关于钢结构厂房结构设计的相关研究

薛国辉，李帅

（中建三局城建有限公司，长春 130000）

1 前言

现在，无论是国内还是国外，都在不断的开发技术，使得防腐涂料、防火涂料、高强度钢板等都在大规模的投入使用。因此，钢结构被广泛地应用于工业的建设中，而且发展的速度也越来越快。工业建筑在进行结构设计时，每个设计者的设计经验不同，对规范的了解程度也会有差异，因此，在设计问题时，所选择的处理方式也会有所不同，下面对工厂钢结构的设计研究进行了介绍。

2 钢结构工业厂房特点及发展历程

2.1 钢结构工业厂房特点

第一个特点是钢结构的大跨度。目前国内很多工厂的设计，都是为了满足大跨度的需要，采用的是大跨度的钢结构，钢结构最大跨径可达48 米，相对于传统的钢筋混凝土框架，在不改变梁高的前提下，实际开口间距比钢筋混凝土大50%以上，因此能有效地增加立柱的弹性。该特性使得钢结构在纵向温区长度超过300 米，横向温带长度为150 m，完全符合有关要求。第二个特点就是钢制的建筑比较轻巧。在厂房的设计和施工中，钢结构相对于常规混凝土结构来说，具有较低的质量，从而极大地减轻了基础的荷载。此外，钢结构体系在很大程度上克服了混凝土结构抗震能力差、施工技术复杂等缺点，其是一种应用于民用建筑项目的材料，其耐久性得到了极大的提高，可以有效地延长轻钢结构的使用寿命。

2.2 钢结构的发展历程

20 世纪50 年代中期，国内率先对预应力钢结构进行了研究，率先应用于输料栈桥，国内某年建造了一座25 米左右的煤炭栈桥，这是国内首次采用预应力钢栈桥。此后，国内部分学者逐步开发出了冷弯薄壁钢结构，以使其更加符合我国国情。到了70 年代末，我国一家工厂已经成功地开发出了一种新的自动式高架仓库，仓库的高度大约在15 米，共有13 层。随着我国经济的快速发展，钢结构工程建设的步伐也越来越快，空间结构和相应的轻型钢结构也逐渐被开发出来。

3 钢结构厂房设计不足之处

作为一名建筑设计师，应该按照企业的需求，对工厂的建筑进行全面的设计，包括柱网、跨度、气楼、吊车的形式，以适应建筑的实际应用需求。首先是立柱、网孔等，在选择立柱网段时，应了解生产工艺、设备布置、生产线数量、吊车的吨位及使用次数。不要一味地追求成本最小化的钢材，以满足生产的需要。其次是建筑内部，由于钢结构厂房的内部采用了柱间支撑，并在柱上安装了电缆桥架、管道支架等，部分构件具有较大的荷载，所以对敏感结构厂房的受力进行合理的规划是设计的重点和难点。厂房内部结构存在的设计缺陷包括：钢支架分布、气楼形式不合理、柱间支撑位置等因素对内部的物流通道产生影响；另外，对生产工艺、吊车外形尺寸的认识还不够充分，致使吊车的吨位、数量、形式、安装吊车时的净空高度都不够合理，会对生产造成极大的浪费。最后是造价，在设计过程中要充分考虑成本费用，而成本费用是影响企业经济效益的一个关键因素。在工程建设中，工厂的工程项目扮演着举足轻重的角色[1]。

4 工业厂房钢结构进行设计的准备工作

4.1 结构分析

工厂的钢结构分析是一个很重要的环节，在完成了结构的评估之后，相关的设计师必须要对工厂的钢结构进行全面的分析，确定是否符合建筑的要求，在必要的时候，还要检查一些关键的参数，包括安全隐患、结构变形、工期等等。

4.2 结构判断

在前期的准备工作中，设计师要通过对有关数据的判断和分析来检验钢结构的适应性，从设计经验来看，并非所有的工厂厂房都适用于钢结构，如果盲目的选择钢结构，可能会造成安全事故的发生。

4.3 结构评估

在进行结构评价时，首先要建立力学模型，然后对各构件的剖面进行具体的参数分析；钢结构厂房结构估算时，先确定梁、柱支承的截面参数，然后确定是否可以在一定程度上选择H 型钢、槽钢、轧钢等截面。

5 钢结构厂房结构设计要点

5.1 结构布置

在钢结构厂房的结构设计中，不仅要达到具体要求，而且要对其大小进行精确的控制。比如：钢结构厂房，门型钢架的宽度在21 米～24 米之间，宽度可以根据实际情况而定，但不能超过36 米，垂直和水平的荷载都是由构件连接而成，并且这些构件还承担着相邻框架之间的连接，在支撑系统中施加的压力，也要在相应的温度区域，设计屋顶的横向支撑，增加空间的稳定性[2]。

5.2 受力分析

在钢结构厂房的结构设计中，当屋顶处于满载状态时，应从安全的角度对其进行受力分析。在进行应力分析时，根据荷载作用的组合，举例说明：第一，考虑活荷载、雪荷载，并选取二者间最大的荷载，作为结构设计规范。第二，在进行应力分析时，应将雪荷载和积灰荷载结合起来。第三，在钢结构厂房的屋面施工、检修过程中，不得采用这种载荷进行自动加载。第四，按国家规定的负荷标准，安排多个起重机使用。第五，对设计风荷载和地震荷载的区别。规范中指出，钢结构厂房屋顶的垂直荷载标准为0.5 N/m2。

5.3 防火设计

在长时间承受100℃辐射热量的情况下，钢的强度变化不大，并有一定的耐热性；但超过150℃时，必须采用隔热材料。钢结构不能耐火，应特别重视对关键建筑物的防火保护。目前，为了保证钢结构的耐火性能，一般采用在钢结构上涂一层防火漆，以保证其耐火性能。另外，设计者还要从多角度进行分析，并采取相应的防范措施，例如：合理地设计疏散通道、逃生通道等，避免发生火灾时人员的紧急撤离，减少火灾造成的伤害[3]。

5.4 防腐设计

由于钢制建筑经常暴露在空气中，极易受到空气的侵蚀，而在钢制建筑内部，由于长期处于潮湿的环境中，其腐蚀就会加剧。钢结构受腐蚀，不仅导致整体截面变小，而且在钢材表面产生大量的花纹和凹坑，对结构造成一定的破坏。最常用的方法是在钢结构表面涂上一层防腐蚀涂层，这种涂层具有致密性、疏水性、高电阻、高粘附性，能有效地阻挡空气中的水蒸气和氯离子，对钢结构起到很好的防护作用。

5.5 抗震设计

在工业厂房的钢结构设计中，特别是在高震地区，应加强钢结构的抗震设计，以有效地提高厂房的抗震性能，并增强厂房的抗震性和安全性。在设计中，为了减小振动对厂房的损害，应使钢结构的布局均匀、对称，并使结构传递力清晰、有效。在此基础上，采用科学、合理的连接方法，以保证屋架与屋面板、屋架和立柱的连接牢固，防止节点损坏。同时，还需要加强柱身与墙体的拉力，采用合理的高宽比调节和减震方法，使其在地震作用下的抗震性能得到最大化。

6 工业厂房结构设计中钢结构设计的内容

6.1 钢结构工业厂房图纸设计

在钢结构工业厂房的结构设计中，必须根据实际情况，按照图纸进行详细的施工。在钢结构施工中，根据施工阶段、施工质量、施工工艺等进行施工，设计图纸都有明确的规定，可以说，在工程建设中，设计图纸是很有价值的。在具体的设计中，还要注意材料的准确性，也就是钢筋的种类和规格都要尽可能地控制在一个很小的范围之内，如果两个钢筋的规格大小比较接近，那么就可以采用相同的标准。

6.2 钢结构工业厂房防火设计

与混凝土结构相比，钢结构在使用过程中会受到温度的影响，其耐火性能也不是很好。因此，在钢结构工业厂房的结构设计中，应充分考虑保温、防火等因素，以保证厂房整体的安全可靠。在建筑工程的具体设计中，应明确火灾危险等级、防火等级，并严格按有关防火规范进行设计，选用防火等级的钢材，以减少火灾对钢结构的冲击，从而提高其防火性能。在实际工程中，为了提高钢结构的耐火性能和防火等级，一般都会在钢结构上涂覆一层防火漆。此外，在设计时，设计者应采取有效的预防措施，全面实施消防设计，减少火灾造成的损失。

6.3 钢结构工业厂房抗震设计

近几年，由于地震频发，工业厂房的抗震设计应从总体上提高其抗震能力。即在实际地震设计时，应确保设计厂房内钢结构的均匀性，并使其整体应力分布十分均衡，以钢框架为基础，合理的布置水平、纵向结构，以防止厂房出现变形，即使在地震中，也能保证建筑物本身的抗震性能。在地震中，建筑结构的损坏，主要是由于其承重部件没有满足规定的强度要求，导致结构在地震荷载作用下失去了稳定的支撑点，导致结构的坍塌。因此，在钢结构工业厂房的设计中，必须保证其科学、合理，从而使其整体稳定，并具有更好的抗震能力。在发生地震时，工业厂房中合理的支撑体系可以起到很好的保护作用，并能有效地保障建筑物的整体稳定，使建筑物的结构不至于受到严重的损坏。

6.4 钢结构工业厂房防腐设计

钢结构自身的特点，使其在空气中极易氧化，尤其是在潮湿的环境中，会使其进一步恶化。在钢结构的腐蚀中，其主要特征是：构件截面急剧减小、局部锈坑、受力部分应力过多等，从而对钢结构的寿命造成了很大的影响。在这一具体的设计中，设计师要将工厂周围的环境有机的结合起来，从而制订出具体的防腐蚀设计，进而有效地增强钢结构的抗腐蚀性能。目前，钢结构建筑施工中，一般都是在钢材表面涂上一层防锈防腐蚀涂层，以防止大部分的腐蚀因素与钢材的直接接触，从而起到保护钢材的作用。但是，在特殊的涂覆防腐蚀材料时，要根据不同的腐蚀防锈要求，选择特定的涂层厚度。

7 钢结构厂房设计中需要注意的事项

7.1 变形缝的设计

为钢结构工业厂房设计的变形缝，其主要内容有三种：防震缝、伸缩缝、沉降缝。在设计各类变形缝时，应充分考虑到工业厂房的质量要求。比如，当工厂厂房温度过高时，建筑结构就会受到温度的影响，从而导致建筑的变形。因此，在设计时，应以地基顶部为出发点，将两个温度区间分开的上部结构位置布置，使其易于在温度变化时发生横向变形，从而防止上部结构出现过大的变形。

7.2 支撑系统

在支撑体系的设计中，要重视结构振动、跨度、结构性能等方面的问题，并加强其在实际中的应用。钢结构厂房由于功能的差异，其支撑体系的设计也不尽相同，当钢结构厂房安装有振动装置或起重机时，就需要进行支承体系的设计，并且是横向支承，从而确保钢结构厂房的安全与稳定，使其结构设计更具科学性，进而使支撑体系发挥更大的作用。

7.3 厂房的工艺设计和钢结构设计要相互协调

钢铁工业厂房是企业生产领域的重要组成部分，而工厂的建设对整个生产流程的优化起着至关重要的作用。有时，厂房的结构不符合设计要求，主要有：墙体宽度、厚度、高度等指标不符合要求。其结构形式有：塔桅、网架、索膜、轻型钢、平面桁架、框架、桁架等，结合企业的实际情况，选用适当的钢结构，如采用格子式结构，当悬挑载荷大时，可以降低建筑物的荷载。另外，在选择设备时，还可以选择不同的材料，在选定的区域要根据不同的用途来选择，具体可以选用无缝钢管、焊接钢管等材料来满足结构需求。在无缝钢管内，有一个空心的部分，这个接口可以用来传输液体。圆钢和钢管等固体钢相比，具有更轻的重量，用于工厂的结构，可以稳定钢结构。因此，在结构设计上必须与生产工艺条件一致，工厂的设计必须与生产过程相适应。

7.4 合理进行电梯间位置布置设计

如果工厂是多层建筑，那就意味着要安装一些升降机来搬运货物。因此，在建造多层楼的时候，一定要合理选择电梯的位置，不仅要保证沉重的东西可以搬运，而且要保证在搬运的过程中，电梯之间的重量也要均匀。在选择升降机的地点时，应尽量避免与大楼的中心相背离，也就是大楼的拐角和末端。

8 结论

综上所述，工厂厂房是企业发展的重要物质基础，其科学合理的设计不仅能保证企业的安全与稳定，还能促进职工整体生活水平的提高。目前，钢结构被广泛地用于工业建筑的结构设计。然而，由于钢结构自身的缺陷，所以在设计时应严格按照规范，强化耐火、抗震等方面的设计，以确保其安全，并保障整体的质量，为我国工业的健康发展打下良好的基础。