单层钢结构厂房设计要点分析与研究

单层钢结构厂房设计要点分析与研究

沈伟国

上海通利建筑设计有限公司201900

摘要：在可持续发展的战略背景下，能耗低、高效率的新型环保材料迅速占领的建材行业，钢结构材料的应用也越来越广。单层钢结构厂房设计要根据工业厂房的实际需求，以厂房安全性、稳定性为原则，在减少建设成本的基础上，选择满足工业厂房专业要求的设计方式。本文选择单层钢结构厂房设计问题作为切入点，着重分析了单层钢结构厂房设计中的注意事项与设计方式。

关键词：钢结构厂房；注意事项；设计方式

单层钢结构厂房是一种常见的厂房形式，冶金领域的冷轧、热轧厂房、门式刚架厂房都属于单层钢结构厂房，如图1所示。单层钢结构厂房的优势在于施工速度快，因钢结构构件可批量生产，单层钢结构厂房施工简单且安装便捷，大大减少了施工时间。在自重方面，单层钢结构厂房可减轻建筑物结构质量，在一些地震设防烈度高、地基承载力较低的区域，单层钢结构厂房的经济性优于钢筋混凝土结构厂房。就环保视角而言，单层钢结构厂房属于绿色环保建筑体系，钢材强度高、再循环价值好，且无需制模施工，综合效益好。

（沈工说明：文中红色字体的地方为我改过的地方，多数为错别字，下面大段的红字部分是我加上去的文字。）

（另外，上图中的英文翻译建议去掉，翻得不好，不专业），且把“连接杆”改成“柱间支撑”。

一、单层钢结构厂房设计问题

1、支撑问题

为了确保单层钢结构厂房的整体刚度、控制厂房位移，需结合厂房的跨度、高度和温度区段长度等情况设置支撑系统。目前常用的支撑系统为屋盖支撑系统、柱间支撑系统。屋盖支撑系统的设计需要综合考虑厂房高度、厂房跨度、柱网布置、屋盖结构、厂房设备振动等情况，并根据柱间支撑位置使屋面支撑系统与柱间支撑系统形成传力路径。柱间支撑系统是决定单层钢结构厂房变形的主要因素，并且会对温度应力大小产生影响，在厂房长度较长时将柱间支撑系统设置在端头内会影响吊车梁等纵向机构的伸缩。为了提高单层钢结构厂房结构的上部纵向刚度、传递纵向地震作用与山墙风力，在温度区段两端柱间设计上柱支撑是很有必要的。

2、抗震问题

一般情况下，单层钢结构厂房因具有极强弹塑性和抗拉伸性能，通常表现出良好的抗震性能。但如果钢结构厂房的设计不合理，在地震灾害的作用下，也会引起严重破坏。在设计时，单层钢结构厂房需严格遵守建筑物抗震设计规范，工艺配置特殊的车间需采用特殊构造措施，以优化单层钢结构厂房的抗震性能。

3、防火问题

单层钢结构厂房的主要材料——钢材具有良好的导热性，但当钢结构温度达到100℃后，其抗拉性能会降低、弹塑性会迅速增加。当钢结构温度达到250℃后，钢结构抗拉伸强度增加、弹塑性迅速降低，出现蓝脆现象。当钢结构温度达到500℃后，钢结构强度迅速降低，易导致坍塌。故单层钢结构厂房的设计需充分考虑防火问题。如钢结构所处的环境温度达到150℃，则需进行防火隔热处理，如在钢结构外侧增加混凝土结构、硬质防火板材、耐火砖等。一些处于高温环境下的特殊钢结构厂房需按照《钢结构防火涂料技术规程》涂刷厚型防火材料。

4、防腐问题

如单层钢结构厂房常处于潮湿性环境下或厂房内结构表面附着腐蚀性介质，会引起钢结构腐蚀的加速。在设计时，需充分考虑钢材特性、厂房环境等因素，采取合理的防腐蚀措施，如在钢结构表面涂刷防腐漆、采用玻璃钢等材料对钢结构构建进行包裹等，减小钢结构厂房的腐蚀损害。

二、单层钢结构厂房设计注意事项

1、单层钢结构厂房的常见设计质量问题与防范

（1）单层钢结构厂房设计时，梁和柱的拼接节点通常按照刚接节点计算，因端部封板薄使梁、柱拼接节点与计算存在较大差距，故应严格控制端部封板的厚度，确保端部封板强度。（2）一些斜梁、柱的设计按照刚接进行计算，但实际工程中将钢柱省略，将斜梁支撑在砖柱或钢筋混凝土上，这就需要设计师将节点构造明确的表达出来，避免工程事故的产生。（3）在檩条设计方面因忽略了风吸力下的稳定性，导致檩条在大风吸力作用下被破坏，预防这一问题需要注意充分考虑檩条在风吸力下的失稳问题。在檩条设计时仅要求镀锌却对镀锌方法和镀锌量未作出明确要求，如施工方使用电镀则易引起檩条生锈，故设计时要表明使用热镀锌带钢压制而成，并明确镀锌量。檩间支撑的作用，一是在檩条计算时减小其平面外计算长度，二是约束檩条上下翼缘的扭转，应在檩间支撑特别是斜支撑节点设计上做得更加合理，尽量采用现行《门规》规范中的图9.1.10-3中的c的节点形式（少用或不用图b的节点形式），节点c的形式更能保证其安装质量，使檩间支撑的作用真正发挥出来。或者在资金允许的情况下采用冷弯角钢型的檩间支撑体系，特别是在雪荷载较大区域或是柱距较大的建筑中，角钢型的檩间支撑体系在历次的雪灾中体现了更好的作用。但在使用角钢型檩间支撑的时候，要注意其截面大小，因其是受压构件，所以对长细比要控制在220以内，不可采用如市面上偶尔看到的L25X2.5的镀锌冷弯角钢，常用的规格是L50X2.5。（4）隅撑、檩条或墙梁与拉条的设置是确保单层钢结构厂房稳定的重要方法，如在设计中将其取消则易引起工程隐患，如受到特殊因素影响不设置隅撑，必须采用一定措施保证梁柱翼缘不发生曲屈。（5）在设计时将檩条和墙梁用钢板支托的侧向肋取消，会影响墙梁受力和檩条抗扭刚度，故应明确标注支座的做法，强调施工方不能更改设计。（6）单层钢结构厂房门式刚架斜梁与钢柱的腹板或翼缘板厚度可以进行变化，但变化过大则会影响受力，故厚度变化以2mm—4mm为宜。（7）位于8度地震区的单层钢结构厂房，柱间支撑不宜选用直径不大的圆钢，建议进行准确计算后选择角钢断面。（8）柱脚螺栓的最小直径不应一律按照M20选择，而是应该根据门式刚架跨度，按照最不利的土况计算锚栓使其与柱脚刚度相符合，并对其他不利因素充分考虑。

2、檩条、墙梁和天沟节点设计注意事项

檩条、墙梁是单层钢结构厂房的次要承载构件，但因厂房屋面、墙面面积极大，檩条和墙梁的钢材使用量非常大。如单层钢结构厂房柱距较大时，屋面檩条可以考虑经济性较好的连续檩条，檩条截面尺寸、檩条厚度应小于简支檩条。单层钢结构厂房设计时如制作条件允许、采购便利，可选择Q345墙梁和檩条，以达到节省钢材的目的。

一般情况下内天沟深度等于屋面檩条高度，内天沟宽度通常为0.3—0.6m，宽度选择主要看屋面坡长的大小。柱距较大时，天沟下应设置支架梁实现天沟厚度的减小，天沟支架梁对于用钢量的节省也不容忽视。采用C300×80×3.0代替I32a，节省用钢量相当可观，在设计时应充分考虑。也可视实际情况采用更轻的不锈钢折弯成内天沟，常用不锈钢型号为304，常用的厚度为1.2mm和1.5mm，不锈钢内天沟的展开宽度尽量结合原材料不锈钢卷的宽度来做。

3、柱与梁端设计的注意事项

单层钢结构厂房施工时候房柱与梁出现的偏差，小到1—2cm也不能进行焊接处理，在高强螺栓安装结束后不允许进行端板焊接。焊接会导致高强螺栓的预拉应力丧失，影响钢结构连接节点的安全。针对这种情况，可在两端板之间加钢板，端板下设置小牛腿，将高强螺栓改为承压型就能很好的解决柱与梁端的偏差问题。

三、单层钢结构厂房设计方式与体会

针对单层钢结构厂房的设计问题，梁柱之间的端板连接选用端板平放节点形式，可减小节点设计剪力。端板连接作为一种半刚性连接形式，传递弯矩的能力与端板厚度、螺栓直径与布置密切相关。螺栓设置间距要适宜，以≤400mm为宜；端板厚度不能太小，不应小于螺栓直径。支撑体系的设计要结合厂房结构、车间吊车、厂房高度跨度、振动设备等情况，并注意与厂房水平支撑点吻合。针对防火问题的设计，需要进行多次反复耐热能力试验，保证结构安全可靠。针对抗震问题的设计，需要做到厂房结构质量、刚度的均匀分布，同时多采用刚架和横向结构，减少地震作用下单层钢结构厂房的横向结构变形。

结构受力设计。单层钢结构厂房的受力体系包括横向结构和纵向结构。横向框架结构是单层钢结构厂房的重要承重结构，承担着全部屋面荷载、横向制动力、吊车轮压、风荷载、地震力等，由柱、横向框梁、屋架结构组成。横向框架结构的设计需按照框架结构计算，柱脚、柱顶与梁之间采用刚性连接，增加框架的横向刚度。纵向结构体系的作用是保证单层钢结构厂房的纵向刚度，负责传递吊车纵向制动力、风纵向荷载、地震纵向荷载等，并将纵向荷载传递给厂房的基础。纵向结构体系包含柱、柱间支撑、吊车梁、托架、系杆等。承受荷载大、跨度较大可选择双臂式箱型，反之则选择单臂式。如托架受到较大荷载或净空限制可选择工字型。因格构式托架可节约用钢量，故无特殊要求时首选格构托架。屋架、屋面梁、托架、托梁连接的设计尽量选择平接以减少扭矩。

刚架设计。在进行刚架设计时首先应该考虑的就是刚架材料选择，一般情况下可选用Q345。钢梁的分段重点考虑刚架内力图，尽量减少钢梁之间的拼接，分段变截面设置在弯矩较小的位置。梁和柱平面内外的计算长度，将平面内计算长度系数取-1，平面外计算长度取杆件实际长度。隅撑间距作为钢柱与斜梁平面外计算长度，柱脚设计为刚接方式。确定吊车梁截面尺寸后，如截面强度不满足要求，可加大组成截面板件的厚度、增加翼缘厚度、增加腹板厚度等。截面刚度超限时，可在条件允许时加大截面高度。

屋盖设计。如单层钢结构厂房跨度大、柱距空间大，可选用H型钢梁承重的有檩轻型屋盖代替传统角钢屋架承重的屋盖类型。H型钢梁具有易加工、易运输、易安装的特点，柱顶和两端设计成刚性节点，使厂房构造简单，可靠性好。受到吊车荷载量大、空间大等因素的影响，需重视屋盖支撑的设计，以强化单层钢结构厂房的整体刚度。H型屋架承重屋面的设计，跨度方向两端设计纵向上下弦水平支撑，如有天窗则天窗两侧也同样设置纵向向上下弦水平支撑。上下水平支撑柱间设置垂直支撑，有垂直支撑的平面设置上下刚性系杆，支撑杆件长细比为150—200。

节点设计。单层钢结构厂房采用的焊接方式应满足尺寸、形式等要求，焊条选择应与被连接金属材质相适应。目前工业厂房很少采用铆接方式，单层钢结构厂房的次要结构部分可选择普通螺栓连接，但抗剪性能低。现阶段高强螺栓连接是广泛应用的连接方式，包含8.8s、10.9s两个强度等级。按照受力特点的不同，高强螺栓连接分为承压型、摩擦型两种。设计时避免使用超大规格高强螺栓，板材和薄壁型钢之间的次要连接选择自攻螺栓。设计连接板厚度在软件中完成并进行机械静截面验算。此外在节点设计中还要对施工操作空间和吊装施工顺序进行考虑。

结束语：

一个工业厂房结构部分的造价不仅仅是由结构专业决定的，大到建筑方案小到细节的处理都可能影响结构成本。在进行单层钢结构厂房设计时，需要在结构设计时加强与其他专业的沟通，在确保厂房结构安全性的基础上，对可能对会结构设计产生影响又存在优化空间的问题提出合理建议，选择既能满足各专业要求又能减少结构费用的方案，在降低建设成本的同时保障单层钢结构厂房的安全性和稳定性。

参考文献：

[1]单层多跨钢结构厂房的结构设计及地震作用分析[D].刘皓.南昌大学2015.

[2]浅析钢结构设计的简单步骤和设计思路[J].毕凌宇.城市建设理论研究（电子版）.2017（03）.