钢结构设计在工业厂房结构设计中的应用

吴佳莹

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

1 引言

钢结构具有多种优点，如质量较轻、较好的抗震性能以及可以满足大空间需求等，并且在建造过程中对周围环境不会造成严重危害，整体建筑成本较低，因此，得到了广泛的应用[1]。对于工业厂房来说，材料选择和结构设计环节十分重要，会对整体建筑的作用和功能造成一定影响，所以在工业厂房整体结构设计中应十分注重建筑材料的选择。

2 钢结构建筑的特点

钢结构本身具有较高的强度，在发生地震时，能够很好地消耗部分地震能量，降低地震造成的冲击，从而让损失降到最低。其次，钢结构可以有效承担施工荷载和结构荷载，在具体施工过程中可以节省大量的模板材料，促进了施工成本的降低。此外，钢结构建筑对现代住房产业的发展有很好的适应性，其商品化程度较高，在工业生产中适合批量生产。钢结构厂房结构示例如图1 所示。

图1 钢结构厂房结构示例

3 钢结构在工业厂房结构设计中的应用优势

3.1 钢结构质量较轻

钢结构与传统的混凝土结构相比较，其质量较轻，在实际工业厂房建设中能够较好地减轻对基础持力层的压力。同时，在实际建设过程中钢结构因其轻质的特征，在运输和升挂方面具有较大的优势，因此，可以有效解决混凝土结构施工工序复杂等难题。除此之外，在地震发生时可避免因质量过大吸收更多的地震能量，具有良好的抗震性能。

3.2 钢结构开间较大

通常情况下，在钢结构布置方案相同的环境中，钢结构的开间要比混凝土开间大很多。在进行钢结构的排列工作时，灵活性较强，并且还可以有效满足设计工作的需要[2]。除此之外，钢结构形式的应用还可以通过减少柱的截面面积和使用轻质墙板，提高面积使用率，增加户内有效面积。

3.3 有效提升施工效率

在对工业厂房进行设计的过程中，钢结构制造厂家一般会使用机械化生产来制造钢结构构件，这就使得钢结构具有很好的质量和精度。此外，钢结构制造厂家通常会将加工完成的钢结构组件送到施工现场，对钢结构构件进行组合装配的过程也比较简单方便，可节省大量时间，有效促进了工业厂房施工效率的提升。

3.4 较高的经济性和便捷性

通过焊接完成相关位置的连接，从而降低耗材的使用。同时，钢结构在单位价格上对于其他材料也具备一定的优势，这也是该结构应用于工业厂房钢结构设计的重要原因。此外，钢结构设计另外一个重要优点就是便捷性，对于设计结构类型来说，利用钢结构设计能够在很大程度上让设计流程得到简化，从而促进了设计工作的顺利进行，有效提升施工效率。

4 钢结构设计在工业厂房结构设计中的应用

4.1 荷载设计

在工业厂房钢结构设计工作中，应以钢结构自身的实际负重情况为标准开展荷载设计工作，确保在设计过程中荷载数值的准确性，从而为钢结构的安全性和可靠性提供有力保障。此外，钢结构荷载设计人员应考虑到风荷载及温度荷载等其他外界因素的影响。GB50009—2019《建筑结构荷载规范》中明确规定，荷载的设计值等于荷载的标准值乘荷载分项系数，永久荷载的分项系数为1.2 或1.35；可变荷载为1.3 或1.4，所以设计值要比标准值大。

4.2 抗震设计

首先，在钢结构设计过程中应保证厂房构件布置的均匀性，有利于厂房整体受力，合理布置工业厂房的纵向及横向结构，温差较大时产生的温度应力，会对钢结构的稳定性造成严重影响。为了有效避免这一问题，可以在设计过程中添加温度伸缩缝，并对温度区域长度进行明确，也可以采取双柱或单柱的方式完成设置。

其次，应做好工业厂房钢结构支撑体系的设计工作，确保其合理性和科学性。只有确保合理设置支撑体系，才能让钢结构厂房的抗拉强度得到提升，钢结构支撑体系的设计需要以厂房高度、振动设备、车间吊车设置以及厂房结构形式等内容为依据。屋盖支撑和柱间支撑是比较常用的2 种支撑方式，需要对二者进行协调设置，通常会将下柱支撑设置在温度区的中间位置，确保车梁等构件在温度发生变化时能够实现自由伸缩[3]。

4.3 防腐设计

腐蚀作用会对钢结构造成严重危害，可能会导致钢结构出现表面锈蚀、构件截面缩小等不良现象，大大缩短了钢结构的使用寿命，还有可能引发重大安全事故，所以在设计过程中应加强对钢结构的防腐除锈设计。

在进行工业厂房钢结构的设计工作中，应注重施工工艺、施工材料、厂房布局以及厂房选址等问题，并以此为基础来合理设计防锈处理措施。另外，还应在钢结构的表面涂一层较厚的防锈漆，以此来对外界环境的众多不利因素进行隔绝。对于暴露在外面的钢结构构件，应加大防锈漆的使用力度，也可以采取其他有力措施让钢结构能够处在比较好的环境中，防止钢构件因环境因素影响而发生腐蚀。

4.4 防火设计

虽然钢结构自身具有较大的强度，并且抗震性能也比较好，但是其防火性能较差。例如，1970 年美国50 层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲10 cm 左右。钢结构材料强度会随着温度的升高而发生变化，当温度过高时钢结构自身强度下降，从而对工业厂房结构的稳定性和抗震性产生严重影响[4]。特别是当温度超过250 ℃时，钢结构材料塑性明显降低，结构易发生变形，严重的话还有可能导致工业厂房出现坍塌的情况。因此，在实际的设计工作中要做好钢结构的隔热防火设计，其具体的设计措施可以包含以下几个方面：通过耐火性材料的安装或是现浇混凝土的方式对钢结构自身的保温隔热性能进行提升；还可以将比较硬的板材安装在钢结构构件的周围，以此来促进钢结构内部热量的排除；将防火材料涂抹在钢结构表面，让钢结构的防火隔热性能得到提高，这也是一种比较好的方法。

4.5 合理设置隅撑

在单层钢结构工业厂房的支撑结构设计过程中，针对柱内侧翼缘和梁下翼缘稳定性不好的问题，可以合理设置隅撑，隅撑可以有效避免此种问题的发生。钢架斜梁承受的压力不固定，使得钢结构厂房的稳定性无法得到保证，隅撑的应用也可以在最大限度地确保某稳定性要求[5]。较大的风力影响容易导致下翼缘丧失平面外的支撑力，从而使得结构的稳定性丢失，这种情况下可以将支撑设计在下翼缘位置。如果遭受到比较大的压力时，右翼缘就容易发生屈曲，若不加以重视，还有可能出现钢架倒塌的情况，所以在钢结构设计过程中应加强对斜梁下翼缘支撑结构重要性的认识。

5 钢结构框架厂房结构实例分析

5.1 厂房概况

某工业厂房在建设时，选用轻型门式钢架结构体系，总跨度长约19.56 m，厂房长度为54.68 m，柱距为4.8 m，屋面和墙面选用镀锌钢板材料。厂房设计寿命为50 年，所处地区抗震设防烈度为6 度，丙类，要求二级结构安全，因为实际需要对厂房空间利用率要求较高。

5.2 选择合适的设计方案

根据钢结构工业厂房设计方案，可以确定此工程是单层厂房结构，由柱子和横梁构成框架，然后由各种纵向结构将框架连接起来，如屋盖和屋面等。在设计轻钢结构荷载的过程中，应首先考虑横向结构承受的荷载，并进行分析，确定可变荷载和永久荷载，对框架结构的内力进行全面了解，优化框架结构设计方案。如果水平荷载存在一定问题，那么厂房平面屋架刚度和稳定性就不够。为了提升厂房水平荷载能力，应该将支撑系统提前设置好。

5.3 框架结构设计内容

5.3.1合理布置结构

板、梁和钢柱等结构承受着轻钢结构厂房上部的荷载，在布置平面结构时，需要将柱网提前确定好，之后再根据设计明确承重柱的每个位置，如基础梁、屋面板和屋架等。将设计方案确定好之后，合理规划柱网。厂房结构的质量会受到柱网布置合理性的影响，后期设备的使用也会受到波及。需要对厂房用途、设备型号和大小等内容进行全面考虑，确保结构方案足够合理。另外，为了防止发生违规情况，还应满足行业规范要求。

5.3.2厂房受力分离

对厂房受力情况进行计算，确保构造筋数量配置的合理性，具体体现在以下几个方面：保证纵向钢筋配筋率不超出50%，柱纵筋保持独立，防止与预埋件、箍筋或拉筋焊接到一块。纵向钢筋之间的距离应保证≤37 cm，彼此之间的净距离不低于6 cm。钢柱附近箍筋应选择封闭式。在进行框架结构设计过程中，应十分注重结构的防火性能、防腐性能和抗震性能等，全面排查并消除安全隐患，为厂房的正常使用提供保障。

5.3.3设计方案优化

当钢结构主体组装完成后，需要对其进行全面检查，确保厂房整体的质量和美观性。重点检查不同钢结构相邻平面上螺栓的连接情况，如果发现问题就立即采取对应措施予以解决。以相关检查流程标准为依据，对整个厂房进行质量检查，保证每个工序的施工质量。另外，做好黏结层混凝土的处理工作，加强后期养护。

5.3.4严格控制钢结构材料质量

钢结构材料的质量会对厂房结构的稳定性和安全性造成直接影响。采购工作人员应不断提升自身专业能力和个人综合素质，加强对原材料质量的监督和控制。还需要建立相应的制度，对材料采购的整个过程进行监督，确保采购流程中不会出现差错。通过有效监督还能够防止渎职行为的发生，从根源上保证钢结构材料的质量，为施工安全和厂房质量提供有力保障。

5.3.5仪器的使用和保养

正确使用仪器，并且做好仪器保养工作可以有效提高它们的使用寿命。在施工过程中使用仪器时，应严格按照相关规定和方法进行，不能出现违规操作，确保施工质量和施工效果。在保养时需要注意保养方法，应用棉纱布擦拭仪器表面，避免与仪器发生碰撞，使用之后及时涂抹防锈漆，施工仪器的使用和保养应由专业的人员来完成。

6 结语

工业厂房结构体系以及结构设计是否具有科学性和合理性，会对工业厂房的安全及稳定造成严重的影响，从而阻碍工业建设的健康稳定发展。在当前的工业厂房结构设计中，钢结构的应用较为普遍，但钢结构也存在着易腐蚀及耐热性较差的问题，所以在进行工业厂房钢结构设计工作时应针对性地加强这几个方面的设计工作，从而让工业厂房的安全性和稳定性得到保障。