摘要：近几十年，伴随着国内城市化进程的不断加快，我国的工业水平也获得了一定的提升。在进行工业建设过程中，大跨度钢结构厂房的建设不仅极大的提高了生产效率，同时也促进了我国建筑行业的发展与进步。本文分别论述了钢结构厂房的结构布置及选型、钢结构厂房屋面系统的设计、支撑系统的设计、钢结件的防护以及钢结构厂房经济指标，并进一步总结大跨度钢结构厂房结构设计需注意的要点。
关键词：大跨度；钢结构厂房；支撑系统的设计；钢柱脚；结构设计；
1引言
一般来说，钢结构不仅具有较强的抗震性能，同时钢结构厂房的施工速度快、钢材的回收利用率比较高，因而现阶段在进行大跨度厂房的建设过程中，大多会采用大跨度钢结构这一形式，例如本人参与设计的天津富士康厂房项目一期（大跨度多功能钢结构厂房），陕西生益科技项目（重型钢结构厂房）以及北京宜家家居项目（多层钢结构）。
通过钢结构设计实践，我发现大跨度钢结构厂房在使用过程中不仅能够满足大吊车、大跨度的结构需求，同时还具备生产过程所需要的多样化的平面布局。如果采用合理严谨的钢结构设计，不仅可以降低施工的周期，同时还能极大的缩减工程的成本。因而，探讨现阶段大跨度钢结构厂房设计的相关内容有着极其重要的意义。于是我总结在钢结构设计过程中的设计要点以及问题。
2钢结构厂房的结构布置及选型
在进行大跨度钢结构厂房结构的设计工作时，首先要确保厂房平面布局的合理，同时还要对厂房结构的单元进行合理有效的划分。要做好这些设计工作，就要从明确工艺，工业布局要求、合理进行吊车设置、合理设计建筑物平面投影尺寸、结构及构件节点设计选型等方面入手，提高厂房平面布置及选型的合理性。
2.1明确工艺，工业布局要求
目前绝大部分大跨度钢结构厂房均用于工业生产，因此跨度，榀距，净空高度，荷载，防火，防腐，屋面系统等结构设计参数均需要考虑工业，工艺对钢结构的具体要求。在进行结构单元平面尺寸的确定工作时，首先要对生产工艺的布局以及货流的入口、人流的入口等因素进行分析，同时还要考虑到厂房的参观通道等设施的建设要求。在进行大跨度钢结构厂房结构单元尺寸的设计工作时，还要对经济因素进行全面的考虑，降低厂房建设的成本。
2.2满足吊车使用过程中的要求
在进行钢结构设计时，需要充分考虑工业吊车的参数要求，例如：净空吊程，起吊重量，吊车台数，吊车轮横向力等。
如果要设计的厂房结构主跨是大吨位吊车，其附跨是轻型吊车，那么在进行设计工作时一定要确保对结构中的每个单元进行合理的分配。对于重型吊车而言，在确保结构主跨横向刚度达到侧向风荷载、地震作用等要求的基础上，吊车梁尽量采用桁架，钢柱尽量使用双柱式的结构。一般来说，桁架吊车梁可以有效控制吊车梁的挠度，以满足吊车使用安全及要求。主附跨公共轴大多会被设计为结构高大的防火隔墙，同时主附跨公共轴也大多被设置在主跨钢柱的外侧，这一过程中要保证在不脱缝的前提下尽量实现双柱合一的状态。通过该设计还能极大的提高吊车在公共柱两侧运行过程中的安全性能。此外，如果使用双柱处理方式还能极大的提升轻钢规程以及钢结构规范应用的高效性、科学性，提高钢结构的抗震性能。
2.3建筑物投影尺寸的控制
目前绝大部分钢结构厂房为单一矩形或者是方形，这种相对较为简单。但目前为了满足特殊工艺及办公要求，钢结构厂房也出现了异性尺寸。
在对大跨度厂房结构进行设计的过程中，可以把投影尺寸以矩形或者是方形的形式规划成一个个不同的结构单元。对于设计过程中长向端出现的局部收进的问题，可以采用控制收进尺寸的方式进行处理，同时还要将抗震规范平面布置规则作为一项基本的指标。这样一来，不仅可以提升厂房结构的抗震性能，同时还能确保投影尺寸的合理性。此外，在对收进的结构进行相应的处理时，要对平面凹角进行相应的补强，采用屋面系杆，拉条，柱间拉杆等支撑措施，进而提升钢结构的安全性与稳定性。
2.4结构选型及构件节点设计
目前大部分钢结构厂房采用的结构类型是框架结构体系，该体系一般而言，柱脚采用铰接，梁柱节点采用刚性连接，从而形成刚构体系，可单独承担侧向水平力，通过设置横杆及柱间支撑使个单榀连接为一个整体，以满足厂房的稳定、抗震性能。但是该体系侧向刚度较小，因此仅可应用于轻型、中型厂房，层数不宜过高。
而对于重型厂房，可采用框架—支撑结构结构体系。该体系抗侧力构件的支撑体系为支撑构件与周边框架组成的支撑框架。中心支撑宜采用交叉支撑、人字支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形支撑。
空间桁架结构也常用于中型、重型钢结构厂房，刚体系能有效控制挠度及位移。
大跨度钢结构厂房设计与普通钢筋混凝土结构一样，同样遵循强柱弱梁，强剪弱弯以及强节点弱构件的抗震设计原则，以此提高整体结构的延性。钢柱可优先采用宽翼缘H型钢、方钢或者格构式方柱。钢梁可优先选用窄翼缘H型钢或桁架体系。
大跨度钢结构厂房的柱脚设计也是重点，对于轻型钢结构厂房可采用铰接型柱脚。对于中、重型大跨度或超高钢结构厂房，为保证整体抗侧移刚度，要求柱脚采用固结型柱脚。设计柱脚时需着重考虑风载下拉拔力，必要时可适当放大安全系数。当遇到带有地下室的多层钢结构厂房（多功能）时，往往其侧向力较大，采用的钢柱需深入地下室一层后再做柱脚，需考虑地下室混凝土构件与型钢柱的连接，例如：本人做的云南阜外医院钢结构门诊大厅钢柱脚伸入地下室一层的做法大样。
云南阜外医院钢结构门诊大厅钢柱脚大样：
3钢结构厂房屋面系统的设计
钢结构厂房屋面系统分为屋架系统和檩条系统。
屋架系统主要由主框架钢梁组成，主框架钢梁之间由水平系杆（次梁）相连。为增强每榀钢架之间的整体性，可在每榀钢架间设置水平支撑（圆钢或角钢）。对于大跨度钢结构厂房而言，主框架钢梁一般由挠度控制，因此梁柱节点要求采用刚接，主框架梁截面可根据受弯内力进行变截面设计，甚至于可以挖除个别区域腹板。为保证主框架梁平面外稳定要求，可适当增加系杆数量（2倍檩条间距可作为证主框架梁平面外长度），相比较而言，上述方案经济性较好。
陕西生益项目屋架系统图：
檩条系统主要由设置于屋架上的檩条系统组成，为增强檩条之间的整体稳定性，可在檩条间设置拉条（圆钢），根据跨度的不同，一跨内可设多条拉条，且拉条可同时设置于上下翼缘。对于大跨度钢结构厂房，檩条尽量采用Z型檩条，按固结形式进行设计，经济性较好。檩条设计时需充分考虑荷载因素，设计前须确定工艺工业对于吊挂荷载的要求及马道荷载布置要求。
陕西生益项目屋架系统图：
4支撑系统的设计
支撑系统对于大跨度钢结构的平面外抗侧移极其重要。
屋面水平支撑系统可大大提高屋面的整体性，柱间支撑则可大大提高钢结构厂房的抗侧移能力。
在进行大跨度超高重型钢结构厂房的结构设计过程中，一定要保证结构能够承受风力、刹车荷载力以及温度变化、地震作用等影响，因而要确保结构具备足够高的刚度。在进行具体的设计工作时，可以在钢结构厂房的纵向安设一些上下柱进行支撑，在有下柱支撑的柱间设置四道上柱进行支撑。此外，在温度区段的两端加设两道上柱支撑，提高钢结构厂房对于温度变化的适应性。如果在温度区段中间三分之一位置处设置两道下柱支撑，那么一定要注意控制好施工过程中的施工工艺，必要时可以将下柱支撑的位置进行合理的调整，进而完善柱间支撑设计工作。对于抗震设计工作来说，一定要对厂房所在区域的抗震设防等级进行了解，同时还要严格按照钢结构厂房的设计规范进行设计，进而提升钢结构厂房的抗震效果。
5钢结件的防护要求
目前大跨度钢结构厂房的工艺要求较高，经常回遇到高温、腐蚀、静电、除尘等工艺要求，同时钢材有遇热软化的特性，因此钢构件的防护是很有必要的。通常的构件防护包括防腐、防锈、防火等要求。
防护对象包括钢柱、钢梁、网架杆件、构架杆件及各构件连接节点的连接件, 在进行防护之前，钢结构构件其钢材表面应达到《涂覆涂料前钢材表面处理 表面清洁度的目视评定 第1部分:未涂覆过的钢材表面和全面清除原有涂层后的钢材表面的锈蚀等级和处理等级 》GB/T 8923.1-2011规定的原始锈蚀等级的要求。
钢结构构件除锈工作在制作质量验收合格后就可以进行防护涂料的涂装。经除锈后的钢材表面在检查合格后,应尽快进行第一道底漆涂装。表面除锈处理与涂装的间隔时间宜在4h之内，在车间内作业或湿度较低的晴天不应超过12h。底漆类型应与除锈等级及面漆 (或防火涂料) 相匹配。当基层上有水露、泥污等污物时,不允许涂漆,应用干净的抹布擦干,晾干后方可涂漆。根据不同防腐环境类别，防火等级等不同要求，其涂料选型以及厚度均不同。现以天天津富士康厂房项目一期（大跨度多功能钢结构厂房）为例，该项目防火等级为一级。防腐防火涂料要求如下：
除以上钢构件需要采取防护措施以外，钢柱脚在地面以下的部分也应相应防护，同时采用C15混凝土包裹 (保护层厚度不小于50mm) , 并使包裹的混凝土高出地面 150mm。
6钢结构厂房经济指标
由于大跨度钢结构有自重小，施工周期短，施工难度小等优点，钢结构厂房相比较混凝土结构厂房，其经济性尤为突出。
经过对比我亲身设计的几种类型的厂房，其用钢量数值范围均有不同。各种类型钢结构厂房用钢量如下表：
以上用钢量不包括外墙里面附属造型。
由此可见，随着厂房荷载加大，跨度增加，高度层数增多，用钢量也会快速增大。对于明显偏离合理用钢量范围约30%的钢结构厂房，是有问题的，需要对荷载，跨度，挠度，强度，连接形式等因素进行全面复核，确保安全设计的区前提下，完成经济目标。
5结束语
进入二十一世纪以来，伴随着国内经济水平的不断提升，以往的小型工业已经不能满足时代发展的需要。大跨度钢结构厂房的出现，尤其是超高重型钢结构厂房在土木工程、海洋工程、船舶以及机械工程、冶金工程、沿海建设等项目中的应用，极大的带动了当地经济的发展。
对于大跨度钢结构厂房的结构特征来说，其主要表现为以下三点：首先，大跨度钢结构厂房的工艺工业性较强，需及时与工艺专业沟通，了解工艺需求及荷载要求。其次，钢构件为刚度较小，对于大跨度钢结构厂房而言，其挠度、水平位移以及平面外稳定尤其重要，需要着重复核，设置支撑体系，增强结构刚度及整体稳定性。另外就是要选择合理的结构类型，设计时需要遵循强柱弱梁，强剪弱弯以及强节点弱构件的抗震设计原则，其节点设计安全度要高于构件设计。
以上是我在进行大跨度钢结构厂房设计中的心得体会。在设计中总结，在总结中改进，进而提高钢结构厂房结构设计的合理性与安全性。
参考文献
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[3]高之耀.某重型钢结构厂房的结构设计分析和研究[D].青岛理工大学,2013.
论文作者:陈茂杰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/20
标签：钢结构厂房论文; 结构论文; 大跨度论文; 钢结构论文; 吊车论文; 檩条论文; 厂房论文; 《建筑学研究前沿》2017年第17期论文;