浅谈钢结构厂房设计中需要注意的问题
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摘要：随着国民经济的快速发展，钢结构在建筑领域中起到了举足轻重的作用，钢结构在工业和民用建筑中扮演着重要的角色。钢结构厂房具有施工速度快、承载力高、抗震性能好和整体刚度强的优点，然而，钢结构作为一种建筑材料，它也存在着一定的缺陷。本文从钢结构厂房结构设计方面出发，针对结构设计中遇到的问题进行简单的探讨分析。
关键词：钢结构厂房；结构设计；支撑系统；防震
中图分类号：TU391.04文献标识码：A
随着我国经济的飞速发展和技术的进步，在工业厂房的结构设计中，钢结构已经成为一种重要的厂房结构形式。其主要特点有：整体刚度和抗震性能好、施工速度快、自重轻、承载力高，在大跨度及超高层建筑中代替了钢筋混凝土结构。钢结构在我国得到了较为广泛的应用，尤其是近几年发展尤为迅速。但是，钢结构也存在着防火性能差、易腐蚀等缺点，因此在厂房设计中如何根据钢结构的自身特点扬长避短，更好的发挥其作用，已经成为现今钢结构工业厂房设计中的重中之重。下面就钢结构工业厂房在设计中的几个问题作简单阐述。
一、钢结构厂房的结构布置
以单层钢结构厂房为例，厂房结构一般是由屋盖结构、柱、吊车梁（或桁架）、各种支撑以及墙架等构件组成的空间体系，这些构件按要求可分为如下几类：横向框架；屋盖结构；支撑体系（其中包括屋盖部分支撑和柱间支撑，起到承接和连系的作用）；吊车梁和制动梁；墙架。下面就针对钢结构厂房的结构设计中注意的问题逐一进行分析。
1、柱网和温度伸缩缝的布置
1.1柱网布置
柱网布置首先要满足厂房生产工艺的要求、厂房结构要求以及符合经济合理要求。还要符合柱距规定要求（按《厂房建筑统一化基本规则》和《建筑统一模数制》的规定；结构构件的统一化和标准化可降低制作和安装的工作量。经过多年经验总结，经济柱距一般为：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。对厂房横向，当厂房跨度L≤18m时，其跨度宜采用3m倍数。当厂房跨度L＞18m时，其跨度宜采用6m的倍数。只有在生产工艺有特殊要求时，跨度才采用21m、27m、33m等。对厂房纵向，以前基本柱距一般采用6m或12m；现在采用压型钢板作屋面和墙面材料的厂房日益广泛，常以18m甚至24m作为基本柱距。多跨厂房的中列柱，常因工艺要求需要“拔柱”，其柱距为基本柱距的倍数，最大可达48m）。
1.2温度伸缩缝布置
外界温度变化将引起钢结构厂房变形，使得钢结构产生温度应力，其大小与柱子的刚度、吊车轨顶标高和温度有关。当厂房的平面尺寸较大时，因温度变化使上部结构产生横向和纵向的变形，使的柱内产生较大的弯曲应力，该应力可能导致屋面和墙面的破裂。因此为了避免产生过大的温度变形和温度应力，需要在厂房的横向或者纵向设置温度伸缩缝，将平面尺寸很大的厂房分割成若干个温度区段。温度区段的长度可以按照钢结构的设计规范进行划分。温度伸缩缝最普遍的做法是设置双柱，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。
2、厂房结构的框架形式
厂房的主要承重结构通常采用框架体系，因为框架体系的横向刚度较大，且能形成矩形的内部空间，便于桥式吊车运行，能满足使用上的要求。厂房横向框架的柱脚一般与基础刚接；柱顶可分为铰接和刚接两类，其中铰接对基础不均匀沉陷及温度影响敏感性小，节点构造容易处理，屋架端部不产生弯矩，下弦杆始终受拉。柱顶铰接时下柱的弯矩较大，厂房横向刚度差；刚接是厂房较高，吊车的起重量大，对厂房刚度要求较高时，钢结构的单跨厂房常采用柱顶刚接方案。
3、支撑体系
为了保证钢结构厂房的空间工作，提高其整体的刚度，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。钢结构厂房支撑分柱间支撑和屋盖支撑。
3.1柱间支撑
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，但温度段的长度大于150m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1/3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72m。上段柱支撑除在设有下段柱支撑的柱间布置外，为了满足结构的安装要求，提高钢结构厂房上部纵向刚度，传递山墙的风力及纵向地震作用，还应在温度区段的两端柱间布置上段柱支撑。
3.2屋盖支撑系统
该系统是由横向支撑、纵向支撑、垂直支撑及系杆所组成的。屋盖支撑的布置应根据厂房跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式、吊车设置及吨位大小、振动设备情况等条件来决定。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均应设置纵向水平支撑。
4、节点设计
节点构造设计在钢结构设计中很重要，钢结构的设计可以说是杆件设计(杆件内力分析)加上节点设计(节点构造分析)。在抗震理论中，要求强节点弱构件,所以说钢结构的安全性在很大程度上取决于节点的构造设计。节点设计的原则是构造简单、受力明确、传力可靠,易于实现。节点设计的要求是后于杆件破坏，我们认为设计应按杆件内力增加10%进行节点连接设计，对于内力较小的杆件其连接焊缝长度不小于120mm。这些对于工业厂房钢结构设计都是必要的。为了节点构造安全，施工时不能随意加大杆件截面。
节点设计时,合理布置焊缝，焊缝的布置尽可能对称于杆件形心，使其受力合理，减小焊接变形和焊接应力。现场焊缝的布置应便于构件安装，便于焊缝施焊，便于质量检查，避免焊缝在一处立体交叉和大量集中。
二、抗震设计
虽然钢结构具有良好的抗震性能，但是如果设计不合理，当厂房遭受较大地震作用时，也会造成严重破坏，所以必须按抗震设计规范规定采用必要抗震构造措施，确保钢结构厂房在地震发生时安全可靠。在对钢结构厂房进行抗震设计时应注意以下几点：
（1）在总体布置方面要求厂房结构的质量和刚度均匀分布，使厂房受力均匀，变形协调，尽量避免因结构刚度不均匀对抗震造成不利影响；厂房横向结构宜采用刚架或者使屋架与柱有一定固结的框架，以便充分利用钢结构的受力性能并减少横向结构变形。
（2）钢结构厂房的破坏一般情况不是由于杆件强度不足而常常因为杆件失稳而造成，所以合理布置支撑系统，保证厂房结构整体稳定性，对钢结构厂房尤为重要。
（3）在地震作用下，存在着低周疲劳作用，设计时应注意其对厂房的影响。对结构连接点的设计，应保证节点的破坏不先于结构构件的全截面屈服，应使结构构件能进入塑性工作，充分吸收地震能量，发挥其抗震能力。
三、钢结构的防锈防腐处理
钢结构的锈蚀不仅会使构件的横截面积减小，还会在构件的表面局部产生锈坑，当结构构件受力时会引起应力集中，使的结构过早被破坏，因此，在对钢结构厂房进行设计时，钢结构厂房防锈蚀问题应该引起足够的重视，并根据厂房侵蚀介质情况和环境条件在总图布置，车间内部工艺布置结构选型和材料选用等方面采取相应的对策和措施，以保证钢结构厂房的安全使用。
钢构件的防锈处理大部分在工厂制作时完成。北方地区或者比较干燥的环境，也可以增加底漆一道干膜厚度达到70~80μm，取消中间漆。
防锈处理流程如下：
除锈涂底漆中层漆面漆
根据轻钢结构建筑的用途、地理位置、气候条件的不同，来确定防锈方案和各个工序的基本要求。另外，喷砂处理的钢构件表面一般要达到国家标准Sa2.5级以上，最低不低于Sa2级，处理后的构件8小时内要开始涂刷底漆，底漆一般采用红丹醇酸防锈底漆、无机富锌底漆和环氧富锌底漆，防锈能力较好的是富锌底漆，干漆膜中锌粉含量可达到80%以上，起到很好的阴极保护作用，防止电化锈蚀。中间漆多采用鳞片状的中层漆，漆膜颜料呈层状排列，可以提高涂层的屏蔽作用，加大了水汽、二氧化碳渗透阻力，起到了增强防锈蚀效果的作用，而面漆多采用醇酸调合漆、脂肪族聚氨脂漆，或防锈蚀性能更好的环氧面漆和氟碳漆。