浅析钢结构门式刚架厂房的设计

【关键词】钢结构厂房；构筑物；结构布置 

　　一、钢结构的特点 

　　传统的厂房设计中使用钢筋混凝土结构，这种结构不尽施工时间长、抗震性差，而且很难做成大跨度的车间形式。钢结构厂房就很好的克服了这些缺点，钢结构工业厂房有较强的承载力，强度也比较高。而且厂房空间开阔，建筑布置比较灵活。这些特点都为厂房的设计提供了空间和余地，可以将其设计成开放性的厂房。由于钢结构厂房的构件尺寸比较小，墙体又比较薄，可以将管线布置在墙体中去，这样就大大增加了厂房的使用面积，这也是钢结构厂房在空间上的优势所在。同时钢结构厂房有比较强的塑性，其内部组织十分均匀，近似于同性体的性质，具有较大的变形能力，这种性质能加强结构对动力荷载的适应性。不仅如此，钢结构密度和强度比较大，因此承受相同的荷载时，钢结构所需的截面最小。在截面相同时，钢结构的承载力又是最大的。即使在超载的情形下，也不容易发生断裂，安全性能比较强。另外，与其它结构形式相比，钢结构厂房的大部分构件都可以在加工厂中进行制作，运输起来也比较方便，构件到达施工现场时，通过焊接或者螺栓直接进行组装就可以，非常方便和高效，大大缩短了施工周期。而且对环境的污染和影响比较少，改造和加固也很方便，因此得到广泛的推广和使用，关于钢结构厂房的设计自然成了研究的热点。 

　　二、钢结构厂房设计的注意事项 

　　钢结构优势明显，但缺陷也是存在的，需要在设计时格外加以注意。1、钢结构的耐热性比较差，温度在100℃时，钢结构的强度没有太大的变化，但是当温度达到150℃，钢结构就会出现软化现象，在设计中如果没有利用隔热层进行保护，就会发生火灾事故。特别是一些对防火要求很高的车间，例如存放易燃材料的仓库等，在设计时必须添加防火涂料。2、钢结构的耐腐蚀性也比较差，在一些潮湿的环境中很容易被腐蚀，所以就需要进行防腐设计，而且还需要工作人员定期进行维护和保养，成本较高。3、钢结构比较脆，有时在焊接的情况下，如果不注意或者在焊接残余应力的作用下，很可能会发生脆断的情形。焊接是钢结构厂房施工中必须进行的环节，焊接工艺使得钢结构厂房施工简单快捷，但其缺点也很明显，焊接不仅会造成钢结构的脆断，而且由于焊接速度不均匀或者应力变化，会引起钢结构构件出现凹陷、焊瘤、裂纹等等缺陷。上述问题是钢结构厂房设计中必须高度注意的问题。 

　　三、钢结构门式刚架厂房的具体设计 

　　与排架结构及其他轻钢结构相比，门式刚架结构使用范围比较广，下面对其具体设计进行了分析。 

　　1、结构组成 

　　门式刚架钢结构厂房一般由横向刚架、支撑体系、围护结构等组成，有时还设有托梁、吊车梁、制动桁架等，并由这些构件组成空间刚性体系，这些构件按其作用可分为：（1）横向刚架：由柱和屋面斜梁组成，是门式刚架的主要承重体系。（2）支撑体系：包括屋面支撑和柱间支撑，它一方面与柱、吊车梁等组成门式刚架钢结构的纵向受力体系，承担纵向水平荷载；另一方面又把主要承重体系由单个平面结构连成空间整体结构，保证了门式刚架钢结构所必需的刚度和稳定。（3）围护结构：门式刚架的围护结构通常采用压型钢板、玻璃棉和冷弯薄壁型钢等轻质材料，屋面板和墙面板作为围护材料，起到围护和封闭的作用；屋面檩条和墙梁则是围护材料的支承结构，主要承受围护材料的自重及风荷载；同时也为横向刚架提供了部分侧向支承。（4）吊车梁和制动梁主要承受吊车竖向及水平荷载，并将这些荷载传到横向刚架和纵向受力体系上。 

　　2、结构布置 

　　（1）建筑尺寸 

　　门式刚架的跨度取横向刚架柱轴线间的距离，一般主要依据工艺和建筑要求而定，宜采用9～36m；门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m或9m；门式刚架的高度应根据使用要求的室内净高确定，有吊车的厂房应根据轨顶标高和吊车净空的要求确定，宜取4.5～9m，必要时可适当放大。门式刚架钢结构的构件和围护结构通常刚度不大，温度应力也相对较小，因此其温度分区与传统结构形式相比可适当放宽，但应符合下列规定：纵向温度区段的长度应该小于300m，横向温度区段的长度应该小于150m，如果有相关的计算根据，温度区段的长度可以相对加大点。如果房屋的平面尺寸超过上述规定，需设计伸缩缝。 

　　（2）檩条和墙梁的布置 

　　屋面处的檩条应该布置成等间距，同时还应于天沟处设置一道檩条，前者是为了防止屋面板外伸宽度过长，后者是为了固定天沟。在计算檩条间距时，不仅要考虑天窗、采光带、屋面材料的影响，还要考虑通风屋脊、檩条形式等因素。墙梁的布置则应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。如果采用压型钢板作围护面时，应该在刚架柱的外侧布置梁墙，它的间距计算时既要考虑墙板类型又要参照墙板规格，但通常应该小于通过计算得到的值。外墙在抗震设防烈度不高于6度的情况下，可采用砌体；当为7、8度时，不宜采用嵌砌砌体；9度时宜采用与柱柔性连接的轻质墙板。 

　　（3）平板网架设计 

　　钢结构工业厂房应用平板网架，便于生产工艺和机械化运输悬挂的灵活布置，方便未来生产改造，可有效利用网格空间布置各种公用介质管线；与传统的平面钢结构相比节约钢材20%～30%；因此平板网架具有明显的技术和经济优势，是十分理想的屋盖结构，其应用和发展前景十分广阔。网架设计时，一是杆件选用，考虑安装和受力复杂性等因素，内力小于2kN的拉杆，按压杆选用。同一方向及同一节点弦杆截面级差不宜超过3级；同一方向及同一节点腹杆截面级差不宜超过4级。二是节点选用：当网架下弦有工艺悬挂荷载，计算螺栓规格。大于M64，采用螺栓球节点不能满足要求时，一般优先选用焊接空心球节点钢网架。当网架下弦无工艺悬挂荷载时，可选用螺栓球节点钢网架；焊接球受压计算与钢材强度无关，由稳定控制，因此不宜选用高强度钢材；在满足受力要求、构造要求的前提下，节点的球径应尽量小；一般选用焊接球节点较为经济。相邻节点球规格级差不宜超过3级。三是网架的网格尺寸和网架的高度可根据网架形式、跨度、屋面材料、构造要求、建筑功能等因素确定。应充分考虑满足工艺和公用等专业的各种功能和使用要求，公用管线一般均布置在网架空间内。网格尺寸一般为跨度的1/6～1/20，通常在2～6m范围内；网格的长宽宜相等，也可以不等，网架杆杆的长度一般控制在3～6m；网格数较少时，上下弦杆内力增大，上弦压杆自由长度增大，对压杆不利；网格数增加时，对上弦压杆有利，但节点数量会相应增多，使节点用钢量相应增加。 

　　3、抗震与防火设计 

　　钢结构厂房的抗震性对厂房的安全性也有很重要的作用。在对钢结构工业厂房做抗震设计时应注意：首先，在总体布置方面要求厂房结构的质量和刚度均匀分布，使厂房受力均匀，变形协调，尽量避免因结构刚度不均匀对抗震造成不利影响，厂房横向结构宜采用刚架或者使屋架与柱有一定固结的框架，以便充分利用钢结构的受力性能并减少横向结构变形；其次，钢结构厂房的破坏一般情况不是由于杆件强度不足而常常因为杆件失稳而造成，所以合理布置支撑系统，保证厂房结构整体稳定性，对钢结构厂房尤为重要；最后，在地震作用下，存在着低周疲劳作用，设计时应注意其对厂房的影响。对结构连接点的设计，应保证节点的破坏不先于结构构件的全截面屈服，应使结构构件能进入塑性工作，充分吸收地震能量发挥其抗震能力。再就是钢材具有很高的导热性能，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。或者钢结构表面刷厚涂型防火涂料，厚度按《钢结构防火涂料技术规程》计算。 

　　总之，工业厂房的结构设计要综合生产特点、技术工艺等多方面因素来合理选择，钢结构尤其是门式刚架厂房具有其他结构形式所不具备的优势，在我国工业建筑中应用得越来越多，是工业厂房设计中优先考虑的形式之一。但由于我国目前还没有对这类结构进行具体的规定，设计人员在设计时要不断的探索和积累经验，尤其对钢结构厂房先天的缺陷要格外注意，这类也建议相关部门增加相应条文来具体指导该类结构的设计。 

　　参考文献 

　　[1]顾纪清.实用钢结构施工手册[M].上海：上海科学技术出版社，2005. 

　　[2]鲍广缢.钢结构施工技术及实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2005. 

　　[3]蔡红军，蒋凤鸣，董辉.浅谈钢结构厂房设计[J].中国科技信息，2010（19）. 

　　[4]耿云峰.论钢结构工业厂房的设计与施工[J].今日科苑，2008（20）