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摘要: 伴随国家经济的快速发展，轻钢结构建筑也在中国建筑领域迅猛发展。钢结构建筑是继钢筋混凝土建筑之后的最具革命性建筑的新发展和新应用。轻钢结构建筑的特点突出：整体刚度和抗震性能好、施工速度快、结构占有面积小、承载力高，在工业厂房中钢结构逐渐代替了钢筋混凝七结构，以其大跨度、大空间的表现在建筑规模卜相当出色。尽管钢结构厂房有很多优点，但是也有防火性能差、易腐蚀、立面不易处理的缺点，本文阐述在设计中我们要根据其特点注意设计中可能出现的问题，从而使钢结构厂房的优点发挥出来。
关键词:钢结构厂房；设计；问题与对策
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
随着我国钢铁产业的快速发展，钢材产量和质量不断提高，价格逐步下降，钢结构的造价也相应有较大幅度的降低，对钢结构厂房来说，更是具有建设周期短，投入生产快，可尽早收回投资成本，钢结构厂房以其优越的结构性能和良好的综合经济效益，广受企业的青睐，在现代工厂设计中得到越来越多的采用。但是由于各行业工艺条件的要求不同，工业厂房的平面布置、立面布置具有许多不同的形态，相应的结构体系也就大相径庭。
2 钢结构厂房结构体系和柱网的确定
2.1 结构体系。
单层厂房钢结构体系主要由横向结构和纵向结构系统组成。横向系统就是排架。名称可以称作框排架、刚架等。也可以称为铰接排架及刚接排架。具体情况根据工艺要求、厂房刚度要求、结构受力情况、材料选用情况等确定。纵向系统一般由柱及其支撑、托架、吊车梁及制动梁或桁架、墙梁等组成。
2.2 柱网。
柱网应根据工艺要求、经济柱距及跨度、建筑美的要求等方面确定。经济指标是综合的,包括基础费用,钢材用量、制作安装难度及进度等。跨度一般根据工艺要求确定。通过多年设计经验总结,经济柱距为:重型厂房地基差时宜采用24m,中型厂房地基差时采用18m、15m,轻型厂房采用12m；地基较好时厂房一般宜采用12m、18m柱距。
2.3 厂房温度伸缩缝。
横向温度伸缩缝一般采用双柱伸缩缝。厂房纵向温度伸缩缝一般采用单柱伸缩缝,方法是厂房一侧采用摇摆柱或采用滚动支座来实现伸缩。
3 钢结构厂房设计中应该注意的问题及对策
钢结构有自己的特点，我们应该注意充分发挥它的优点，首先，钢材具有非常好的导热性能，其导热系数达到50 W／(m·℃)，对于钢结构建筑，如果不进行保温隔热处理，势必会造成大量能源浪费和消耗，同时还要满足工艺性要求和舒适性要求。钢材受热在100℃以上时，随着温度的升高，钢材的抗拉强度降低，塑性增大；温度在250℃左右H寸，钢材抗拉强度略有提高，而塑性却降低，出现蓝脆现象；当温度超過250℃时钢材出现徐变现象；当温度达500℃时，钢材强度降至很低，以致钢结构塌落。冈此，当钢结构表面温度处于150℃以上时，必须做隔热及防火设计，做法一般有两种：①在钢构件外包耐火砖。混凝十或硬质防火板材。②采用厚涂型防火涂料，厚度按《钢结构防火涂料应用技术规程》计算。其次，温度变化将引起钢结构厂房变形，使结构产生温度应力，其大小与柱子刚度、吊车轨顶标高和温差有关。当厂房平面尺度很大时，为避免产生过大的温度力，应在厂房横向或纵向设置温度缝，将平面尺寸很大的厂房分成若干温度区段。温度区段的长度可根据钢结构设计规范执行。温度伸缩缝一般采用设置双柱方法处理，也可采用设置单柱方法处理，对纵向温度伸缩缝可在屋架支座处设置滚动支座，对横向温度伸缩缝可在框架梁与檩条连接处采用椭圆孔滑动方式或槽钢夹板滑动方式。
既然钢结构具有以上诸多优点，我们在厂房各系统设计中应特别注意的问题：
3.1 铰接屋架上承及下承做法对柱的影响
上承式屋架优点:屋架支座处传力好。屋架在安装时的稳定性好,而且基本上可不必考虑屋架受力后弦杆弹性伸长的影响。上弦在竖向荷载作用下的压缩变形可补偿屋架下挠时(坡度变直时)支座向外的位移。其总位移量的消长情况与屋面坡度有关,当屋面坡度i≥1/6,柱顶仍将向外推移。当i≤1/10柱顶非但不会向外推移,甚至有向里移动的可能,这个优点在多跨厂房中更为重要。上承式屋架缺点:上承屋架端支座底部至端节点中心的距离较大,约为下承式屋架的23倍。因此,在柱顶水平剪力作用下对支座节点的偏心弯矩较大,设计时应引起注意。一般可采取以下两种方式解决:①采用侧接法与柱顶相连,以减少甚至消除偏心弯矩;②在与支座节点相连的屋架杆件设计中,考虑此偏心弯矩的影响,下承式屋架做法优缺点正好与上承式相反。
3.2 柱
柱截面选用时,为了经济,宜优先选用钢管混凝土柱或型钢格构柱。为了经济,在工艺允许的情况下可增加纵向系杆,以减小厂房柱的平面外计算长度。
3.3 柱间支撑
支撑杆件采用单拉杆设计或一镰一压杆件设计,应根据受力大小及杆件长度确定。目前流行采用单杆既在前后片杆件之间不打缀条设计,便于中间穿行管道、钢梯及参观走道。
3.4 吊车梁系统
吊车梁中间加劲肋板与上翼缘的焊缝国标图集与钢结构设计规范不同(钢结构设计规范要求刨平顶紧后焊接,国标图集仅采用焊缝),建议采用刨平顶紧后焊接。平板支座处加劲肋国标图集中是上下刨平顶紧,为了便于施工,建议改为上端坡口焊,下端刨平顶紧后焊接。
3.5预埋线管处的裂缝防治预埋线管,特别是多根线管的集中处容易导致裂缝。当预埋线管直径较大,开间宽度较大,且线管的敷设走向重合时,很容易发生楼面裂缝。因此对于较粗的管线或多根线管的集中处须加强。根据我们的经验,建议增设的抗裂短钢筋采用Φ6-8,间距≤100。
3.6材料吊卸区域的楼面裂缝防治目前在主体结构施工过程中,普遍存在质量与工期的矛盾。一般主体结构的楼层施工速度平均为5~7天左右一层,最快时甚至不足5天一层。因此当楼层砼浇筑完毕后不足24小时的养护时间,就忙着钢筋、钢管、模板等材料吊运施工,这就给大开间部位的房间雪上加霜。在强度不足的情况下受材料吊卸冲击振动荷载的作用而引起不规则的受力裂缝。并且这些裂缝一旦形成,就难于闭合,形成永久性裂缝,这种情况在高层住宅主体快速施工时较常见。对这类裂缝的综合防治措施如下:
① 主体结构的施工速度不能强求过快,楼层浇筑完后的必要养护必须获得保证(一般不宜≤24h);主体结构阶段的楼层施工速度宜控制在6~7天一层为宜。
② 科学安排楼层施工作业计划,在楼层砼浇筑完毕的24小时后,可做一些测量、定位、弹线等准备工作,最多只允许暗柱钢筋焊接工作,不允许吊装大宗材料,避免冲击负载。砼终凝后可先分批安排运少量暗柱和剪力墙钢筋进行绑扎活动,做到轻卸、轻放,以控制和减少冲击振动力。第3天方可开始吊装钢管等大宗材料以及从事楼层墙板和楼面的模板正常支模施工。
③ 模板安装时,吊运或传递上来的材料应尽量分散就位,不得过多地集中堆放,以减少楼面集中荷重。
④ 对计划中的临时大开间材料吊装堆放区域部位(一般约40m2左右)的模板支撑架设前,应预先考虑采用加密立杆(立杆的纵、横向间距均不宜大于800mm)和搁栅增加模板支撑架刚度的加强措施,以增强刚度、减少变形来加强该区域的抗冲击振动荷载,并应在该区域的新筑砼表面铺设旧木模板以保护和扩散外力,防止裂缝的发生。
4 结语
一个厂房设计的好与坏取决于工艺、项目管理的差别，因为综合管线的管理是衡量一个设计院工厂设计的水平高低的重要环节，它直接可能影响设计过程的是否顺利，是否能按施工进度保证设计的顺利完成。各专业协调的能力最直接、最表面的体现就是综合管线的布置。各专业协调的好，综合管线布置合理，厂房整齐、干净，否则就显得零乱。随着工业的发展，钢结构工业厂房应用必将越来越广泛。钢框架设计必须采取合适的构件截面型式、稳定的支承、合理的节点设计才能满足工业的要求。
参考文献：
[1] 闰成标．钢结构在工业厂房中的设计施工技术[J]．中国高新技术企业，2009(10)．
[2] 郑开平．对多层工业厂房结构设计的探讨[J]．中国建筑，2008(7)．
[3] 刘金武，石军．论高层建筑钢结构的设计步骤及思路[J]．科技资讯，2008(8)．
[4] 姚治．浅谈钢结构工业厂房设计[J]．科技创新导报，2009(10)．
[5]刘霄，杨红旗，杨国海.轻型钢结构厂房的设计与研究[J].山西建筑，2006 07 10.
关键词:钢结构厂房；设计；问题与对策
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
随着我国钢铁产业的快速发展，钢材产量和质量不断提高，价格逐步下降，钢结构的造价也相应有较大幅度的降低，对钢结构厂房来说，更是具有建设周期短，投入生产快，可尽早收回投资成本，钢结构厂房以其优越的结构性能和良好的综合经济效益，广受企业的青睐，在现代工厂设计中得到越来越多的采用。但是由于各行业工艺条件的要求不同，工业厂房的平面布置、立面布置具有许多不同的形态，相应的结构体系也就大相径庭。
2 钢结构厂房结构体系和柱网的确定
2.1 结构体系。
单层厂房钢结构体系主要由横向结构和纵向结构系统组成。横向系统就是排架。名称可以称作框排架、刚架等。也可以称为铰接排架及刚接排架。具体情况根据工艺要求、厂房刚度要求、结构受力情况、材料选用情况等确定。纵向系统一般由柱及其支撑、托架、吊车梁及制动梁或桁架、墙梁等组成。
2.2 柱网。
柱网应根据工艺要求、经济柱距及跨度、建筑美的要求等方面确定。经济指标是综合的,包括基础费用,钢材用量、制作安装难度及进度等。跨度一般根据工艺要求确定。通过多年设计经验总结,经济柱距为:重型厂房地基差时宜采用24m,中型厂房地基差时采用18m、15m,轻型厂房采用12m；地基较好时厂房一般宜采用12m、18m柱距。
2.3 厂房温度伸缩缝。
横向温度伸缩缝一般采用双柱伸缩缝。厂房纵向温度伸缩缝一般采用单柱伸缩缝,方法是厂房一侧采用摇摆柱或采用滚动支座来实现伸缩。
3 钢结构厂房设计中应该注意的问题及对策
钢结构有自己的特点，我们应该注意充分发挥它的优点，首先，钢材具有非常好的导热性能，其导热系数达到50 W／(m·℃)，对于钢结构建筑，如果不进行保温隔热处理，势必会造成大量能源浪费和消耗，同时还要满足工艺性要求和舒适性要求。钢材受热在100℃以上时，随着温度的升高，钢材的抗拉强度降低，塑性增大；温度在250℃左右H寸，钢材抗拉强度略有提高，而塑性却降低，出现蓝脆现象；当温度超過250℃时钢材出现徐变现象；当温度达500℃时，钢材强度降至很低，以致钢结构塌落。冈此，当钢结构表面温度处于150℃以上时，必须做隔热及防火设计，做法一般有两种：①在钢构件外包耐火砖。混凝十或硬质防火板材。②采用厚涂型防火涂料，厚度按《钢结构防火涂料应用技术规程》计算。其次，温度变化将引起钢结构厂房变形，使结构产生温度应力，其大小与柱子刚度、吊车轨顶标高和温差有关。当厂房平面尺度很大时，为避免产生过大的温度力，应在厂房横向或纵向设置温度缝，将平面尺寸很大的厂房分成若干温度区段。温度区段的长度可根据钢结构设计规范执行。温度伸缩缝一般采用设置双柱方法处理，也可采用设置单柱方法处理，对纵向温度伸缩缝可在屋架支座处设置滚动支座，对横向温度伸缩缝可在框架梁与檩条连接处采用椭圆孔滑动方式或槽钢夹板滑动方式。
既然钢结构具有以上诸多优点，我们在厂房各系统设计中应特别注意的问题：
3.1 铰接屋架上承及下承做法对柱的影响
上承式屋架优点:屋架支座处传力好。屋架在安装时的稳定性好,而且基本上可不必考虑屋架受力后弦杆弹性伸长的影响。上弦在竖向荷载作用下的压缩变形可补偿屋架下挠时(坡度变直时)支座向外的位移。其总位移量的消长情况与屋面坡度有关,当屋面坡度i≥1/6,柱顶仍将向外推移。当i≤1/10柱顶非但不会向外推移,甚至有向里移动的可能,这个优点在多跨厂房中更为重要。上承式屋架缺点:上承屋架端支座底部至端节点中心的距离较大,约为下承式屋架的23倍。因此,在柱顶水平剪力作用下对支座节点的偏心弯矩较大,设计时应引起注意。一般可采取以下两种方式解决:①采用侧接法与柱顶相连,以减少甚至消除偏心弯矩;②在与支座节点相连的屋架杆件设计中,考虑此偏心弯矩的影响,下承式屋架做法优缺点正好与上承式相反。
3.2 柱
柱截面选用时,为了经济,宜优先选用钢管混凝土柱或型钢格构柱。为了经济,在工艺允许的情况下可增加纵向系杆,以减小厂房柱的平面外计算长度。
3.3 柱间支撑
支撑杆件采用单拉杆设计或一镰一压杆件设计,应根据受力大小及杆件长度确定。目前流行采用单杆既在前后片杆件之间不打缀条设计,便于中间穿行管道、钢梯及参观走道。
3.4 吊车梁系统
吊车梁中间加劲肋板与上翼缘的焊缝国标图集与钢结构设计规范不同(钢结构设计规范要求刨平顶紧后焊接,国标图集仅采用焊缝),建议采用刨平顶紧后焊接。平板支座处加劲肋国标图集中是上下刨平顶紧,为了便于施工,建议改为上端坡口焊,下端刨平顶紧后焊接。
3.5预埋线管处的裂缝防治预埋线管,特别是多根线管的集中处容易导致裂缝。当预埋线管直径较大,开间宽度较大,且线管的敷设走向重合时,很容易发生楼面裂缝。因此对于较粗的管线或多根线管的集中处须加强。根据我们的经验,建议增设的抗裂短钢筋采用Φ6-8,间距≤100。
3.6材料吊卸区域的楼面裂缝防治目前在主体结构施工过程中,普遍存在质量与工期的矛盾。一般主体结构的楼层施工速度平均为5~7天左右一层,最快时甚至不足5天一层。因此当楼层砼浇筑完毕后不足24小时的养护时间,就忙着钢筋、钢管、模板等材料吊运施工,这就给大开间部位的房间雪上加霜。在强度不足的情况下受材料吊卸冲击振动荷载的作用而引起不规则的受力裂缝。并且这些裂缝一旦形成,就难于闭合,形成永久性裂缝,这种情况在高层住宅主体快速施工时较常见。对这类裂缝的综合防治措施如下:
① 主体结构的施工速度不能强求过快,楼层浇筑完后的必要养护必须获得保证(一般不宜≤24h);主体结构阶段的楼层施工速度宜控制在6~7天一层为宜。
② 科学安排楼层施工作业计划,在楼层砼浇筑完毕的24小时后,可做一些测量、定位、弹线等准备工作,最多只允许暗柱钢筋焊接工作,不允许吊装大宗材料,避免冲击负载。砼终凝后可先分批安排运少量暗柱和剪力墙钢筋进行绑扎活动,做到轻卸、轻放,以控制和减少冲击振动力。第3天方可开始吊装钢管等大宗材料以及从事楼层墙板和楼面的模板正常支模施工。
③ 模板安装时,吊运或传递上来的材料应尽量分散就位,不得过多地集中堆放,以减少楼面集中荷重。
④ 对计划中的临时大开间材料吊装堆放区域部位(一般约40m2左右)的模板支撑架设前,应预先考虑采用加密立杆(立杆的纵、横向间距均不宜大于800mm)和搁栅增加模板支撑架刚度的加强措施,以增强刚度、减少变形来加强该区域的抗冲击振动荷载,并应在该区域的新筑砼表面铺设旧木模板以保护和扩散外力,防止裂缝的发生。
4 结语
一个厂房设计的好与坏取决于工艺、项目管理的差别，因为综合管线的管理是衡量一个设计院工厂设计的水平高低的重要环节，它直接可能影响设计过程的是否顺利，是否能按施工进度保证设计的顺利完成。各专业协调的能力最直接、最表面的体现就是综合管线的布置。各专业协调的好，综合管线布置合理，厂房整齐、干净，否则就显得零乱。随着工业的发展，钢结构工业厂房应用必将越来越广泛。钢框架设计必须采取合适的构件截面型式、稳定的支承、合理的节点设计才能满足工业的要求。
参考文献：
[1] 闰成标．钢结构在工业厂房中的设计施工技术[J]．中国高新技术企业，2009(10)．
[2] 郑开平．对多层工业厂房结构设计的探讨[J]．中国建筑，2008(7)．
[3] 刘金武，石军．论高层建筑钢结构的设计步骤及思路[J]．科技资讯，2008(8)．
[4] 姚治．浅谈钢结构工业厂房设计[J]．科技创新导报，2009(10)．
[5]刘霄，杨红旗，杨国海.轻型钢结构厂房的设计与研究[J].山西建筑，2006 07 10.