论轻钢结构厂房的选材与设计
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【摘要】本文根据钢柱钢材的选用，对钢结构设计及其设计中该注意的问题，以及其特点进行了详细的论述。
引言
随着社会经济的发展和科技的进步，钢结构在建筑领域扮演着越来越重要的角色。钢结构厂房因其抗震性能好、施工速度快、承载力高的特点在工业厂房设计中逐渐代替了钢筋混凝土结构，并得到了广泛的运用。
1、钢柱钢材的选用及要求
1.1钢柱钢材的选用
为了保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性。一般可选用的钢材有：Q235钢、Q345钢、Q390钢、Q420钢。因本工程柱距、跨度均较小，屋面为轻型彩板屋面，故钢柱选用Q235钢。
1.2对钢材材性的要求
1.2.1在钢结构设计中，应注明建筑结构的设计使用年限、钢材牌号、连接材料的型号（或钢号）和对钢材所要求的力学性能、化学成分及其他的附加保证项目。此外，还应注明所要求的焊缝形式、焊缝质量等级、端面刨平顶紧部位及对施工的要求。另外还应注明对有害元素的限值及对钢材塑性、韧性的要求，主要是对硫（S）、磷（P）含量的限值，S会增加钢材的热脆性，P会增加钢材的冷脆性，最后对碳（C）的含量也应有限值，虽然增加C含量会提高钢材的强度，但是会降低钢材的塑性及可焊性。
1.2.2对焊接结构及非焊接结构限制采用Q235沸腾钢须注明。虽然现在随着炼钢技术的改进，沸腾钢在市场上已经很少遇到，但是一些小钢厂还会生产沸腾钢，所以对不能用沸腾钢的结构须明确指出。本工程主要结构受力构件的钢材选用Q235-B钢。
1.2.3对钢材强度及塑性、韧性的要求。钢材的抗拉强度是钢材受力破坏时所能达到的强度值，屈服强度是设计时我们取用的强度值，抗拉强度至少大于屈服强度20%，作为结构的安全储备。伸长率的要求是对钢材塑性的要求，是为了保证结构的塑性设计而提出的要求。冷弯试验的合格保证及对冲击韧性的要求是为了防止结构发生脆性破坏而提出的，须严格执行。
1.2.4设计中须明确规定对需要验算疲劳的焊接、非焊接结构钢材冲击韧性的合格保证。虽然本厂房为采暖房屋，但考虑到会出现厂房采暖系统出现故障吊车还会工作的情况时，且本地区最低气温为-34℃，所以对吊车梁的材质提出了应具有0℃冲击韧性的合格保证，选用Q345-C钢。
2、大跨度门式刚架结构的设计
2.1荷载的分析及合理取值
首先，根据所处的地理位置选择当地的抗震设防烈度、风荷载、雪荷载。
其次，根据使用情况和结构构成选取楼面及屋面的恒荷载、活荷载。
第三，选取合理的恒荷载、活荷载分项系数。对于可能出现的危险，要留有足够大的安全系数，并进行最不利的荷载组合。
2.2梁、柱截面的预估
当建筑结构体系布置结束后，需对重要构件截面作初步估算，特别是指梁、柱、支撑等的断面尺寸的预估。
根据荷载与支座情况，钢梁截面高度通常在跨度的1/20～1/50之间选择。翼缘宽度可根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定，这样可避免钢梁整体稳定的复杂计算。在截面高度和翼缘宽度确定后，板件厚度可按规范中局部稳定的构造要求判定。
柱截面按长细比预估，通常为50
2.3变形缝间距的规范要求
轻型房屋钢结构的温度区段长度应按下列要求规定：①纵向温度区段变形缝间距不大于300m；②横向温度区段变形缝间距不大于150m。这是规范的基本要求，解释为：当有计算依据时，温度区段长度要求可以适当放宽。温度区段超限，可以通过增加支撑来约束温度应力，使温度应力均匀分配到各个柱基础，从而保证厂房的整体稳定不被破坏。
2.4失稳的控制
2.4.1设计过程中需注意的问题
建筑体系的稳定不但要考虑整个体系，同时还要对组成体系的单体构件进行受力分析。目前，公司应用软件大多进行的是平面计算，很少能进行空间计算。虽然有的软件能进行空间计算，但由于使用过程复杂，不易上手，所以未能广泛地应用。由于不进行空间整体分析，就不能简单地确定稳定情况，所以必须设计必要的支承构件，以确保足够的平面外支撑。
2.4.2施工过程中的失稳问题
大跨度钢结构的设计很重要，但施工工序同样重要，不当的施工流程会造成致命的后果，有时不单单是财产损失，甚至会付出生命的代价。所以，施工中要注意以下几点：
（1）钢结构焊接。对于施工单位首次焊接的钢种，一定要进行焊接工艺评定，并制定相应的焊接工艺。严格把好接头装配质量关。接头的装配质量包括：坡口质量、根部间隙、对口错边量等几个方面。焊接过程中为减少焊接应力，防止产生焊接裂纹，应严格按照标准规定要求对焊接部位进行预热，在整个焊接过程中应随时加热以保证焊缝道间温度，并一次焊完一条焊缝，在焊接完成后，应及时按标准要求进行后热。
（2）钢结构安装质量控制。安装前，施工单位应对构件的产品合格证、设计文件与预拼装记录进行检查，并复验记录构件的尺寸。钢结构的变形、缺陷超出允许偏差时，应进行处理。钢结构安装前，应编制详细的测量和矫正工艺，厚钢板的焊接应在焊接安装前进行模拟产品结构的工艺试验，编制相应的施工工艺。
2.4.3扫雪操作不当
连续大雪会使屋面荷载增加明显，有时候还会达到设计强度界限。业主急于减少屋面强度，便盲目让人扫雪，由于扫雪区域顺序不合理会造成不利情况发生，进而引发屋面坍塌。
3、钢结构的特点
（1）结构自重轻。钢结构一般由压型金属保温板、保温层及檩条等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻。用钢量一般为30kg/m2左右。
（2）施工周期短。钢结构的工厂化制作，使工程质量易于保证，施工时间短。
（3）空间设置灵活。门式刚架采用金属压型板封闭，因而柱网布置不受模数制约，柱距大小可以根据使用要求来确定。
4、如何做好钢结构的设计
4.1荷载取值准确
严格按规范办事，屋面结构竖向均布活荷载的标准值（按水平投影面积计算）应取0.5kN/m2。但近两年，我国大部分地区常出现强降雪天气，导致很多加油站、场馆倒塌。因而，施工人员一方面要考虑投影面积大于60m2的荷载折减，另一方面还要根据当地的雪荷载情况取其中的最大值，以确保建筑安全。
4.2考虑活荷载的最不利布置
应该按照规范要求考虑活荷载的不利布置，虽然规范没有明确活荷载不利布置的条件，但根据经验，大部分非临时建筑都应该考虑活荷载的不利布置。
4.3节点的处理
强柱弱梁是设计要遵循的原则，同时，强节点弱构件也是必不可少的设计准则。很多情况下，构件满足设计要求，节点却不能满足抗震要求，因此，加强节点域设计是要重点考虑的问题。
4.4抗剪键的设置
在地震作用下，厂房的纵向水平力和横向水平力很大。超出了柱脚螺栓承受的能力，这个时候柱脚底板剪力验算不满足，需要设抗剪连接件。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由底板与混凝土基础间的摩擦力（摩擦系数可取0.4）或设置抗剪键承受。
5、结论
钢结构的应用正处在大发展的时期，不久的将来还会有更广泛的应用，作为一名工程人员应不断积累经验，不断学习国外的新知识，也希望今后有更多的学者投入相关的研究中来。
参考文献
[1]陈绍蓉.钢结构[M].中国建筑工业出版社，2012.
[2]张晨.钢结构设计的简单步骤和设计思路[J].山西建筑，2011.
[3]郭彦林.轻型钢结构建筑体系的发展趋势及存在的关键技术问题[A].科学出版社，2010.