装配式钢结构厂房优化设计研究

装配式钢结构厂房优化设计研究

陈伟

中建二局第二建筑工程有限公司，广东省深圳市，518000

摘要：钢结构技术在大型工业厂房等现代建筑工程中被广泛应用。钢结构厂房的构件批量生产，可缩短工期，同时施工对现场环境的影响较小，材料的利用率较高，得益于多方面的特性，可有效提高钢结构建筑工程的经济效益，发挥出生态环境效益优势。而钢结构技术的细节较多，为充分彰显出该项技术的应用价值，必须加强设计及优化，厘清各项技术细节，以便技术的有效应用。

关键词：装配式；钢结构厂房；优化设计

1建筑常用装配式钢结构体系概述

1.1主体结构体系

1.1.1低层冷弯薄壁型钢体系

随着近年来建筑业的快速发展，国外一些发达国家在建筑时将采用轻钢龙骨作为建筑的承重体系。这种轻钢龙骨属于冷弯薄壁型钢体系。主要用于低成本住宅建设，可靠性强，能有效降低钢材消耗。20世纪末，中国开始从欧美国家引进新型装配式房屋。当中国引进国外技术建造新型装配式住房时，存在着总成本高的问题。为此，有必要尽快引进技术并将相关产品国产化，以降低施工成本，更好地推广这种轻钢龙骨体系的装配式房屋。

（1）结构特点：使用这种轻钢龙骨系统的优点主要包括：使用的构件尺寸小，可以有效地隐藏在墙体中。因此，它在建筑布局上具有一定的美感。该轻钢龙骨系统墙体无需现场施工，可在工厂内整体拼装，然后直接应用于施工现场拼装，保证其施工进度和质量。

缺点：由于梁和柱之间的铰接形式，整体抗震性能存在缺陷，横向阻力也较差。对此，在采用这种轻钢龙骨体系进行装配式建筑施工时，设计者需要严格调查当地环境，充分考虑环境因素，然后决定是否采用这种轻铁龙骨体系进行预制式建筑施工。

（2）根据适用性评价，轻钢龙骨结构体系在当前建筑施工中主要用于一至三层的低层住宅，因为该结构体系的抗震和抗侧移能力不高。一旦建筑物的层数过高，将导致建筑物的使用风险增加。

1.1.2钢架系统

钢框架系统类似于混凝土框架系统，但不同之处在于该系统将混凝土梁和柱转换为钢梁和柱。

（1）结构特征。钢框架体系在中期的具体优势如下：建筑的整体内部空间较大，可以有效满足当前建筑的需要，并且具有良好的抗震性能。在钢框架系统中，使用的框架构件通常较少，且大多数为型材。安装中没有太多复杂的环节和程序，因此可以在安装中提高安装速度。缺点是：钢框架体系在强震作用下抗侧力较弱，施工过程中钢框架围护结构和梁柱面积较大，这将在一定程度上影响建筑的美观。为了在施工中发挥有效的防火作用，还需要进行钢架外混凝土的外包作业，这导致在实际施工中需要涉及更多的施工环节和内容，其效率在一定程度上受到影响。

（2）适用性评估，从钢框架的受力特性可以看出，该系统主要用于六层以下的建筑。对于一些位于强震区的高层住宅，不能使用钢框架体系。

2装配式钢结构设计要点

2.1梁-柱的节点设计

2.1.1梁翼缘与柱的连接

以焊接的方法实现结构的稳定连接，可采用全熔透坡口焊缝，为提升焊接的有效性，在焊缝连接部位增设衬板。梁腹板上下端设置为扇形切角，翼缘坡口两侧设引弧板，钢柱翼缘和衬板的连接处宜优先采取点焊的处理方法，以此来增强构件连接的稳定性，获得完整可靠的结构体。

2.1.2梁腹板与钢梁的连接

根据板的厚度采取相应的设计方法，板厚在16mm以内时，设置厚度不少于5mm的双面角焊缝；板厚达到16mm或更大时，优先应用的是“K”字形坡口对接焊缝的形式。

2.1.3节点区

若节点板的厚度达到30mm或更大，焊接前先安排预热处理，再由专业的焊工组织焊接作业，经过焊接后进行热处理，全面保证焊接质量。

2.2连接设计

2.2.1梁-梁节点

梁截面可考虑H形或工字形的设计方式，若以刚性连接的方式设置连接节点，则主要采取如下几项方法：翼缘和腹板的连接、腹板之间的连接，可以应用摩擦型连接高强螺栓的连接方式；翼缘和腹板的全焊透的坡口，优先考虑的是坡口对接焊缝的连接方式。

2.2.2柱-柱节点

立柱采用H型截面形式，用高强度螺栓实现腹板与腹板的连接，法兰采用全熔透坡口对接焊的方法连接；如果立柱的横截面为圆管或箱形，此时采用全焊坡口对接焊的应用效果更好。柱-柱连接的详细设计有许多关键点，需要考虑以下细节：①合理规划箱形截面钢柱的拼接部分，有条件时优先规划柱脚承重台以上1.5m。②钢柱之间的连接广泛应用于螺栓焊接连接和全熔透焊接全焊连接。③钢柱腹板通过高强度螺栓有效连接。④钢柱的侧板和节点板可以通过全熔透对接焊缝连接。

2.2.3楼板、墙板与主体的连接节点

在楼板结构设计中，结构形式优先采用混凝土组合楼板，ALC板更适合于墙板结构设计。墙板与主机架连接时，拉杆、连接件和螺栓较为常见，应用效果良好。当地板与主体结构连接时，可以使用抗剪连接件，包括四个角弯钢筋和螺柱。墙板通过连接形成完整的结构。此时，连接部分也是力集中的区域，可能会影响该部分的稳定性。为了确保连接部分甚至整个结构的稳定性，要求外壳系统具有足够的强度。如果钢结构装配式建筑施工现场恰好是高强度地震区，则外力可能过大，导致接头损坏，影响构件的连接状态，以及应力平衡不良。可以看出，墙板的稳定性降低，严重时可能会脱落。针对这一问题，设计人员在设计阶段应高度重视，探索合适的墙板与主体结构之间的连接方法，确保两部分能够保持稳定可靠的连接关系。

2.2.4加劲肋和加强板

梁柱节点区域的柱腹板加厚，通过增加局部厚度来提高稳定性。在H型钢柱的设计中，采用了节点区增设焊接粘板的处理方法。板的上下边缘可适当延长150mm或以上，并使用大于5mm的角焊缝与粘贴板稳定连接。对于焊接粘贴板和立柱法兰的两部分结构的连接处理，可以选择两种方法：焊缝处理和角焊缝处理。

2.3整体安装技术

在钢结构装配式建筑当中，整体的安装技术主要指的是针对钢结构构件的整体提升、整体顶升和吊装。在实际的施工当中由于机械设备和吊装位置上的不同，可以划分为提升安装技术和顶升安装技术。顶升安装技术指的是使用能够承载较大重量的地面起重设备，比如千斤顶等，把这些设备放到屋顶的下面以及结构的内部，从而完成顶升安装的过程，实现顶升安装技术。钢结构装配式建筑的搭建过程当中，提升安装技术使用的时候更加适合用于屋面整体面积较小以及重量更轻的装配式钢结构建筑的施工当中，比如一些低层的钢结构住宅建设。

结论

钢结构装配式建筑是现代建筑的主要形式之一，在工程设计领域，设计人员需要充分认识到设计工作的重要性，加强对各处细节的深化设计，协调装配式钢结构的各道工序，优化彼此间在结构尺寸、形态等方面的各处细节，确保构件能够精准连接。经过本文的分析，首先提出钢结构厂房装配式建筑的优势，再结合实例探讨具体的设计要点，经过构件截面选型、参数优化等工作后，钢结构装配式建筑的各项指标达到要求，结构抗震性、稳定性各方面均良好，用钢量减少，综合设计效果较好。

参考文献

[1]宋佳运.钢结构在装配式建筑中的应用研究[J].建筑与装饰，2021(9)：155.

[2]石炜.多高层钢结构在装配式建筑背景下的设计分析[J].建筑·建材·装饰，2021(14)：190，198.

[3]俞江庆.钢结构在装配式建筑中的应用探析[J].江西建材，2020(4)：146-148.

[4]李少英.钢结构在装配式建筑中的应用研究[J].装饰装修天地，2020(3)：285.