浅析工业厂房钢结构设计

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　　[摘要] 单层厂房按其主要承重结构的材料分，有混合结构、钢结构和钢筋混凝土结构。厂房内无吊车或吊车起重量不超过50kN、跨度在15m以内、柱顶标高在5m以内，  无特殊工艺要求的小型厂房，可采用混合结构(砖柱、钢筋混凝土屋架、木屋架或轻钢屋架)。当吊车吨位在250kN(中级工作制)以上、跨度大于36m的大型厂房或有特殊工艺要求的厂房(如设有100kN以上锻锤的车间以及高温车间的特殊部位等)，一般采用钢屋架、钢筋混凝土柱或全钢结构。
　　[关键词] 钢结构设计厂房 荷载
　　引言
　　单层厂房结构具有较大的净空和跨度，因而构件的内力和基础受力均较大。对于未来，我们会对单层厂房结构设计提出更加完善的、更加严谨的思路。本文主要简单探讨了单层工业厂房钢结构提出一点看法。
　　
　　一、钢结构工业厂房的优越性归纳 在摘要部分已经提到过钢结构工业厂房的主要优点在于：首先，在施工速度方面：钢结构构件可以工厂化批量生产，施工简单，安装快捷，大大缩短施工周期；其次，钢结构工业厂房在自重方面：可减轻建筑物结构质量约30%，特别在地基承载力低和地震设防烈度较高的地方，其综合经济优于钢筋混凝土结构体系；最后，从环保方面考虑：钢结构体系属于环保型绿色建筑体系，钢材本身是一种高强度高效能的材料，具有很高的再循环价值，并且不需要制模施工。 二、钢结构工业厂房图纸设计的重要性 无论在什么样的工程中，图纸是工程施工的依据。在钢结构工业厂房的设计期间，要组织施工单位专业技术人员对图纸进行会审,检查施工图纸中的“错、漏、碰、缺”,力争把问题解决在施工之前,减少因图纸问题对工程质量、进度的影响。钢结构工程要针对制作阶段和安装阶段分别编制施工组织设计,其中制作工艺内容应包括制作阶段各工序、各分项的质量标准、技术要求,以及为保证产品质量而制订的各项具体措施。 三、对钢结构工业厂房支撑系统的设计原则 为了保证钢结构厂房的空间工作,提高其整体刚度,承受和传递纵向水平力,防止杆件产生过大的变形,避免压杆失稳,以及保证结构的整体稳定性,应根据厂房结构的形式,车间吊车的设置,振动设备以及厂房的跨度、高度,温度区段的长度等情况布置可靠的支撑系统。厂房每一温度区段应设置稳定的柱间支撑系统,并与屋盖横向水平支撑的布置相协调。下柱支撑的位置是决定厂房纵向结构变形方向的重要因素,并影响温度应力的大小,下柱支撑应尽可能设在温度区段的中部,使吊车梁等纵向构件能随着温度变化比较自由地向区段两端伸缩。当温度区段的长度不大时,一般在温度区段的中部设置一道下段柱支撑,但温度区段的长度大于150 米时,为了保证厂房的纵向刚度,应在温度区段内设置两道下段柱支撑,其位置应尽可能布置在温度区段中间三分之一的范围内,为了避免过大的温度应力,两道支撑的中心距离不宜大于72 米。
　　四、钢结构基础设计思路及其步骤
　　
　　 针对钢结构厂房结构，采用此法可以使边柱和角柱的基础短柱尺寸不至于太大（特别是刚接柱脚）对于优质地基不至于使混凝土短柱（尺寸过大）和基础尺寸比例过于夸张。
　　(1)画好轴网和轴标。这是一切地下结构计算和施工的参考坐标系。(2) 按实际柱脚尺寸画好柱底板，做成块置于轴网。特别注意对于一榀框架可能存在不同的翼缘宽度，对于柱翼边压轴线的边框架注意使各柱中心在同一直线上，偏离轴线相同尺寸。
　　(3) 定义墙裙（砖墙）位置，使墙裙外皮不小于“墙梁高+5毫米安装间隙+墙板波幅”；确定墙裙宽度（如：标准砖240；85砖200；加气混凝土砌块190）。注意当墙梁截面较大时，墙裙内皮不一定贴钢柱内皮。
　　(4) 确定地梁尺寸和位置。地梁高H=(1/10~1/15)L（柱距）；宽B=250或者300。要求地梁中心和墙裙中心重合。在CAD图中画出，并标出内外皮和轴线位置关系。
　　(5) 按“A.钢柱底板到混凝土短柱外皮不下于100毫米”和“B.混凝土短柱外皮平齐”；“C.混凝土短柱尺寸为50的倍数”的思路定义混凝土短柱尺寸并作图。（为了减小边角柱尺寸和便于支模）
　　(6) 在图中量取“Ewall:地梁中心到混凝土柱中心的偏心”和“Ec:钢柱到混凝土柱中心的偏心”。因为设计目的要求混凝土柱中心和基础中心重合（不一定和钢柱中心重合），减少基础类别和绘图尺寸计算困难。(7)计算基础计算需要的内力。注意采用设计值可以减少计算量（基础大小用：设计值/1.35）。Fwall=[5.24*Hwall+25*B(地梁宽)*H（地梁高）]*1.2 N=Nc（钢柱轴力）+Fwall； Mx=Nc*Ec.x+Fwall*Ewall.x; My=Nc*Ewall.y+Fwall*Ewall.y; Vx Vy 和混凝土短柱计算高度H0＝min(短柱高，500)计算基础大小（除以1.35）和配筋。（可以利用Tssd了，注意Vy的方向定义和STS,PK定义的方向有所不同）如果手算，需要把Vx*H0计入My；把Vy*H0计入Mx，对浅基础，按一般基础计算方法计算基础大小和配筋（当有刚性地坪对混凝土短柱有效侧向约束时，可以忽略剪力带来的弯矩）。注意各矢量的方向，取代数和。
　　(8)对浅基础验算软弱下卧层，注意不考虑弯矩影响。
　　(9)在基础平面图中标出：1.基础和短柱和轴线位置关系；2.地梁和轴线位置关系。
　　(10)以基础大小、混凝土短柱大小和板厚以及配筋定义基础类别并做表（减少绘图量）。
　　(11)画地梁截面详图和基础施工说明。
　　五、钢结构工业厂房耐热能力设计的重要性 钢结构工业厂房防火能力很差，当钢材受热在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℃左右时,钢材抗拉强度略有提高,而塑性却降低,出现蓝脆现象；当温度超过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。因此,当钢结构表面温度处于150℃以上时,必须做隔热及防火设计（通常是涂耐热涂料来解决）。 而钢结构工业厂房的施工中，存在的问题非常的繁冗，在这里我们只对比较突出的几个问题进行分析研究。
　　
　　六、钢结构厂房设计中应注意的问题
　　(1)梁、柱拼接节点一般按刚接节点计算，但往往由于端部封板较簿而导致与计算有较大出入，故应严格控制封板厚，以保证端板有足够刚度。
　　(2)有的设计斜梁与柱按刚接计算而实际工程则把钢柱省去，把斜梁支承在钢筋混凝土柱或砖柱上，造成工程事故，设计时应注意把节点构造表达清楚，节点构造一定要与计算相符。
　　(3)多跨门式刚架中柱按摇摆柱设计，而实际工程却把中柱和斜梁焊 死致使计算简图与实际构造不符，造成工程事故。
　　(4)檩条设计常忽略在风吸力作用下的稳定，导致大风吸力作用下很 容易失稳破坏，设计时应注意验算檩条截面在风吸力作用下是否满足要求。
　　 (5)有的工程在门式刚架斜梁拼接时，把翼缘和腹板的拼接接头放在同一截面上，造成工隐患，设计拼接接头时翼缘接头和腹板接头一定要错开。
　　(6)有的单位檩条设计时只简单要求镀锌，没有提出镀锌方法镀锌量 ，故施工单位用电镀，造成工程尚未完成，檩条已生锈，设计时要提出宜采用热镀锌带钢压制而成的翼缘，并提出镀锌量要求。

　　(7)隅撑的位置和檩条（或墙梁）和拉条的设置是保证整体稳定的重要措施，有的工程设计把它们取消，可能造成工程隐患。如果因特殊原因不能设隅撑时，应采取有效的可靠措施保证梁柱翼缘不出现曲屈。
　　(8)柱脚底板下如采用剪力键，或有空隙，在安装完成时，一定要用灌浆料填实，注意底板设计时一定要有灌浆孔。
　　(9)檩条和屋面金属板要根据支承条件和荷载情况进行选用，不应任意减薄檩条和屋面板的厚度。
　　(10)为节省檩条和墙梁而采取连续构件。但其塔接长度不少单位没有经过试验确定，而塔接长度和连接难于满足连续梁的条件。在设计时，要强调若采用连续的檩条和墙梁，其塔接长度要经试验确定 ，也应注意在温度变化和支座不均匀沉降下可能出现的隐患。
　　(11)不少单位为了省钢材和省人工，将檩条和墙梁用钢板支托的侧向肋取消，这将影响檩条的抗扭刚度和墙梁受力的可靠性。设计时应在图纸标明支座的具体做法，总说明应强调施工单位不得任意更改。
　　(12)门式刚架斜梁和钢柱的翼缘板或腹板可以变厚度，但有的单位翼缘板由20mm突然变成8mm，相邻板突变对受力很不利，设计时应逐步变薄，一般以2mm至4mm板厚的级差变化为宜。
　　(13)有的工程建在8度地震区，可是其柱间支撑仍用直径不大的圆纲，建议在8度地震区的工程，柱间支撑应进行计算，一般采用角钢断面为宜。
　　(14)有的工程，不管门式刚架跨度多大，柱脚螺栓均按最小直径M20选用，造成工程事故。锚栓应按最不利的工况进行计算，并应考虑与柱脚的刚度相称。
　　(15)一般当刚架跨度：小于等于18m采用2个M24；
　　 小于等于27m采用4个M24；
　　 大于等于30m采用4个M30；
　　(16)有的门式刚架安装时没有采取临时措施保证门式刚架侧向稳定，造成安装过程门式刚架倒地，建议在设计总说明中应写明对门式刚架安装的要求。
　　(17)屋面防水和保温隔热是关键问题之一，设计时要与建筑专业配和，认真采取有效措施。
　　当跨度大于30米以上时，采用固接柱脚较为合理。
　　关于托梁，我们的做法是按普钢设计。特别是要控制托梁挠度。要是托梁的挠度太大就会使刚架内力发生变化，引起附加弯矩。
　　钢梁与钢柱的连接采用刚性节点。sts采用：翼缘和腹板按抗弯刚度比例分配所需负担的弯矩，而剪力全部由腹板承受。这样翼缘采用焊接，腹板采用摩擦型高强螺栓连接，螺栓数量多，造成施工时不便，实际上个人感觉wxfdawn所说比较实用，即节点弯矩由翼缘连接焊缝承受，腹板连接螺栓只受剪，高强螺栓只排一列，有利于施工，计算简便。
　　节点域抗剪不满足：调整节点域的腹板宽或厚！
　　
　　 结束语
　　 随着社会的进步和发展，工业厂房的设计也会成为主流。社会发展离不开厂房的结构设计。我们不能忽视一切有关工业厂房设计的问题。
　　 参考文献
　　清华大学出版社、北京交通大学出版社《房屋建筑学》郝俊弘
　　路克宽.钢结构工程便携手册[M].北京机械工业出版社,2003. 3、张晨.钢结构设计的简单步骤和设计思路[J].山西建筑,2005. 4、王景文.钢结构工程施工与质量验收实用手册[M].中国建材工业出版社,2005. 5、陈绍蓉.钢结构[M].中国建筑工业出版社,2006.

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