门式刚架轻钢结构厂房设计要点

关键词：钢结构厂房设计；结构体系；支撑系统；荷载取值；结构抗震设计 

　　随着钢铁产量增加，建筑钢材市场的各种型钢从产量和品种性能等各个方面上都得到很大的发展。钢结构厂房因其施工速度快、承载力高、整体刚度和抗震性能好，在工业厂房设计中逐渐代替了笨重的钢筋混凝土结构而得到了普遍应用。但是尽管钢结构厂房有很多优点，而作为一种材料，它也有很多缺点，例如易锈蚀、防火性能差等，所以在做钢结构厂房设计时应根据其特点注意以下几个方面的问题。 

　　1.钢结构厂房结构体系选择 

　　单层钢结构厂房结构体系主要由横向系统和纵向系统两部分组成。横向系统按结构外形可分为框排架、门市刚架等，也可以按照受力特点分为铰接排架、刚接排架。结构体系的具体选择需根据厂房刚度要求、工艺要求、材料选用情况、结构受力情况等确定。纵向系统一般是由钢柱及其支撑、吊车梁及制动梁或制动桁架、墙梁、系杆等构件组成。 

　　2. 结构体系布置 

　　门式刚架结构体系的布置应该遵循以下原则和要求：墙梁及檩条在门式刚架结构体系中的作用是：作为刚架间的连接构件、水平与竖向荷载的承重构件；支撑体系承担门式刚架厂房纵向水平力，所以在厂房支撑体系设定时，应严格按照以下要求进行：各温度区段两端端部位置柱间或第二柱间设置屋面水平支撑；其余部位按照间距30～40米设置屋面水平支撑。这样设置的目的是保证房屋空间结构形成几何不变体系。规范规定：门式刚架轻型钢结构厂房温度区段纵向取300m；横向不超过150m。温度变化将引起钢结构厂房的变形，使结构产生温度应力，力的大小与钢柱刚度、吊车轨顶标高和室内外温差有关。当厂房平面尺度很大时，为避免产生过大的温度应力，应在厂房横向或纵向设置温度伸缩缝，将平面尺寸很大的厂房分成若干个温度区段。温度伸缩缝一般采用以下两种方法：1）设置双柱；2）设置单柱方法处理，在屋架支座处设置滚动支座，对横向温度伸缩可在屋面梁与檩条连接处采用椭圆孔的滑动方式。 

　　3.支撑系统设置 

　　为保证钢结构厂房的空间工作性能，提高刚度、承受和传递纵向水平力，防止过大变形，同时避免压杆失稳、以及保证稳定性、应根据厂房具体结构形式、厂房内吊车设置情况以及厂房高度、跨度，温度区段的长度等情况布置可靠的支撑系统。钢结构厂房支撑系统分为柱间支撑系统和屋盖支撑系统两大类。 

　　1）柱间支撑系统。厂房每一温度区段均应设置稳定的柱间支撑系统，并与屋盖横向水平支撑系统的布置相协调。下柱支撑的位置是决定厂房纵向变形方向的重要因素，并能影响温度应力的大小。下柱支撑应尽可能设在温度区段的中间部位，能够使吊车梁等纵向构件随着温度变化比较自由地向温度区段两端伸缩。当温度区段的长度不大时，一般在温度区段的中部设置一道下段柱支撑即可。但当温度区段的长度大于150m时，为了保证厂房的纵向刚度，应在温度区段内设置两道下段柱间支撑，其位置应尽可能布置在温度区段中间1/3的范围内。为避免产生过大的温度应力，两道支撑的中心间距不宜大于72m。上段柱间支撑除在设有下段柱间支撑的柱间布置外，还应在温度区段的两端柱间布置上段柱支撑，提高钢结构厂房上部纵向刚度，有效传递山墙风荷载及纵向地震作用。 

　　2）屋面支撑系统。该系统主要是由水平支撑及系杆所组成。屋面支撑的布置应根据厂房高度、跨度、柱网尺寸、屋盖结构形式、吊车设置及起吊吨位等条件来确定。一般情况下，屋盖结构无论是有檩体系或无檩体系，均应设置垂直支撑。对于无檩体系屋盖，大型屋面板有三点和屋架焊接，可起到上弦支撑作用。考虑到安装需要和施工条件限制，无论有檩体系屋盖或无檩体系屋盖，均应在天窗架上弦和屋架上弦设置横向支撑。对于屋架间距不小于12m的厂房或厂房内设有特重级桥式吊车亦或厂房内有能够产生较大振动荷载的设备，均应设置纵向水平支撑。 

　　4.门式刚架荷载取值 

　　在计算门式刚架受力情况时，屋面活载按满布考虑，其结构安全性、用钢量均会随着屋面活荷载取值变大而增大。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定：屋面采用压型钢板轻型屋面，则屋面竖向均布活荷载标准值取0.5KN/m2（包括屋面檩条、屋面板的计算）；当门式钢架受到荷载水平投影面积>60m2时，屋面竖向均布活荷载标准值允许取0.3KN/m2；对于屋面恒荷载，主要是考虑屋面板、屋面檩条、屋面保温层、屋面吊顶等固定存在的荷载；对于设置屋顶喷淋系统的荷载，为安全考虑，建议按活荷载取值。 

　　5.结构体系抗震设计 

　　虽然钢结构厂房由于材料本身具有良好的抗震性能，如果设计不合理，当厂房遭受较大地震时，也会造成严重破坏。所以要采用必要抗震的构造措施。 

　　钢结构厂房抗震设计时应注意如下问题：1）平面布置方面，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刚接连接的框排架，使得钢结构的受力性能得到充分利用并能减少结构体系横向变形。2） 钢结构厂房的破坏一般情况不是由于杆件强度不足，而常常是因为杆件受压失稳而造成的。3）对于钢结构厂房的抗震概念设计，同样存在“强节点，若构件”的设计理念。对与钢结构连接节点，应保证其破坏不先于结构构件的全截面屈服，应使杆件能进入塑性工作区段，充分吸收地震能量，发挥其抗震能力。4）当抗震设防烈度为7度～8度时，宜采用钢筋混凝土墙板或轻型墙板，如压型钢板复合板材、石棉瓦、瓦楞铁等。 

　　6.隔热及防火设计 

　　钢材受热温度在100℃以上时，随着温度的升高，钢材的抗拉强度逐步降低，钢材塑性逐步增大；当温度在250℃左右时，钢材抗拉强度略有提高，而塑性却降低，出现蓝脆现象；当温度超过250℃时钢材出现徐变现象；当温度达500℃时，钢材强度降至很低，以致钢结构整体塌落。因此，当钢结构表面温度处于150℃以上时，必须做隔热及防火设计，常用做法一般有两种：1）在钢构件外包耐火砖，增设混凝土保护层或专用防火板材；2）采用防火涂料，防火涂料分为厚涂型和薄涂型两种，涂料厚度应按《钢结构防火涂料应用技术规程》以及《建筑设计防火规范》的规定选取。 

　　结语 

　　随着科技的不断发展，越来越多的设计工艺以及先进技术将被应用到钢结构厂房的设计中，但是，只有将老问题一一解决完，才能更好的结合新技术，将我国钢结构厂房设计水平提升到一个新的高度。作为钢结构工程设计人员，应该经常到施工现场走走，多下车间转转，跟生产施工一线的工人沟通交流，了解钢构件在制作安装过程中存在的难点，对设计中存在不足的地方进行调整，这样才能建造出具有一定影响力的精品工程。 

　　参考文献 

　　[1] 邱鹤年. 新编钢结构设计手册北京：中国电力出版社，2005. 

　　[2] 李星荣魏才昂. 钢结构连接节点设计手册北京：中国建筑工业出版社，2005. 

　　[3] GB50017-2003，钢结构设计规范. 

　　[4] CECS 102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程. 

　　[5] GB50011-2010，建筑抗震设计规范.