浅谈冶金钢结构厂房设计

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摘要：本文针对冶金厂房跨度大，吊车吨位大，工艺布局要求严格等难点，从结构形式的选择、屋顶设计、柱间支撑的设计、厂房外墙立面形式的设计诸方面分析了冶金钢结构厂房的设计问题，对设计过程中常见的问题进行了分析和总结，可供同类厂房设计参考。

关键词：冶金厂房；钢结构；

现今大中型冶金工厂中的冶炼厂、轧钢厂等主要厂房具有跨度大、桥式起重机起重吨位大、环境温度高等特点，故设计建造时大都采用钢结构作为厂房承重结构。 随着经济的迅速发展和技术的不断进步，钢结构被越来越广泛的应用到许多工业厂房的设计中。钢结构具有工厂化程度高、整体刚度和抗震性能好、自重轻、造价低、施工周期短等特点，在大跨度及超高层建筑中能较好的代替钢筋混凝土结构，但也存在着防火性能差、易腐蚀等缺点。下面就冶金钢结构厂房的设计问题作进一步探讨。

1结构形式的选择

厂房结构一般是由屋盖结构、柱、吊车梁、制动梁（或桁架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系。厂房结构体系的选择对项目的整体造价有着较大的影响，选择合适的结构体系不仅可以节约造价，还可以提高结构的整体性能，改善外观等等优点。

结构形式的选择主要从满足工艺流程、建筑节能设计、结构设计分析和技术经济分析等方面综合考虑确定的。钢结构厂房的结构形式主要有以下几种：门式刚架、排架、刚接框架。门式刚架通常适用于跨度9～36m、柱距6m、柱高4.5～12m、设有吊车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑。设置桥式吊车时，宜为起重量不大于20t的中、轻级工作制吊车；设置悬挂吊车时，起重量不宜大于3t；对厂房较高(H>18m)时单跨(多跨)，吊车起重量较大(Q>50t)及硬钩吊车的重型厂房，为保证厂房横向刚度要求，宜采用刚接框架形式；其他的结构可采用排架结构形式。排架柱在基础处通常做成固定端，柱顶与屋架或横梁的连接可以做成铰接，也可以做成刚接。柱的上下两端均为刚接的排架，可以增加刚度和节约钢材。通常在采用重型屋盖的刚接排架中，为了减少柱上端的弯矩，可以在屋盖结构安装完毕后再将柱顶刚接，以减少由屋盖静荷载所产生的柱顶固定端弯矩。综上情况，在选择框架类型时必须根据具体条件进行分析比较，得出最优结论。

2屋顶设计

2.1屋盖支撑

2.11屋盖支撑的材料选用

由于人们对震害的感受不深，认为地震发生的概率很小，重视程度不够，因此很多采用圆钢，甚至在8 度地震区也有用圆钢的。规范第9.1.20 条规定，屋盖支撑杆件宜用型钢，作者建议8 度地震区应用型钢截面，7度及7 度以下视刚架跨度和荷载大小可考虑是否一律采用型钢。

2.12屋盖支撑系统的布置

屋盖支撑系统的布置应根据厂房跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式、吊车吨位和所在地区的抗震设防烈度等条件来决定。一般情况下无论有檩或无檩体系的屋盖结构均应设置垂直支撑；在无檩体系中，大型屋面板有三点和屋架焊接，可起到上弦支撑作用，但考虑到施工条件的限制和安装需要。无论有檩或无檩体系屋盖均应在屋架上弦和天窗架上弦设置上弦横向支撑。对于屋架间距不小于12m 的厂房或厂房内设有特重级桥式吊车或厂房内有较大振动设备的均应设置纵向水平支撑。

2.2 屋顶防水设计

屋面防水设计涉及屋面坡度、天沟形式、单坡屋面长度等因素。对于屋面坡度，根据《屋面工程技术规范》的规定最小为5%。但在实际工程中，一些外资钢构公司屋面坡度经常做到3%，甚至2%。考虑到目前国内钢构厂家技术力量、节点的处理以及材料性能方面参差不齐，建议将屋面坡度控制在5%。而在积雪较大的地区，坡度应根据实际情况适当增大。单坡屋面长度主要取决于工程所在区域的最大温差以及降雨所形成的最大水头的高度。根据收集的资料和工程设计经验，单坡屋面长度宜控制在70m 以内，若超过70m，需做专题研究、特殊处理。

3柱间支撑的设计

柱间支撑是厂房纵向的主要抗震构件，因此其设计尤为重要，应进行严格的计算和采用合理的节点构造。

3.1柱间支撑的布置。在有吊车的情况下，应在厂房单元中部设置上、下柱间支撑，并应在厂房单元两端增设上段柱柱间支撑；抗震设防烈度为7度时结构单元长度大于120m，8、9度时结构单元长度大于90m．宜在单元中部l／3区段内设置上、下段柱间支撑。

3.2节点设计。正常设计的柱间支撑其破坏多发生于节点处。柱间支撑的节点设计一般有螺栓连接和焊缝连接两种形式。震害统计表明，螺栓连接节点的损害率高于焊接连接节点，原因在于连接节点存在构造缺点。螺栓连接在节点上的开孔削弱了节点板的受力面积，这样容易造成孔边应力的集中，致使断裂破坏。建议节点设计可采用少量安装螺栓加焊缝的连接方式，但焊缝必须根据计算确定。对节点设计要保证节点强度大于杆件强度，支撑与柱的连接不应小于支撑杆件塑性承载力的1.2 倍。

4厂房外墙立面形式的设计

钢结构厂房的立面主要由工艺布置来决定，在满足工艺的要求下力求立面简洁恢宏同时使节点尽量简单统一。由于冶金厂房进深大, 加上其热性质的特点，因此所需要的开窗面积就大，在散热时要有大面积进风口。现在, 大型厂房的高侧窗一般是玻璃纤维树脂( FRP)采光板做成的采光带。这种下部为大面积的带形窗,上部为横向采光带的厂房外墙立面形式是20世纪80年代初至20世纪末所设计的典型的冶金厂房外墙立面形式。近几年研究得出厂房外立面采用竖向分格也是一种可取的形式，采用竖向分格形式墙面作为侧面采光,从上至下均能采光。墙上部的窗开得越高, 其采光就越深。由于屋顶通风器的使用, 可以用玻璃纤维树脂( FRP)采光板代替钢窗, 如用FRP 板做成竖向采光带来进行采光,采光深度会更深, 加上冶金厂房对采光的均匀度要求不是很高, 这样就可以克服以往高侧窗所存在的缺点。而利用FRP板和彩色压型钢板的板带特性也可使墙面排水通顺。

在自然通风方面, 虽然有屋顶通风器作为排风口, 但侧墙下部的进风口是不能没有的。侧墙下部的开窗同样需要满足要求, 只是窗洞开口和门洞开口应与竖向分格式样结合在一起考虑, 有意识地避开它们对竖向分格的影响, 也可以结合竖向采光带间断布置窗户。对于一些散热量不是很大的厂房,可以用彩色铝合金百叶窗来作为进风口。

5设计中应注意的其他问题

5.1荷载问题

《建筑结构荷载规范》和《门式刚架轻型房屋结构技术规程》分别有两套完整的风荷载计算方法。各不相同，相互独立，自成体系，且分别用于不同的结构体系中。两个规范在风荷载分布上相差较大，不能错用和混用。《门规》一般适用于对风荷载比较敏感的或风荷载起控制作用的轻型门式刚架结构。

荷载的取值对结构计算影响较大，取小了不安全，取大了不经济，尤其对于大跨度轻型屋面结构。

荷载取值应按照《建筑结构荷载规范》进行。一般情况下屋面恒载应按照实际情况计算取值，屋面活荷载可取0.5kN/m2，风荷载、雪荷载和积灰荷载等按规范，其他附加荷载应按实际情况输入。需要说明的是，屋面活荷载和雪荷载在计算时应取二者的大值作为活荷载输入，有积灰的还应考虑积灰荷载。厂房屋面的通风器由于其高度和宽度都较大，计算时应按照实际情况转化为集中载荷输入。在厂房的高低屋面处，还应考虑积雪的堆积影响，防止由此产生的屋面结构的破坏。同样局部风荷载的增大也会使屋面板和檩条的连接被撕坏，从而将屋面板掀起来。

5.2温度伸缩缝的设置

温度变化将引起钢结构厂房的变形，使结构产生温度应力。当厂房平面尺度较大时，为避免产生较大的温度应力，应在厂房纵横两个方向设置温度伸缩缝，区段的长度可以根据钢结构规范来执行。温度伸缩缝一般采用设置双柱的方法来处理，对纵向温度伸缩缝可在屋架支座处设置滚动支座。

5.3关于檩条代替杆的问题

有一些厂房在设计时为了减少用钢量，取消了系杆，用檩条来代替。用檩条代替系杆存在以下的问题：1、代替系杆的檩条要传递轴力，从而成为压弯或拉弯构件，设计时应验算是否满足要求。实际中往往会忽略这一点。2、檩条与钢梁的连接多半是螺栓连接。连接处螺栓的抗剪和檩条的局部承压强度往往不能满足要求。3、檩条位置较高，和支撑不在同一平面内，这将会对钢梁产生扭矩。建议设计时应把支撑体系和檩条分开考虑。

结语：钢结构在我国建筑领域起到越来越重要的作用，虽然已经取得很大的进步，但还有很多设计细节可以研究和发展；还有很多问题需要注意和避免。总之冶金钢结构厂房，应根据其特点进行设计，正确使用相关规范，强化概念设计，使项目更具安全性和经济性。

参考文献：

[1]《钢结构设计规范))GB500017―2003

[2]《门式刚架轻型房屋结构技术规程))CECSl02：2002

[3]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.

[4]GB50009-2001建筑结构荷载规范（2006 年版）[S]．