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钢结构工业厂房结构设计要点

     在工业厂房设计中,现多采用钢结构。其具有自重轻,跨度大,柱网布置灵活与工艺便于衔接,且构件可在加工厂加工制作,施工周期短,工程质量易予保证等特点。但钢结构厂房也具有易腐蚀、耐热性差,稳定性较差等缺点。在工业厂房整体设计中应重点考虑隔热、排水、通风等方面的问题,结构设计中应重点对结构体系、结构构件、连接节点进行控制。根据其特点扬长避短更好地发挥钢结构厂房的作用。

    一、钢结构工业厂房在整体设计中需考虑的问题。
    1.钢材的保温隔热与防火
    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。所以当钢结构所处环境温度达到150℃以上时,就必须做隔热防火设计。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.屋面防水及排水设计
    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。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。
    大跨度屋面,彩钢板外板板型建议采用角驰型,板间360度锁口连接,屋面无射钉,从而减少屋面渗漏点。该板型具有温度调节性好,现场作业简单等特点;还能避免现场打孔飞溅铁屑部位引起彩板锈蚀。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。当采光带与彩板间搭接连接时,应保证采光带板型与彩钢板板型一致,且搭接宽度不得小于一个波峰及波谷。
    屋顶排水分为自由排水、内天沟、外挂天沟等排水方式,根据雨水的排放形式,分为重力流排水、虹吸排水。因绝大部分屋面渗露及倒灌均发生在天沟部位,且内天沟排水所发生的费用又很高,故屋面形式设计时应尽可能的减少内天沟的数量。内天沟的排水可采取雨落管集水至地下排水沟排水,也可采用厂房内设置横吊管分段汇集外排水形式,还可采用天沟内设虹吸斗,虹吸排水。一般工业厂房内均有天车,地下设备基础及管道纵横,故现较多的采用后两种排水方式。当厂房单体较小时,且天车顶部距离厂房顶部空间足够时,可采取横吊管排水。当厂房单体较大,纵向尺寸较大,屋面汇水面积较大时,可采用虹吸排水。虹吸排水的工作原理如下:当屋面雨水量较小时,虹吸斗未淹没,雨水管内雨水为重力流;当暴雨来临时,虹吸斗被淹没,雨水管内形成虹吸有压排水,雨水可较快的排出;从而有效避免雨水倒灌的问题。当选用虹吸排水时,应注意天沟内高度及宽度满足虹吸斗淹没要求,且屋面檩条应垫高,以配合天沟高度。现阶段虹吸排水造价较高,但它的优势正被人们逐渐认识,更多的工业厂房将选用虹吸式排水。
    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、结构体系布置应合理,传力明确。
    1.设计常用的结构体系如下,可根据工程实际情况区分选用:
    1)框架一支撑体系。横向设计成刚接框架,纵向设计成柱一支撑体系,用柱间支撑抵抗水平荷载。这种体系适用于纵向较长,横向较短的厂房。其具有经济节约的特点,但柱问支撑有时会影响使用。
    2).纯框架体系。把厂房纵横两个方向都设计成刚接框架,不设置柱间支撑。其优点是使用空间不受影响,缺点是柱不宜采用工字型柱,而要采用两个方向惯性矩差别不大的截面形式(如箱形柱),使用钢量增加。
    (3).钢架加支撑的混合体系。这种形式与第一种形式不同之处在把纵向设计成钢架和支撑混合的型式,靠两者共同抵抗水平力。这种形式可以有效地减少柱的纵向弯矩,但要求楼面刚度大,否则柱子间的变形不协调,无法充分发挥柱间支撑的作用。
    2.单层工业厂房应重点加强支撑体系的布置,柱间支撑及水平支撑协调设置,以保证厂房形成稳定体系,以最合理的路径传递内力。柱间支撑布置时,应考虑厂房内部设备布置、物流及人流路径。柱间支撑可根据厂房情况区分上柱支撑和下柱支撑,并可采取诸如交叉支撑、人字型支撑、门式支撑、双片支撑、单斜式支撑、纵向门式刚架等形式,有限传递内力。
    屋盖支撑系统的布置应根据厂房跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式、吊车吨位和所在地区的抗震设防烈度等条件来决定。一般情况下无论有檩或无檩体系的屋盖结构均应设置水平支撑;对于以下情况的工业厂房应设置纵向水平支撑:屋架间距不小于12m的厂房,抽柱厂房,厂房内设有A6、A7等工作制桥式吊车或吨位超过20T天车,屋面悬挂天车或有较大振动设备的情况。当厂房高低跨布置时,支撑布置应在不同屋面高度内形成封闭支撑体系。
    3.多层厂房因为工艺布置的要求,一般都需要大空间,结构通常采用框架结构,在层数较多、工艺条件许可的情况下也可以采用框剪结构。结构布置的原则是:尽量使柱网对称均匀布置,使房屋的刚度中心与质量中心相近,以减小房屋的空间扭转作用,结构体系要求简捷、规则、传力明确。避免出现应力集中和变形突变的凹角和收缩,以及竖向变化过多的外挑和内收,力求沿竖向的刚度不突变或少突变。
    (1)控制横向框架与纵向框架的周期。由于多层厂房跨度方向尺寸较大,柱子少;而柱距方向尺寸较小,柱子多,故周期位移一般都是横向控制。结构设计时应使纵横向的抗震能力大致相同,不仅有利于抗震,也能使设计更为经济合理。
    (2)合理布置电梯间、楼梯间的位置。多层厂房由于设备、货物很重,竖向运输的需要,多设置多部电梯和提升设备,楼板开洞削弱较多。在结构布置上尽量避免电梯、楼梯井筒布置在建筑物的角部和端部。布置楼梯或电梯部位应对周围的楼板及框架采取加强措施,并沿两个方向设置柱间支撑以增强楼梯部位的稳定性。楼板局部开洞较多时,应注意楼层加设水平支撑,以增强楼板面内刚度及稳定性。
    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(类似A3)和Q345(类似16Mn)。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pkpmSTS、sap2000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天车情况,结构师应该逐个检查。
    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,通常加大组成截面的板件厚度,其中,抗弯不满足加大翼缘厚度,抗剪不满足加大腹板厚度。变形超限,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。
    (3)目前钢结构实际设计中,门钢厂房一般均采用变截面,轻型门式刚架多采用轻型门式刚架设计规程中规定对变截面构件进行验算。但当厂房内天车吨位较大,存在夹层等情况时,设计需要按照钢结构设计规范进行验算。然而现阶段钢结构设计规范对变截面构件的计算存在空白,故在实际设计时应结合多种设计规范对一些构件进行综合控制。复杂建筑分别按不同钢构设计软件进行设计并比较,以保证工程设计满足工程实际。
    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、结语
    做好工业厂房结构设计的关键在于:概念应清楚,结构选型应做到合理;施工图的设计应与施工相结合,避免施工困难;结构计算要准确,计算中应反复试算,调整截面,以达到最佳设计。
 


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