按拉杆设计，但为了提高厂房的纵向刚度，当吊车较大时，应按压杆设计。

2.围护结构中檩条的设计

檩条通常是风荷载工况起控制作用，设计时常忽略验算风吸力作用下的稳定，导致大风时很容易失稳破坏。为了保证风吸力作用下的整体稳定，通常在檩条之间设置拉条。计算中已考虑拉条的作用而施工图中忽略了布置拉条或拉条布置不当都将导致檩条失稳破坏。正确的拉条布置位置是根据计算结果在檩条上下翼缘附近，在上下稳定均需要拉条约束时，在实际工程设计中有些设计者对屋面或墙架最上端檩条的侧向支撑，如拉条、斜拉条、撑杆能正确设置，但对中间墙面或屋面，如门窗洞口、屋面风机开孔处、屋面天窗（采光窗）等处，经常只设拉条，而漏设斜拉条和撑杆等，根本无法将拉条上的拉力传至承重结构上。其根本原因是对拉条、斜拉条、撑杆的传力作用及途径不清楚，同时也是对规范条文只知其然，不知其所以然，从而给围护结构的设计带来安全隐患。

3.提高大跨度钢结构耐热性方面的设计

在大跨度钢结构的设计中主要的建设材料是钢材，而钢材作为金属建材的一种，有着较强热传导作用。但是工厂厂房作为生产的主要场所不仅要安放生产设备，有时还要堆放大量的生产材料，所以钢材的导热性也就是极其危险的，如果不能提升钢结构的耐热性，一旦发生火灾就会产生不可估量的后果。另一方面，也会对钢结构的稳定性产生影响，大量实验研究分析表明，250摄氏度对于钢材的各方面性质来说是一个分水岭。钢材温度在250摄氏度一下的时候，随着温度逐渐上升，钢材本身抗拉强度会呈下降趋势，而钢材本身的可塑性会缓慢上升；当钢材温度达到250摄氏度以上的时候，钢材自身的抗拉强度会呈上升趋势，在这时候钢材的强度会随着温度的上升逐渐变小。并且在溫度不断升高的过程中，在温度达到500摄氏度的时候，钢材自身的强度会降低到最低的状态。由此可见温度对于钢结构的强度、稳定性有着一定影响，并且高温一直以来都是安全生产的头等大患，所以在大跨度钢结构的相应设计阶段要从建设材料、建设构件、建设结构三个方面进行充分的考虑。此外，还可通过设置一些有效的防火安全措施来达到预防火灾的目的。

3.1提高大跨度钢结构中钢材相应的耐火性

钢材是大跨度钢结构的主要构成材料，所以为了提高钢材的耐火性能是促进钢结构耐火性能提升的根本途径，应用建筑耐火、耐候钢：通过在钢材中添加耐高温的合金元素Mo、Cr、Nb等，使得钢材在600℃时的屈服强度不小于常温屈服强度的2/3，且其他性能与相应规格的普通结构钢基本一致。此外由于它的耐火性能好，可以在施工时适当减小保护层的厚度，甚至可以不涂防锈漆，这样可以节省一定成本。防火涂料是施工时涂抹在钢架表面，形成一层耐火隔热的保护膜，提高钢架耐火性能的材料，其类型可分：薄型、超薄型和厚型等几种涂料。厚型涂料是颗粒状材料，在高温情况下靠涂料自身的厚度和较低的导热性能对钢架构件起到隔热的作用。

3.2.采用防火能力强的构件

采用钢混组合构件，如钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱、钢管混凝土柱等可以有效提高耐火极限，且钢管直径越大，耐火时间越长。还可以利用非燃烧体的围护或分离构件，如非燃墙体为钢构件提供防火保护，而不需另做防火保护层。对于裸露在外的钢构件，则应采取合理的防火保护构造。

3.3.采用有利于防火的结构形式

采用钢混组合结构，如钢板混凝土组合剪力墙结构，或者在关键部位比如楼板和楼梯这种对防火要求较高的部位采用钢筋混凝土结构。钢结构防火保护构造作法应合理、坚固、经济、易于施工并利于装修。

4.防震缝设置

对于大跨度钢结构来说，设置防震缝往往是有效的。震缝宽度，规范规定不宜小于150mm。这主要是根据下部支承结构为框架结构或框架-抗震墙结构时的最小缝宽综合确定。规范所规定的最小防震缝宽度可能不足。建议最好按设防烈度下两侧独立结构在交界线上的相对位移最大值来复核。

结合工程实践经验，笔者建议大跨屋盖结构防震缝的缝宽可按设防烈度下两侧独立结构在交界线上的相对位移最大值来确定。对于规则结构，缝宽也可将多遇地震下的最大相对变形值乘以不小于3的放大系数近似估计。

5.结束语

大跨度钢结构在未来的很长一段时间内会成为厂房的主要设计结构，其稳定性、耐火性也就直接影响了厂房的安全性。在大跨度的钢结构的设计和施工过程中，不仅应该充分考虑钢结构自身的承载能力和使用特点，还应该根据建筑结构的不同进行全面的设计分析，才能实现大跨度的钢结构的优化。

参考文献：

[1]同济大学，西安建筑科技大学，东南大学，重庆建筑大学.房屋建筑学（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]湖南大学结构力学教研室.结构力学（上册）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]钢结构设计手册编辑委员会.钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.