多层钢结构工业厂房结构设计要点分析

陈先河

皖创环保股份有限公司 安徽 合肥 230000

引言

随着我国工业发展水平的提高和国民经济的发展需要，工业厂房的建设速度得到了很大的提高，这也为多层钢结构厂房的设计和施工带来了新的机遇。根据多年来的工作经验，多层钢结构在材料应用、施工便捷性、工程外观、抗震和受力性能、造价和环境保护等方面都具有明显的优越性。

1 多层钢结构工业厂房设计的特点

1.1 轻便型

对于多层钢结构设计，则是以钢材料为主，并不需要其他的材料。这种钢材料在工业厂房里的重量相对较轻，可以极大地提高施工的效率。

1.2 周期较短

在工业厂房多层钢结构的设计和施工中，其周期较短，造成这种现象最大的原因是多层钢结构的使用特性。由于其在设计和施工中没有比较复杂的建筑材料，只需使用钢材料进行搭接，所以其设计和施工更加方便。

1.3 层高比较突出

目前，我国工业厂房多层钢结构的设计工作中仍有一些突出的问题。与传统的住宅建筑相比，这种多层钢结构的工业厂房，往往会有4～8m的高度，差不多是普通建筑的两倍。当然，这与工业厂房本身的基本需求有着密切的联系。

1.4 活载荷较大

在活荷载方面，其具有更好的工作性能。一般情况下的活荷载都可以达到2.5-20kN/m2，这就需要在设计时更加重视，以提高整体的可靠性和安全性。

1.5 悬挂载荷和集中载荷比较多

图1 多层钢结构工业厂房

由于多层钢结构的使用方式，其施工中需要进行很多的悬挂、安装等作业。由于这种悬挂装置的存在，其承载力必须引起设计人员的高度关注，以防止这种载荷太大，同时需要进行适当的控制，从而保证整体多层钢结构的稳定性。由于在实际的多层钢结构中，由于受机械设备的使用等因素影响，往往会产生较大的集中荷载，从而对其使用安全性产生一定的影响，因此设计人员应高度关注这一问题[1-2]。

2 多层钢结构工业厂房设计注意问题

2.1 结构计算注意问题

在多层工业厂房的结构设计中，采用相应的专用软件和工具箱进行构件的计算，保证图纸的精确性和完整性，为多层工业厂房的设计提供了科学的参考。工业厂房结构计算的内容很多，主要有：构件强度计算、稳定性计算、挠度计算、各部位荷载输入、地基计算、厂房裂缝宽度计算。若不注意以上的计算，将造成工程后期的资料基础不足，从而影响工程的施工质量和安全。同时，要加强与其他有关专业人员的沟通，尽量减少施工上的冲突，以保证多层钢结构厂房的施工质量和效率。

2.2 坚持“四性”设计原则

“四性”的设计理念包括：经济性、稳定性、实用性、安全性[3]。企业通过增加生产效率来减少成本。在激烈的市场竞争中，提高企业的生产效率，降低成本费用，就能提高企业的经济效益。一些企业在进行工业厂房的结构设计时，往往容易被利益所吸引，过分注重经济效益而忽略了其实用性和安全性。在设计工业厂房时，必须结合经济性、稳定性、实用性、安全性等原则，以较低的造价进行高实用性的厂房建设，保证其在工业生产中的作用。

3 多层钢结构工业厂房结构设计

3.1 地基基础设计

多层钢结构厂房地基基础的设计，主要有以下几个方面：一是采用地基处理方法进行地基加固。根据土质的特性，采取不同的处理方法。例如：更换垫层、压实填土、强夯等。地基处理后，必须满足相应的地基承载力、变形、稳定性等方面的要求。二是选择天然地基，桩基。在轴心荷载作用下，基础基底表面的平均压力低于修正后的地基承载力特征值。在偏心荷载作用下，还必须符合相关的公式。

3.2 结构布置

在多层钢结构工业厂房的设计中，主要采用框架、支撑框架、框排架等多种形式。框架形式的厂房无柱间支撑，形成纵向和横向交叉的刚接框架，梁和柱轴力弯矩大，梁、柱截面形式以H型钢为主，耗钢量大。适用于2～4层多层钢结构工业厂房，设备数量少，操作总重量轻；采用支承框架的厂房，其纵向和横向结构通常都有支承，其承受设备和地震时的大部分水平力，而与支承结构连接的柱，其柱弯矩减小，整体柱段截面减小，具有明显的经济效益。框排架结构的厂房，因工艺等方面的特殊需要，将顶层中间柱去掉，短向柱网跨度大，屋顶梁为钢屋架，钢屋架与柱端铰接，同时屋面自重较轻，适用于屋面有吊车荷载的情况，节约顶层中间柱的用钢量，经济效益显著[4]。

3.3 设备布置

在多层钢结构工业厂房的设计中，也应注意设备的布置问题，其布置要点是：一是当设备的工作总重量由地基基础承担，设备跨越楼层时，厂房楼层必须进行开洞处理。设备与楼层封边钢梁的缝宽，应大于设备热膨胀所需的最小距离；二是应尽可能将大型设备设置在底层；降低因重心太高而引起的额外弯矩。三是厂房的长度超限，如运输机、管线等长条设备，如需跨越抗震缝，则在防震缝的一部分上设滑动支撑，并使其位移符合设备的变形；四是塔架和冷换装置要按实际情况进行架设。各楼层都需要在对应位置安装水平支撑，以增加结构的平面刚度。

3.4 钢结构抗震设计

钢结构工业厂房的抗震性能和构件、节点的抗震性能检验，应按照《抗规》附录 H.2.6、H.2.7中的规定进行。同时，还能满足构造的相关要求。

3.5 支撑节点设计

在钢结构工业厂房的基础结构设计中，设计人员要确保所有的生产作业正常进行，并注重基础的竖向支撑和节点的设计。由于不同节点所处的位置和所承受的载荷也不一样，因此必须从全局的角度出发，从整体到局部设计。节点的设计符合相关的技术规范。具体的竖向支撑设计，设计人员应根据跨度、层高、管线设备等条件选用人字、交叉或单斜杆等支撑形式。若设备的实际到货与图纸不符，则由业主或施工人员变更设计，竖向支承的形式和位置可调整，并增设相应的节点，保证工业厂房施工的安全性。

3.6 柱网与楼盖设计

在设计柱网布局时，必须考虑正常使用需求和生产工艺，以保证设计的经济性、稳定性、实用性和安全性。在方案设计阶段，设计人员要对管道的情况进行深入的分析，在进行地基基础设计时要注意施工技术等方面的问题，以确保设计方案的合理性和可执行性。在多层钢结构厂房的楼盖设计中，应确保其足够的强度和稳定性，以防止失稳破坏。在选取钢铺面作为楼盖类型时，应按不同水平荷载、垂直荷载、跨距设计檩条拉条等结构构件。

3.7 变形缝设计

多层钢结构工业厂房的变形缝的设计，包括沉降缝、伸缩缝和防震缝。由于厂房的长宽较大，温差大，容易产生裂缝，因此，为防止屋面、墙面等围护结构因内外温差的影响而产生裂缝，应设置伸缩缝。通常，多层钢结构厂房不需要设置沉降缝，在厂房相邻两个部分间的高度差超过规范限制，或者是地基承载能力相差很大时，应设置沉降缝。如果厂房某一方向或两个方向都超过了限值，且结构必须进行抗震设计，则应在该区域内设置防震缝。防震缝的宽度必须符合最小的抗震规范规定。

3.8 协调结构设计与工艺设计

在多层钢结构厂房的设计中，结构和工艺的协调是其设计的核心，两者具有一定的交互作用。在进行结构设计前，要考虑到产能与工艺的需求，以确保高产量。在工艺设计时，要对工业厂房的结构进行详细的了解，例如：设备承载能力等。在实际的设计中，如果忽略了两者之间的协调，不但不能充分利用工业厂房的功能，而且会导致使用矛盾的加剧。

3.9 吊车梁设计以及暖通开洞处理方式

第一，吊车梁的截面形式：工业厂房的柱网，一般根据工艺布局来确定。工业厂房规模、柱距等工艺布局。工业厂房顶层排架柱的标准柱距为15～24m。按跨度、荷载大小选用不同的吊车梁。吊车与屋面之间的间距应与吊车作业的安全高度相适应。

图2 多层钢结构工业厂房吊车施工

第二，多层钢结构厂房屋顶彩钢板孔处理，因暖通专业的通风需要，设有多条通风管，并从屋面穿过，屋面檩条布置应考虑到多孔的不利影响，在短侧或三侧用槽钢封闭。孔洞的周围也要进行翻边，以避免雨水的倒灌。

4 多层钢结构工业厂房施工设计质量控制

4.1 确保后续工程的施工质量

在建筑施工的初期阶段，既要严格审核钢结构的施工组织设计，又要对其进行及时的整改，并保证其质量。针对高层建筑，在钢结构施工中，应选用混凝土独柱作为基础，以保证整体质量，在基础工程中应严格控制以下几个因素：混凝土基础轴线、顶面标高、钢板定位螺栓孔、螺栓定位螺栓的位置及数目。施工物料的进入和堆放要严格按既定的进度进行，在进行地基工程时，应加强技术指导，加强现场管理，以保证施工的正常进行。

4.2 施工时要严格根据制定的方案进行施工

如有施工上的问题或设计上的问题，应及时与业主协商，并在问题得到解决后继续进行。施工技术人员不但要明白每个工艺的重要意义，更要对其有深入的认识和掌握。为保证工程材料的质量，在进场时要进行严格的检验和取样，并对材料进行焊接前的焊接工艺进行严格的评估，并根据不同的母材强度选用适当的焊料。

4.3 在安装现场需要加强对成品的保护力度

确保大型部件不会掉落地面，并确保到达后组装，并能及时进行装配。进一步缩短施工周期，防止钢结构部件二次污染的发生。为小型部件的堆放提供空间，保证部件不与地面直接接触。采用木方垫料方法，保证两个以上的垫脚点。同时，要加强施工工人的安全意识和安全教育，要在工地上安装各种安全警示标语、安装设备，并在重点部位设立安全标志，注意工地和工地的防火标识。

5 结束语

总之，多层钢结构在工业厂房中的应用是有很大的优势和价值的，而这些优点的发挥，无疑会极大地提高这种多层钢结构的应用。然而，在多层钢结构的实际应用中，仍有许多问题。特别是在相应的设计中，有很多的设计重点和需要考虑的问题。只有将这些重点都掌握在自己的手中，才能将它的作用发挥到最大，而且还能防止在以后的使用中出现安全问题。