工业厂房结构设计中钢结构设计的应用

工业厂房结构设计中钢结构设计的应用

相志军

中国电力技术装备有限公司北京市100052

【摘要】由于钢结构具有强度高、塑（延）性好、自重轻、施工工期短、制作方便、节能环保、构件可重复利用、地基基础费用省等优点，钢结构越来越多的应用于工业厂房的建设中。文章概述了厂房钢结构的应用特点，探讨了工业厂房钢结构设计要点。

【关键词】工业厂房；钢结构；结构设计

引言

随着我国工业生产的迅速发展，厂房规模和数量也呈逐年上升趋势，各行各业的厂房均向着大柱距、大跨度的方向发展。早期的工业厂房结构以钢筋混凝土为主，但其施工周期较长，所需建筑材料也较多，因而被大多数生产企业所淘汰。随着新型建筑材料的推广使用，钢结构因其强度高、自重小、施工周期短、节能环保等优势开始取代钢筋混凝土成为主流厂房结构。

一、厂房钢结构应用特点

1、自重轻施工简便

当钢结构与其他建筑材料的跨度、荷载相同时，其屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架的三分之一，因此，运输、吊装、施工起来更加便捷，可大幅度的降低运输和施工成本。钢结构可满足厂房的较大跨度需求，最大跨度直径可达48m。钢结构组成材料的成品性较大，施工中可由专业化的金属构件直接拼装而成，节约了人力、物力，大大缩短了施工周期。

2、钢结构可回收利用更加节能环保

由于钢结构金属网架下面闲置空间较大，可布设消防管道、给水管道、通风管道、压缩空气管道等多种管道，因此，应用钢结构的厂房，可充分利用其上部闲置空间，节省多余的管道安装费用，有效节约建筑成本。钢结构是一种利用率较高的建筑材料，可实现多次回收利用，且安装过程中不会产生粉尘和噪声污染，拆卸也比较容易，拆除的金属构件可直接回收，因此，具有较高的循环利用价值。

3、钢结构工业厂房的缺点

钢结构工业厂所具有的优点所有人都有目共睹，但是基于这种优点下的缺点也不容被忽视的，主要表现在以下几点：第一，防火性能差。钢结构工业厂房的主体结构由于没有钢筋混凝土和水泥混凝土的隔绝，一旦发生火险，后果是严重的。因此，从任何一方面考虑，钢结构工业厂房都应做好防火工作。第二，易锈蚀。钢的主要成分是铁，在潮湿的空气当中，很容易发生化学反应而被锈蚀。被锈蚀之后的钢如不及时处理，锈蚀的速度将会成倍增长。

二、工业厂房钢结构设计要点分析

1、钢结构防火设计要点

钢结构在工业厂房中的应用具备很多的优势，但是其中也存在一定的不足。钢结构的防火性能较差，在钢材部件受到100℃以上的高温时，随着温度不断的上升，钢材会出现抗拉强度降低的状况，塑性不断变大，在温度达到250℃的时候，钢材的抗拉强度会有一定的提升，但是塑性却有着较为明显的下降，并且还会出现蓝脆的状况，当温度超过250℃以上的时候，钢结构会出现徐变的状况，在达到500℃的时候钢材的强度会变得非常低，严重的会出现垮塌的状况，因此对钢结构的设计必须要注意防高温和防火性能。

在对钢结构设计的过程中，首先需要选取合适的钢结构防火方式来对钢结构加以有效的保护，也就是将钢结构的耐高温的极限提升到相关规定的范围之内，防止钢结构在遇到特殊高温的时候出现垮塌的状况。当前对钢结构的防火设计最常见的方式就是在钢结构的表面涂上一层防火材料，在处于高温环境下对钢结构加以有效的保护，最大程度提升钢结构的防火性能。

2、防腐设计方面

钢结构的自身性质决定了其在大气中容易被氧化，发生腐蚀，潮湿的环境使其氧化加剧，钢结构腐蚀更明显、更严重。钢结构腐蚀使得构件截面缩小，表层局部产生锈坑，受力时出现应力集中现象，使得钢结构的寿命明显缩短。设计人员要结合工业厂房的具体环境，制定出合理的方案和应对措施，最大限度防止钢结构腐蚀情况的发生。当前，我国钢结构防腐蚀主要通过在钢结构材料外面覆盖防锈防腐涂料来完成，将氧气、水蒸气、氯离子等腐蚀因子与钢结构相隔离，从而实现对钢结构的有效保护。在进行防腐材料涂刷时，要针对不同部位的防锈防腐要求，改变涂料的厚度。

3、抗震设计方面

抗震设计是工业厂房钢结构设计的重要环节，尤其是在地震多发的地带，必须加强钢结构的防震设计，切实提高钢结构厂房的抗震能力，使厂房具备较高的抗震性和安全性。设计时，钢结构的布置应均匀对称，结构传力应明确有效，以减少震动对厂房的破坏。同时，应选择科学合理的连接方式，确保屋架与屋面板，屋架与柱子之间的连接可靠，避免节点破坏。此外，还应加强柱与墙的拉结，通过适当的高宽比调整及减震方式，最大限度提高厂房的抗震能力。

4、基于钢结构的框架梁与柱的设计

（1）柱在对应梁翼缘位置设横向加劲肋，且加劲肋板的厚度不得小于梁的翼缘板厚度；梁与柱翼缘之间采用全融透的坡口焊缝；梁的腹板上下端均做成10～15mm圆弧切角，下端切角高度稍大一些，允许施焊时焊条通过。圆弧端部距梁翼缘的全融透焊缝尺寸应保证在10mm以上。下翼缘衬板连接处，应全长采用角焊缝焊接，焊角尺寸取6mm；当梁的翼缘塑性截面模量小于梁的全截面尺寸的塑性模量的70%时，梁与柱的连接螺栓不得少于二列；设计布置螺栓总数应大于计算数值的1.5倍。如为美观和施工方便，节点做法中取消了梁下翼缘焊接衬板，并相应缩小了梁腹板上下端扇形切角尺寸，因《钢结构设计规范》3.4.2条规定无垫板的单面施焊对接焊缝应乘以0.85折减系数，同时梁腹板下端扇形切角尺寸缩小，会引起梁下翼缘焊缝在施焊时实际中断，致使梁下翼缘焊缝出现较大缺陷，这一系列的变通使得该部位连接质量不能保证，当采用此连接做法时，应认真对待，通过计算复核后，方可作上述修改。

（2）梁柱相交位置，工字形柱设置的横向加劲板与柱翼缘板须采用全融透的对接连接焊缝，腹板连接则可采用角焊缝形式。梁翼缘与箱形柱对应部位设置的隔板，隔板与壁板采用全融透的对接焊缝形式。

（3）梁、柱刚接时，梁翼缘上下500mm范围内，柱的翼缘与腹板间或者箱形柱各板间的连接，应为全融透的坡口焊缝。

（4）承重结构使用的钢材，应具有钢材硫、磷含量及抗拉强度、屈服强度和伸长率的合格保证，焊接结构还需有碳含量保证，通常主要焊接的结构中不使用Q235-A级钢。

（5）钢材的选用：Q345比Q235钢材屈服强度高约45%左右，当结构受力是由强度计算控制，有条件时可采用较高强度钢材有利于节约。

（6）对处于外露环境的钢结构，宜采用耐候钢；在处于腐蚀介质作用下，则需采用与防腐等级相匹配的除锈级别，在表面检查合格后，在规定的时间内对钢结构进行涂装。同时结构选材上需尽量选用表面积较小的管形封闭截面，对受高温作用的结构应采取隔热防护。

结束语

总之，钢结构具有施工速度快、自重轻、抗震性能好、环保等优势，不仅顺应了时代发展的需要，而且满足了耗能低、效率高的现代工业厂房建设需要，在建筑工程中的应用越来越广泛。这种形势下，对工业厂房钢结构的设计方案进行优化，并不断更新工艺技术，以提高厂房的安全性、稳定性，十分有必要。

参考文献：

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