工业厂房钢结构设计体会

刘震

煤炭工业郑州设计研究院有限公司，河南郑州市 450007

工业厂房钢结构设计体会

刘震

煤炭工业郑州设计研究院有限公司，河南郑州市 450007

随着现代化工业生产的大力发展，钢结构工业厂房因其施工速度快、自重轻、抗震性能好、环保等特点在建筑工程中被广泛认可。笔者结合在工业建筑钢结构设计过程中的体会，总结出了一些设计中应该注意的问题，希望对设计人员及施工人员有所帮助,以便同行参考与交流。

工业厂房；钢结构；设计；力学计算

前言

随着我国工业经济的飞速发展，各行业厂房设计向着大跨度、大柱距和大吨位方向发展。很长一段时间以来,我国的工业厂房建筑主要以钢筋混凝土为主，钢结构由于具有强度高、塑性好、自重小、施工工期短、制作方便、节能环保等优点，近几年来，在国内外钢结构新工艺、新技术的发展和推广的基础上，高强度板材、高效防火、防腐涂料在工业建筑中大量应用，从而使钢结构在工业建筑领域得到较快的发展。在工业建筑结构设计中,每个设计者的经验不同,对规范的理解不同,在处理某个设计问题时,也就会采取不同的处理方法。本文结合笔者在工业建筑钢结构设计过程中的体会，总结出了一些设计中应该注意的问题，希望对设计人员及施工人员有所帮助,以便同行参考与交流。

1 钢结构的应用特点

钢结构分重钢和轻钢，目前业界还没有一个统一的判定标准。一般认为厂房行车起吊重量大于或等于25吨，就是重钢结构了。有的按照用钢量比来看，即每平方米用钢量大于或等于50K G/m2，就认为是重钢结构。一般重钢结构主要应用于如电厂厂房、石化厂房等大跨度的工程，轻钢主要应用于轻型的仓库、工业厂房、货场、站棚等，此类钢结构建筑每年需求量大约在600万以上，并呈逐年快速增长之势。

1.1 钢结构自重轻、布置灵活

钢结构的容重虽然较大，但与其它建筑材料相比，同样跨度、同样荷载时，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3，而且钢结构方便运输、吊装，可以降低运输成本。其次，钢结构可以满足工业厂房建筑设计的大跨度要求，最大的跨度可达48m左右。同时，在梁高相同的情况下，钢结构的开间可比混凝土结构的开间大55%左右，可以使柱网的布置更加灵活。

1.2 钢结构拆、装简便，施工速度快

钢结构由专业化金属构件厂生产构件(梁、屋架、柱等)，其机械化生产程度高，精度和质量可以保证。当制成的构件运到现场进行组装时，现场通常只需进行螺栓和紧固件的安装，很大程度地节约了人力成本，且施工速度快，大大减少建设周期，经济效益明显。

1.3 钢结构空间利用率高、绿色环保

由于钢结构网架结构形成的屋面下部空间较大，可布置各种管道，如通风管道、空调冷水管道、消防管道、采暖管道、给水管道、压缩空气管道等，因此，钢结构设计可以充分利用建筑空间，节约相应的投资。且钢材本身是一种高强度和高效能的材料，钢结构安装属于干式作业，没有噪声和粉尘污染；已建成的钢结构也容易拆卸，同时还可以回收再利用，具有很高的再循环利用价值。

2 工业厂房钢结构设计准备工作

2.1 结构判断

在设计准备阶段，设计人员应根据企业提供的资料信息进行分析、判断所要设计的厂房是否适合采用钢结构，根据设计经验发现并不是所有的工业厂房都适合钢结构形式，若盲目地选择钢结构设计，会给建筑造成一定的安全隐患。

2.2 结构评估

结构评估是通过建立相应的力学模型来分析构件截面的具体参数，钢结构厂房的结构预估是对梁柱支撑的断面参数进行分析和设定，然后再确定钢梁是否选择槽钢、轧制、焊接H型钢等截面。

2.3 结构分析

工业厂房钢结构分析是很重要的流程，结构评估完成以后，设计人员则可分析厂房的钢结构是否符合施工要求，可以对重要的参数再次进行核对，分析工程周期、总剪力、结构变形、安全隐患等。

3 工业厂房钢结构设计中应注意的问题

3.1 厂房的钢结构设计与工艺设计相协调

钢结构工业厂房是企业生产区域的一个模块，厂房都是为生产服务的。厂房结构设计不符合要求常表现为:钢支架分布不合理，墙体厚度、高度、宽度指标不足等。钢结构的形式包括空间桁架、框架、平面桁架、轻钢、索膜、网架、塔桅等，设计师应根据企业的建厂条件和具体要求选择结构，对于悬挂荷载偏大的应选择网架结构，从而减小建筑荷载。此外，厂房结构选型还可以通过采用不同的材料来做支撑结构，具体选择应根据其使用要求，合理选择焊接钢管、无缝钢管等材料来满足结构需要。无缝钢管具有中空截面，可以用作输送流体的管道；钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭等强度时，由于其质量较轻，用于厂房结构可增强钢结构的稳定性。因此，在厂房设计中首先要满足工艺要求，结构设计也一定要满足工艺条件，特别是在方案设计阶段，设计人员应多参与工艺协调，多了解工艺布置，以便减少设计和施工不必要的麻烦。而一些企业在进行钢结构厂房设计时，没有从大局上把握设计思路，造成厂房占地位置划分不合理或企业生产区域的面积不能充分利用。

3.2 结构计算时应多因素考虑

目前结构计算大多采用结构设计计算程序进行计算，如何对计算结果进行分析、评价是一个非常重要的方面，必须根据工程设计的经验对计算结果进行分析和判断。荷载计算是结构计算的前提条件，荷载取值的准确性直接关系到结构计算结果的可靠性，工艺条件中的荷载问题，如某个工程工艺提出楼面均布荷载为15K N/m2，而根据工艺的设备重量和布置图，根据规范给出楼面等效荷载的计算方法，计算出的楼面均布荷载按10K N/m2考虑就可以。但近两年来，我国大部分地区常出现强降雪天气，导致很多厂房、场馆倒塌，因此设计人员一定要根据当地的雪荷载情况取其中的最大值，以确保建筑安全。其次，强柱弱梁是设计要遵循的原则，强节点弱构件也是要重点考虑的问题。在很多情况下，构件满足设计要求，但是节点却不能满足抗震要求。强柱弱梁指节点处柱端实际受弯承载力要大于梁端实际受弯承载力，由于厂房的梁柱中心线一般不能重合，而且柱的截面和节点偏心都比较大，对柱节点核心区的构造和受力往往都有一定的不利影响。此时我们一般采用增大柱端弯矩设计值的方法。其目的表现在调整后，柱的抗弯能力比之前强了，而梁不变，即柱的能力提高程度比梁大，这样梁柱一起受力时，梁端可以先于柱屈服。

3.3 钢结构工业厂房的防火设计

钢结构工业厂房防火能力比较差，当钢材受热温度在100℃以上时，随着温度的升高，钢材的抗拉强度会降低，塑性会增大；当温度超过250℃时，钢材就会出现徐变现象；当温度达到500℃时，钢材强度立即会降到很低，甚至会导致工业厂房塌落。因此，我们一定要依据《建筑设计防火规范》，确定出厂房生产火灾危险性等级，从而使钢结构达到防火等级的耐火极限要求。同时，设计人员在设计时要选用钢结构防火保护方法对钢结构采取相关的保护。目前，钢结构厂房保护最常用的方法是在钢结构表面涂上钢结构防火涂料，发生火灾时它可以作为耐火隔热保护层，从而提高钢构件的耐火极限，满足国家相关规范的要求。

4 结语

钢结构设计是一项非常复杂的工作,在严格遵守有关设计规范的前提下，既要满足建筑的安全性、适用性和耐久性等可靠性要求,还要考虑平面布局和结构选型合理性，以及荷载取值的准确性。通过几年的工程实践，笔者有以下几点体会，往往在设计方案选择时会产生一些矛盾，设计规范的条文不可能覆盖到每一种情况，设计人员需考虑多方面问题，在分析和比较中寻找更合适的方案。总之，做好工业厂房钢结构设计的关键在于弄清楚各种概念、结构选型要合理、结构计算要准确，施工图的设计应与现场施工相结合，施工安全和质量必须严格按规范和要求进行执行。只有这样，才能呈现安全、经济、适用的作品。

[1]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:科学出版社,1998.

[2]中华人民共和国国家标准,钢结构设计规范GB50017-2003[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

刘震（1981年5月14日），男，本科，河南省郑州市，工程师，现任职于煤炭工业郑州设计研究院有限公司，主要从事矿山土建设计工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.040