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摘要：笔者主要从钢结构工业厂房在整体设计中需考虑的问题出发，并且结合工程实例，提出了工业厂房钢结构的构件设计与节点设计，以期为行业有效的参考与借鉴。
关键词：工业钢结构厂房；结构设计；构件设计；节点设计
一、钢结构工业厂房在整体设计中需考虑的问题
在工业钢结构厂房设计中，作为结构设计往往只会从主体材料和受力方面去考虑，会忽略了其他方面对主体结构的影响同样重要，下面笔者结合自身设计的工程实践经验，谈谈自己在钢结构整体设计中需要考虑的一些细节问题。
1.钢材的隔热与防火设计
钢材具有很高的导热性能，其导热系数为50w（m.℃），当受热达到100℃以上时，其抗拉强度就会降低，塑性增大；温度达到250℃时，钢材抗拉强度会稍提高，但塑性却降低，出现蓝脆现象；温度达到500℃时，钢材强度降至很低，会致使钢结构塌落。所以在设计中，我们要根据建筑的使用要求来确定本工程防火等级，并做相应防火设计。其做法一般为：钢结构外侧包耐火砖、混凝土或硬质防火板材，或者钢结构刷防火涂料，厚度按《钢结构防火涂料技术规程》计算。
2.屋面排水及防水设计
屋面的排水及防水设计在屋面设计中需重点考虑，根据《屋面工程技术规范》的规定，屋面坡度最小为5％，在积雪较大的地区，坡度应适当加大。由于屋面坡度不足导致雨水来不及排走，使屋面荷载超过设计值而引发的工程事故在南方也偶有发生。单坡屋面的长度主要取决于所在地区的温差以及降雨所形成的最大水头高度。根据工程设计经验，单坡屋面长度宜控制在70m以内。屋顶风机出风口建议靠近屋脊部位设置，以方便开孔处另附加彩板泛水。采光带部位可采取局部檩条垫高，彩板上翻等方式，局部形成彩板高差，有效避免不同材料连接部位的雨水渗漏。
3.通风设计
根据厂房内通风及排烟要求，屋面可设置天窗、通风器，墙面可设置开启窗或排风扇。当工位固定时，也可设置工位集中送风。工程设计时，可根据工艺特点区别选用。例如铸造车间、焊接车间等热气、废气较多的车间，屋面应设置天窗或通风器集中通风。当个别区域未位于屋脊下方时，可设置顺坡通风器，以解决通风问题。总之，钢结构厂房的设计，应根据其特点进行综合设计，使设计安全可靠，经济合理且满足工艺要求。
二、工程实例分析
笔者结合实际工程设为例，通过调查其设计过程中遇到的几点问题，分析工业钢结构厂房结构设计的重点问题。该项工程位于沿海某地级市，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值设计为0.15g。主厂房跨度30米，总长度55米，总高度11米，厂房部分设置有材料堆放区、卸料区两个不同的区域，局部设有配电区、监控区、办公区等等功能性区域，整体采用钢结构，基础采用天然基础。
1.合理确定结构形式
本工程中，主厂房包括办公区、卸料区，其中，办公区为厂房整体面积的1/4，是带夹层的2层钢结构厂房，应用的是钢筋混凝土楼板。一般情况下，设计中，厂房所采取的结构形式为门式刚架，原因在于其具有形式简洁、施工方便以及传力路径明确的优势。但是，本工程中的厂房，存在夹层部分以及钢梁、混凝土楼板，因此，不符合门式刚架结构形式的适用范围。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆若是按照钢框架进行建模计算，钢结构的相关设计标准中，与门式刚架相比，钢框架的长细比、截面高厚比等均高出一个等级，基于此，若是按照钢框架结构形式进行设计，就会导致用钢量的大量提高，不仅使结构变得更为复杂，也无法展现门式刚架厂房简洁明确的设计理念。针对门式刚架局部带夹层的情况，主要解决方法有两种：第一，根据门式刚架的结构形式，进行整体性设计，对于局部夹层，按两种不同结构形式对夹层上下两个部分进行计算，对局部夹层的钢柱连接节点、钢梁，按照刚接的方式考虑，对夹层以上、夹层以下的部分，分别按照门式刚架、钢框架结构的形式计算；第二，于局部夹层位置设缝，将主体结构完全断开，使其分为两个部分，然后再分别按照门式刚架、钢框架结构的形式计算。
2.结构纵向荷载传递
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015，每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系在设置柱间支撑的开间，宜同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体系。规范这样设置的目的其实是要结构上形成完整闭合的传力路线，以便发挥结构整体作用。本次工程设计中，结构纵向在中间有楼板标高处、吊车梁标高处，柱顶处均设置钢系杆，柱间设置柱间支撑，屋面设置水平支撑。由于厂房平面布置中一侧有局部夹层，且为钢筋混凝土楼板。在楼板标高处，可近似认为此平面刚度无限大，需采取措施加强纵向荷载的传递能力。通过查阅以往的工程实例，通过在楼板标高处邻跨处增加柱间支撑的设置，增强纵向结构构件传递整体性效果，缓和在局部楼板处的刚度突变，从空间整体计算结果来看，对结构整体均匀变形还是有一定效果的。同时应注意柱间支撑是按拉杆考虑还是按压杆考虑，此时应注意要满足规范规定的长细比要求。
三、工业厂房钢结构的构件设计与节点设计
1.构件设计
（1）构件的设计首先是材料的选择。比较常用的是Q235和Q345。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时，可选择Q345；稳定控制时，宜使用Q235；（2）当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级。并自动重新分析验算，直至通过，如PKPM、YJK等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。但是应注意以下两点：①软件在做构件（主要是柱）的截面验算时，计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定。目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以，尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件以及多层吊车情况，结构设计人员应逐个检查。②当预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。强度不满足，通常可加大组成截面的板件厚度及高度，其中，抗弯不满足加大翼缘厚度及宽度，抗剪不满足加大腹板厚度及高度。应力比超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济。使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上常常并不合适。
2.节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接；设计人员应保证节点选用符合设计要求。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大转动，不符合结构分析中的假定，会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。多跨厂房设计时，应着重注意附跨或高低跨连接部位节点的选用，此部位设计经常出现问题。附跨设计时，附跨钢梁与主跨钢柱间连接多设置为铰接连接。但当附跨跨度较大，附跨钢梁截面较高时，程序自动生成的节点，四根螺栓均集中于连接截面的中部，实际节点会发生较大转动。连接节点处接触面发生脱离，造成摩擦型高强螺栓接触面不足，摩擦型节点工作基础丧失。且转角过大使螺栓产生较大的翘曲力，存在很大的安全隐患。设计应注意当厂房跨度较大时应将计算模型中将该节点定义为刚接节点；当跨度较小时，仍选用铰接节点时，应人为调整节点处螺栓分布情况，以减小转角。
四、结束语
钢结构在工业厂房的应用越来越广泛，其施工方便、施工速度快，人力成本相对较低等优点，逐渐得到广大厂家的认可。本文从工程实际出发，简单介绍了工业厂房钢结构设计过程中的应该注意的问题及设计要点，希望可供初步接触钢结构厂房的设计人员参考。
参考文献
[1]《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》 GB51022-2015
[2]多层钢结构工业厂房结构设计[J]. 贺力超.??江苏科技信息.?2016（36）
[3]工业钢结构厂房结构设计重点问题研究[J]. 王俊峰.化工管理.2018（1）
论文作者:颜兴强
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年2期
论文发表时间:2019/6/14
标签：节点论文; 截面论文; 结构论文; 钢结构论文; 屋面论文; 厂房论文; 夹层论文; 《建筑学研究前沿》2019年2期论文;