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摘要：随着经济社会的发展，工业厂房逐渐由过去轻型、简单向重型复杂的方向发展，厂房的跨度、吨位越来越大。厂房设计的时候要综合考虑到经济技术、生产工艺的影响，同时还要满足使用需求。钢结构应用在厂房设计中具有其他结构无法比拟的优势，所以从20世纪90年代开始，我国的厂房开始应用钢结构，经过二十多年的发展，积累了丰富的经验。本文主要简单介绍了工业厂房钢结构的优点、设计要点，并以具体的工业厂房设计进行说明。
关键词：工业厂房；钢结构；设计
钢结构主要由钢质材料合成，具有施工简单、自重轻、强度高、变形能力强等优点，所以广泛应用在建筑结果中。近年来随着建筑行业的快速发展，钢结构的技术也越来越成熟，国家先后编制了钢结构设计、施工等相关的标准、规范、流程和图集。然而在实践过程中，由于钢结构建筑的形式越来越多，以及辅助性材料如腐蚀性材料、保温材料、防火材料的应用，对钢结构的要求也越来越高，钢结构设计过程中会出现很多问题，比如工业钢结构的使用寿命无法达到原设计的标准，很多厂房还没有到使用期限，就出现了很多很多安全问题。因此，加强对工业厂房钢结构设计具有重要意义。
1.工业厂房钢结构的优点
工业厂房结构主要有钢结构、砌体结构、钢筋混凝土结构这三种，砌体结构的跨度比较小，一般不能超过12米，钢筋混凝土结构具有较大的自重和抗震性能，施工周期比较长。与这两种建筑结构相比，钢结构厂房具有以下三方面的优势：第一，钢结构的自重较轻、具有良好的抗震性能。钢结构使用的钢材是轻型和比较薄的材料，构件截面具有良好的受力和较高的承载力，与钢筋混凝土结构相比，它的结构重量比较轻，钢结构厂房能减轻建筑结构质量的30%，这样大大节省了施工基础费用。第二，钢结构材料安装比较方便，施工周期短。实践表明，钢结构的施工周期要远远低于混凝土结构。建筑工程投资规模大，建设单位贷款利率高，工程周期短，能将建筑尽快投产，能快速回收投资成本，这样不仅能降低工程总造价，而且能增加工程投资效益。第三，钢结构的厂房现代化装备高，建设的工作效率高。实践表明，在生产和使用过程中，钢结构材料不需要耗费太多的原料和能源，施工时不会产生噪音以及过多的建筑垃圾，材料还可以循环使用，从而达到绿色节能的作用。
2.工业厂房钢结构设计要点
2.1建筑概念设计
传统的建筑设计是按照建筑图以及相应的资料，计算参数并建立建筑模型，这种方法虽然一定程度上能保证建筑的安全，但是往往忽略了建筑的概念设计。结构概念设计能提高建筑设计的质量，同时也能够最大限度确保建筑抗震性能。我国位于环太平洋地震带上，地震活动比较频繁，地震时对房屋建筑会造成很大的危害，所以要做好抗震概念设计。概念水不需要准确的数值运算，而是根据建筑结构力学关系、地震灾害破坏机理、试验数据以及工程经验，从整体角度布置建筑结构的布局并对建筑局部采取宏观控制措施。概念设计是从建筑整体角度出发，如果在设计的时候，不考虑概念设计，那么即便再精准的设计方案也不是一个好的设计方案。
2.2钢结构选型和结构布局
厂房在设计的时候，要根据钢结构的特点和厂房工程的实际造价，选择合适的钢结构。并根据不同结构的选择合适的结构布置方案。比如在工业厂房中，如果有较大悬挂荷载或者移动荷载，可以使用钢网架结构形式，在雪压比较大的地区，屋面处理的使用使用曲线明显的形式，这样便于积雪滑落。结构布置的时候要综合考虑结构体系特征、施工环境、荷载分布等因素。刚度均匀、力学模型清晰则要限制荷载或者移动荷载的作用范围，选择最直接的力传输路线，梁柱间支撑的分布要均匀。
2.3节点设计
节点设计是钢结构设计中重要的内容之一，在结构设计之前，必须对钢结构的节点形式进行分析。由于钢结构的构件大部分是在加工厂加工制作而成，构件运输到现场进行拼接，如果节点设计出现问题，那么可能导致构件无法正常安装。节点设计的时候，不仅要考虑受力是否合理，而且还要考虑到是否方便安装，如果安装困难则需要改变节点设计。钢结构设计的时候，还要估算构建截面，主要是梁柱和支撑等断面的形状和尺寸、建筑轴心受力构建和拉完力。
2.4防火设计
工业厂房设备多、人员多，一旦发生火灾会给企业带来巨大的经济损失，所以工业厂房钢结构防火设计很重要。如果钢材的温度达到100℃以上，钢材的抗拉强度会随着温度的升高不断降低，塑性则不断上升；如果钢材的温度达到了250℃，那么钢材就会出现变形；如果温度升高至500℃时，钢材的强度急剧下降，钢材会出现断裂和坍塌，所以必须做好工业厂房防火隔热的措施，提高钢结构长夜的耐热性。主要从以下两个方面进行考虑：第一，按照我国颁布的《建筑设计防火规范》，根据工业厂房的规模、施工工艺、生产技术等，对厂房出现的火灾危险情况作出一个准确的等级划分，厂房火灾危险等级主要有甲、乙、丙、丁、戊五项。确定好防火等级以后，则对厂房的防火进行分区，并严格控制好每一个防火分区的范围、各个分区的疏散距离和疏散口数量必须满足厂房人数。由于钢结构自身的耐性性能比较差，所以人员疏散是防火设计的重点内容。根据建钢结构特点和人员密度，应该要合理设置人员疏散距离、安全疏散路径宽度等等，并在厂房内设置明确的疏散标志。
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2.5防震设计
钢结构的工业厂房设计的时候，还需要考虑到震缝的问题，尤其是结构比较复杂的多层厂房，在设计的时候按照国家相关抗震设计的要求，建筑各项技术必须符合抗震性能。在设立防地震缝的时候，要结合钢结构厂房具体用途，并作出适当的调整。如果钢结构厂房的总高度不超过16米，那么建筑物边缘和防震缝两边之间的距离则应该控制在13毫米，如果厂房总高度超过了16米，那么则根据厂房的实际情况，作出相应的调整，将两边的距离增加到20毫米。此外，防震缝设计的时候，还要考虑到钢筋混凝土的性能，震缝应该是钢筋混凝土结构的1.4倍左右。钢结构的承重与钢柱脚关系密切，如果工业厂房的抗震要求比较高，那么则采用刚性柱脚，并将其埋入土层深入，铰接柱脚是轻便型的柱脚，在设计的时候，铰接柱脚必须达到钢柱截面的2倍以上，如果钢结构的界面比较大，则必须高出3倍。此外，在设计的时候，还要采取有效的措施减小扭转刚度对高层建筑的影响，并对建筑结构的薄弱环节进行加固，一旦发生地震，建筑薄弱部分第一时间受到破坏，从而引起建筑连锁反应。
3.某工厂厂房设计实例
3.1工厂概况
某工业厂房建筑长318米，宽72米，厂房总面积是2.3万平方米，厂房主钢架是3跨24米的钢框架，梁柱间距是6米，屋面压型彩钢板自重是0.25KN/㎡，墙体为外刷涂料的砌墙体。厂房两侧边跨需要架设2台16吨的调查，中间跨设置1台125吨的吊车，另外一端设置2台63吨吊车，中间交接地方需要设置2层吊车，下层供63吨吊车使用，上层供125吨吊车行走。
3.2厂房结构布置方案
由于该工厂局部需要设置2层吊车，下层供63吨吊车使用，上层供125吨吊车行走。所以这一处需要使用二阶格构钢柱，那么下层的梁柱除了承担上层的风荷载、恒载，还需要承担上层12吨吊车动荷载，肩梁处的受力结构比较复杂，很容易造成肩梁处结构脆弱，所以对这一部分的布置必须要加强，简化钢柱和肩梁的传力途径。因此，对这部分格构柱和分离柱结合使用。格构柱负责承担屋面荷载、风荷载、下层吊车横向水平的荷载、上层吊车荷载；两者各自独立承担吊车的竖向荷载。分离柱肢与格构柱肢上的水平连接件和分离柱件使用纵向交叉支撑的方式，并保持分离柱肢框架内外平衡。该工业厂房吊车梁使用了突缘式支座，所以必须计算好轴心构件的压力。框架平面内外分离柱的长度按照水平连接件的间距和分离柱高度的0.7倍进行计算。
3.3厂房抗震设计
本工程有重型的吊车，所以钢结构使用楔形屋面梁，压型彩钢屋面的跨度小，荷载小，因此工程使用了楔形实腹梁，它的外形与屋面梁的内力相吻合，建筑结构受力更加合理。与传统的建筑网架、钢屋架等结构相比，这种楔形屋面梁钢结构使用的钢用量差不多，但是加工制作简单、外形简洁明快、工程造价低，施工方便。但是在设计的时候，还要注意厂房的方防震设计。因为抗震设计中构件的宽度、厚度比是确保结构延性的关键指标，它直接影响建筑结构钢的用量。根据我国《建筑抗震设计规范》的相关要求，建筑构建设计中使用纵向加劲肋的方法，能最大限度缩小梁柱交叉节点附近塑性耗能区构件腹板的宽厚比，从而确保塑性区段的抗震要求，减少增加腹板厚度满足抗震需求带来的浪费现象。对塑性区以外的梁，按照现有的《钢结构设计规范》宽厚比进行控制就好。
3.4增加钢结构的扭转支撑
本工程钢结构承担吊车荷载的主要部件是肩梁和支撑牛腿，肩梁的纵向水平力传递给支撑牛腿时，牛腿所在的钢柱受到一定的水平力，则会发生扭转。由于平面钢柱比较软弱，所以纵向水平力对钢柱结构受力影响比较大，为了提高平面钢柱的承重力，传统的设计方法是增加钢柱截面。但是这种方法一定程度上会增加钢材。针对本工程在下柱与牛腿之间设置了支撑梁，将吊车梁的纵向水平力传递柱间的支撑梁，从而避免钢柱发生扭转变形。和传统的方法比较，这种防止扭转的方式更加简单、明确、构件受力会更加合理，而且用钢量更小。
3.5节点设计
格构柱的刚接柱脚分插入式和露出式两种，露出式柱脚制作比较复杂，用钢量比较大。所以这个工程使用了插入式柱脚，将柱端直接插入钢筋混凝土中，柱脚埋深根据《钢结构设计规范》中的要求设计。厂房构建的焊接方式采取工字型的截面吊车梁，工厂设计的时候，使用突缘式支座，将其放置在肩梁和牛腿之间，突缘式支座比平板式支座的反作用力点更加接近牛腿和吊车肢中心，能够最大限度减小偏心荷载对吊车肢和牛腿的影响。为了保证厂房吊车梁更加符合钢结构的要求，可以使用相互独立的连接板连接相邻的吊车梁上柱和上翼缘，并在连接端部设置一颗螺栓。
4.结束语
随着建筑行业的发展，建筑施工技术和工艺也在不断进步，工业厂房钢结构设计时也要结合现有的经济情况、生产工艺，以及建筑结构多元化发展等方面，从而最大限度满足市场需求。同时，要求我们的建筑设计人员也要不断提高自身设计水平和综合素质，才能设计更好的作品。
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论文作者:刘栋1,陈峰1,梁潇2,王俊2,焦建林2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第7期
论文发表时间:2017/8/9
标签：钢结构论文; 厂房论文; 吊车论文; 荷载论文; 工业论文; 建筑论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2017年第7期论文;