钢结构厂房设计中常见问题分析和解决措施

王建群

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌 330031）

现如今，建筑工程施工中，钢结构的运用越发普遍，不但在一些道路桥梁等公共基础设施中得到广泛运用，部分民用建筑中也经常出现。钢结构因其自身的优势特点，慢慢地对砖混房屋建筑结构进行了代替，给建筑行业的良好发展提供了新的契机。伴随着钢结构建筑的逐渐增多，钢结构的实际应用也渐渐变得更加宽广，然而钢结构实际运用中存在众多不足，这在一定程度上影响了建筑工程施工。对此，有关工作人员针对钢结构建筑实施设计的过程中，需要从整体层面出发，力争能够在第一时间内发展问题，确保钢结构设计良好的质量，从而为建筑施工提供良好保障。

1 钢结构的优势和特征

同钢筋混凝土结构相比较，钢结构具备如下优势：大幅减少了地基处理过程中成本投入，自身重量相对较轻。钢结构可以在工厂中进行预加工处理，明显减短工程施工周期，减少了工程实际施工量[1]。钢结构具有良好的抗震效果，钢结构本身具备足够的强度，可以对空间进行更为灵活的布设。钢结构建筑的结构形式包含多种，具体如表1所示。

表1 钢结构建筑结构型式

设计钢结构建筑的过程中，结构是建筑形象的主要组成因素，结构型式、构件截面型式和连接节点等都会在一定程度上影响建筑物的效果。唯有保证结构设计和功能之间的统一性，方能保证建筑具有功能化特点，同时给今后建筑的设计奠定良好基础，方能设计出技术和艺术之间统一的钢结构建筑。当前，我国是全球范围内最大的砖砌体和钢筋混凝土结构建筑国家，这之于目前能源紧张的形势而言，具有十分重要的现实意义。钢材不但具备足够的强度，同时实际生产加工中产生的一些角料都具有一定价值，可以进行回收利用。

2 钢结构厂房设计中常见问题分析

2.1 钢材材质的选择

关于钢结构的设计，一些相关资料中都对焊接材料的质量等级和所运用的材料做出了明文规定。钢材应具有足够的抗拉伸强度、硫含量以及屈服强度等。针对一些容易发生地震的地带对钢材的一些性能做出了特别的规定，如伸长率需要保证在20%之上，屈强比需要保证在1.2%之上，钢材需要存在比较显著的屈服台阶。另外，钢材也应具有一定的可焊性和冲击韧性，并且保证钢结构具备较强的塑性变形。通常情况下可以采用Q355B或是Q235B之上碳素钢便可以达到实际要求，无需采用Z级或是C级之上的钢材，尽量缩减经济成本投入。

2.2 温度区域中需要设计相对独立的空间稳定支撑体系

以门式钢结构厂房为例，其支撑体系的设计通常存在如下问题：柱间支撑中，横向水平支撑设计在各个不同的跨区内，如此便构成了相对独立的支撑体系，不仅会对厂房的抗震性能产生一定影响，也会给工程现场施工制造一定困难；在第二个开间位置设计横向水平支撑，但末端跨对应的位置并未设置刚性纵向系杆，造成山墙的水平载荷不能正常传递；屋脊或是柱顶等横向水平支撑位置并未根据对应的刚性系杆加以考量，在采用檁条兼做形式的过程中，没有对檩条实际所能够承受的刚度和承载能力进行验证[2]。除却屋脊设计的双檩，与结合檩条跨度在彼此之间连接的多于两点的刚性连接件可以具有刚性系杆的作用之外，柱顶等其它位置未经过加强处理的檩条都无法起到刚性系杆的重要作用，主要是因为一般所运用的C冷弯薄壁型钢檩条不具有足够的侧向刚度。

2.3 钢结构稳定性的设计

近年来，国内在钢结构稳定设计方面获取了一定发展，然而依然存在众多不足需要做出改善。具体包含如下问题：现今钢结构网壳模型中，柱和梁的单元是主要的研究对象，然而很多业内人士对于此问题依然抱有怀疑的态度，主要是由于不能确定这些单元可否更加真实地对网壳的实际受力情况加以反映，当前存在的最主要问题是不知怎样对轴力与弯矩之间的耦合效应作出反映；建筑行业中并不存在健全的理论对预张拉体系进行分析，这一方面的理论依然处于空白状态；针对大跨度结构怎样对整体与局部稳定性之间的关联进行分析亦是一个比较困难的问题，很难真实地对二者之间的问题做出反映；钢结构稳定性研究中存在众多无法确定的因素，当前业内人士的影响分析主要集中在结构参数和随机载荷较小的范围中[3]。事实上，由于结构参数具有一定随机性，结构响应亦会出现较大变化，所以大力关注随机参数结构失稳、跳跃性失稳和干扰性屈曲等方面的研究。

3 钢结构厂房常见问题解决策略

3.1 防火问题的解决策略

钢材是钢结构的基础，针对钢材物理性质实施分析我们能够得知，钢材具有十分良好的导热性能，在钢结构表层温度超过100度时，其所具有的抗拉性会明显下降，但弹塑性会变大；在钢结构表层温度超过250度时，其所具有的弹塑性会大幅降低，这样便会产生蓝脆现象，情况严重时，还会产生结构断裂和坍塌的现象。所以，实际设计钢结构厂房的过程中，防火问题是首要考虑的问题。例如，若是厂房温度存在超过150度的可能，便需要对隔热防火方面的问题加以考量。目前，比较常用的防火策略是将硬质防火板或是防火砖安装在钢结构表层，针对那些具有特殊用途的钢结构应在其表层涂上一层相对较厚的防火材料，涂抹的实际厚度应严加遵照有关规定执行，针对一些重要位置需要进行反复涂抹。若是钢结构厂房低于7m，需要在那些容易发生火情的位置设计自动喷水系统，这样在发生火情的过程中，可以在第一时间内执行喷水降温操作，有效规避火情蔓延情况的发生。

3.2 支撑系统问题的解决策略

支撑系统有利于提高结构抗侧刚度，使结构受力均匀、合理及提高结构的整体性，能有效保证厂房整体结构和单个构件的稳定性、传递水平作用至基础。具体设计过程中，对于有振动的设备操作钢结构平台，通过合理布置支撑系统调整结构的刚度，以避免发生共振现象。钢结构厂房的支撑系统设计主要包含柱间支撑以及屋盖水平支撑两个方面。

3.2.1 柱间支撑

关于钢结构厂房，其柱间支撑会在每个温度区域中均匀分布，并且屋盖的横向支撑会对其造成一定影响。柱间支撑的具体位置与钢结构的纵向变形之间存在密切关联，所以，针对实际跨度相对偏大的厂房而言，在纵向端头位置设计柱间支撑并不合理，因为若是在这一位置设计纵向支撑结构在厂房温度发生改变时无法向两侧位置伸缩。

3.2.2 屋盖支撑

关于屋盖支撑系统，其主要包含横向、纵向支撑以及连接杆件等基本构成部分。具体针对屋盖支撑系统进行设计的过程中，应对如表2所示几个方面的因素加以考虑。

表2 屋盖支撑系统设计考虑因素

因为屋面支撑系统会依附在柱间支撑系统，所以应对柱间支撑结构和屋面结构相互之间力的传递加以考量，确保钢结构厂房具有更大的刚度。

3.3 温度伸缩问题的解决策略

伴随着温度的变化，钢结构会产生一定的温度应力，即所谓的温度伸缩问题。厂房整体的大小与柱刚度和吊车轨顶的高度等各方面因素密切相关，面积相对较大的钢结构厂房所承受的温度应力也较大，钢结构就更有可能出现变形的情况。要想有效规避钢结构厂房出现变形问题，可以在厂房中设计温度伸缩缝。关于温度伸缩缝，横向与纵向是两种比较常见的温度伸缩缝种类。实际中需要采用何种形式的温度伸缩缝，应根据厂房的具体情况做出决定[4]。温度伸缩缝设计过程中，需要将厂房整体分为几个不同的温度区域，温度区域的实际长度应结合钢结构设计规范内的有关规定执行。针对横向温度收缩缝实施处理的过程中，需要在钢结构厂房行条和框架梁连接的地方设计椭圆孔滑动支座；针对纵向温度收缩缝实施处理的过程中，通常运用双柱设计的方式，在屋架支座的地方设计一个能够自由滚动的滑行支座。

3.4 抗震问题的解决策略

虽然发生地震的概率相对较低，但近些年的一些大地震引起了人们对此问题的高度重视，尽管地震的发生只是在一瞬间，然而却会给建筑物带来毁灭性的打击。所以，实际设计钢结构厂房的过程中应对钢结构抗震方面的问题加以考量。通常情况下，钢结构具有良好的延性性能，即使钢结构在很大的变形下仍不致倒塌，从而保证钢结构的抗震安全性。然而若是结构设计不够科学，其所具有的抗震性也不能得以充分发挥。实际设计过程中，应严加遵照建筑物抗震性能方面的规定，针对工艺结构要求相对偏高的生产加工车间，应采用更为完善的结构设计，保证钢结构在承受强烈的震动中依然能够具有良好的稳定性。对于钢结构整体的布置，应根据钢材所具有抗震性针对刚度进行均匀分布，确保钢结构厂房受力更加均匀，以规避局部结构变形情况的发生。在地震作用下，可能发生杆件的失稳或连接节点破坏导致钢结构整体丧失抗震能力，造成灾难性后果，所以应对钢结构连接节点和杆件的设计予以高度重视，确保各节点具有更加良好的抗震承载力，不会轻易出现破坏的现象。

4 结语

现如今，国家的经济正处于高速发展中，科学技术也得到了快速进步。钢结构建筑这种新型建筑形式，其在建筑行业中的运用越发受到人们的关注，为建筑行业的良好发展提供了助力，建筑工程施工单位也能够从中收获更多经济和社会效益。然而钢结构厂房设计中依然存在众多不足，给钢结构建筑整体施工质量造成了一定不良影响。因此，有关的工作人员需要努力提高自身专业能力，在实际设计中总结经验教训，提高自身设计水平，优化钢结构厂房的设计，促进我国建筑行业的良好发展。