厂房设计中钢结构的应用与设计探讨

宋好婷

摘要：随着社会的不断发展与进步，重视钢结构厂房设计问题具有重要的意义。文章结合工程实践针对普通钢结构厂房设计中的几个问题进行了分析和探讨，包括钢材的保温隔热与防火、结构整体计算等，以便对类似工程的设计提供参考。

关键词：钢结构 厂房设计 注意问题 保温 防火

中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：

Abstract: with the continuous development of society and progress, and pay attention to the steel structure plant design problem is of great significance. Combined with the engineering practice in ordinary steel structure workshop several problems in the design were analyzed and discussed, including the steel thermal insulating and fire prevention, the structural calculation, etc, so as to provide a reference for the similar projects design.

Keywords: steel structure plant design problems in the heat preservation fire prevention

引言

随着国家经济的快速发展，钢结构在建筑领域起到了举足轻重的作用，扮演着越来越重要的角色，无论在工业还是民用建筑中，钢结构以其突出的特点迅速地占领着越来越广的市场。其特点有：其整体刚度和抗震性能好、施工速度快、自重轻、承载力高，在大跨度及超高层建筑中代替了钢筋混凝土结构，但也存在着防火性能差、易腐蚀等缺点，在设计中根据其特点扬长避短才能更好地发挥钢结构的作用，现在就钢结构工业厂房在设计中的几个问题作简单阐述。

一、钢材的保温隔热与防火措施探讨

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。或者钢结构刷厚涂型防火涂料，厚度按《钢结构防火涂料技术规程》计算。

有效的防火分区是建筑必须采取的保护措施之一。防火分区可以在厂房内部防止火势向其他区域蔓延、扩散，有效地控制火灾的范围。不过对于现代钢结构厂房的大跨度、大空间及其所需要的生产工艺流程来说，防火分区的设置具有一定难度。常用的分区方法有以下几种：

1、防火墙。在生产工艺流程和生产管理中没有特殊要求的情况下，采取防火墙是简单、有效并且.造价低廉的一种方法。

2、防火门。防火卷帘，可用于小跨度分区中。

3、自动喷水灭火系统。在只需分两个分区及厂房高度不超过8 m的情况下，可设置自动喷水灭火系统，使所允许的防火分区面积增加一倍，以达到规范要求。

4、独立水幕。这是一个较好的分区方法，不存在跨度问题，水幕喷头防火水幕带宜采用喷雾型喷头，也可采用雨淋式水幕喷头，喷头的排列不应少于3排，防火水幕带形成的水幕宽度不宜小于5m，流量21./ (s-m)。但存在维护保养困难的问题，为防止误操作，应采取人工、自动两种启动方式。

5、防火带。由于生产工艺流程和生产管理需要而无法设防火墙时，可设防火带进行防火分区。即在有可燃构件的厂房中划出一段区域，这个区域内的构件全部采用不燃性材料，并采取措施防止烟火在分区间流窜，也可起到防火分隔的作用。

二、钢结构相关设计计算注意事项分析

按排架结构进行计算，有几个设计要点需要注意：

1、基础。

除发生冲切、剪切破坏之外，还存在较大的弯矩作用，从而导致基础产生倾覆和滑移破坏。在风荷载较大的情况下，特别对于一些敞开和半敞开的结构，轻钢结构自重很轻，有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力，导致基础上拔破坏。为了防止这些破坏的发生，最经济有效的办法是增加基础埋深，对于轻钢结构基础，还须预埋地脚螺栓，用于上部结构和基础的连接，若锚栓离混凝土基础边缘太近，会产生基础劈裂破坏，因此，锚栓离基础边缘的距离不得小于150mm，若锚栓长度过短，会使锚栓从基础中拔出，导致基础破坏，所以规范也规定了锚栓埋入长度。

2、 柱脚。

柱脚为刚性固定连接，刚性固定连接分为三种形式: 露出式柱脚、埋入式柱脚、包脚式柱脚，本设计采用了露出式柱脚即靴式柱脚，在设计手册中有详细的计算过程，可以做到精确计算，对于跨度较大，吊车荷载吨位较高的情况，认为采用埋入式更为合适，对提高和确保钢柱脚和钢筋混凝土基础或基础梁的组合效应和整体刚度有利。

3、牛腿处设钢系杆。

下柱截面高度为1100mm，吊车梁与牛腿连接距下柱形心距离偏心太大，不能保证柱的侧向稳定，所以在牛腿标高处增设钢系杆，以减小柱的计算长度，以防柱失稳，计算时考虑与吊车梁共同传递纵向水平力，同时作为排架柱的侧向支撑点。钢系杆截面计算如下：

当支撑杆位于距柱端αl处时( 0 ＜ α ＜ 1) ，

Fb1 = N/240α( 1 － α)

式中：N———被撑构件的最大轴心压力。

4、屋架。

对于具体工程，屋架设计时应考虑到排架柱对屋架下弦产生的附加拉力或压力，以及在吊车荷载设计值和永久荷载标准值组合下下弦杆是否受压，如受压时其长细比不宜超过200，根据具体情况对下弦杆进行强度和稳定性验算。当风荷载较大，屋架下弦杆在永久荷载标准值和风吸力荷载设计值共同作用下受压时，为满足λ≤200，可加密下弦系杆。

三、屋面支撑系统及屋面设计

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垂直支撑；在无檩体系中，大型屋面板有三点和屋架焊接，可起到上弦支撑作用，但考虑到施工条件的限制和安装需要。无论有檩或无檩体系屋盖均应在屋架上弦和天窗架上弦设置上弦横向支撑。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或厂房内有较大振动设备的均应设置纵向水平支撑。

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。

目前，市场上钢结构屋面的做法常用的有两种：①刚性屋面：双层彩色压型钢板内夹保温棉；②复合柔性屋面：由屋面彩钢板内板、隔气层、保温层、卷材防水层组成。

四、钢结构立面设计

轻钢结构的建筑主要有把握以下四个方面的特征：规模、线条、色彩、变化。

钢结构厂房的立面主要由工艺布置来决定，在满足工艺的要求下力求立面简洁恢宏同时使节点尽量简单统一。彩色压型钢板使得轻鋼厂房的建筑表现得体形轻盈色彩丰富，明显优于传统钢筋混凝土结构的沉重单一。在轻钢厂房的设计中常采用跳跃性色彩和冷色调，重点突出主要出入口、外天沟、收边泛水等地方，既体现了现代化厂房的恢宏气势，又丰富了立面效果。

传统的钢筋混凝土结构厂房，外墙维护为砖砌体，外装修为涂料或面砖，辅以色带，由于混凝土屋面设置采光窗效果不理想，设计时通常在墙面设置大量的采光窗。但对于维护墙为彩色压型钢板的钢结构厂房来说则不然。线条是表现轻钢结构建筑风格最独特的特征，均匀的线条或横或竖，使得轻钢结构建筑富有流畅的金属质感，体现了强烈的现代工业气息。若在墙面设置大量采光窗，则破坏了墙面的线条造型，同时，轻钢结构屋面可以大量使用屋面采光板，采光均匀，同时兼可解决厂房通风问题。

五、钢结构防锈处理

钢结构表面直接暴露在大气中就会锈蚀，当钢结构厂房空气中有侵蚀性介质或钢结构处在潮湿环境中时，钢结构厂房锈蚀就会更加明显和严重。

钢结构的锈蚀不仅会使构件截面减小，还会使钢构件表层局部产生锈坑，当构件受力时将引起应力集中现象，使结构过早破坏。因此，对钢结构厂房构件的防锈蚀问题应予以足够的重视，并应根据厂房侵蚀介质情况和环境条件在总图布置、工艺布置、材料选择等方面采取相应对策和措施，以确保厂房结构的安全。

一般钢结构的防腐常采用防锈底漆和面漆，涂装层数及厚度常根据其使用环境和涂层性质来决定。一般室内钢结构在自然大气介质作用下，要求涂层厚度100μm，即底漆两道，面漆两道。露天钢结构或在工业大气介质作用下的钢结构，要求漆膜总厚度为150μm～200μm。且在酸环境中的钢结构要求使用氯磺化防酸漆。钢柱柱脚在地面以下部分要用不低于C20的混凝土包裹，其保护层厚度不小于50mm。

结语

今后，随着钢结构设计和施工技术的日益成熟，钢结构建筑必将得到更大发展。设计师也要与时俱进，把握时代脉搏，掌握钢结构设计的新理念，做出更经济、更合理、更低碳环保的钢结构设计。总之，钢结构厂房在满足工艺布置的前提下，选择合适的结构体系能使结构受力合理、安全可靠，且能有效降低结构造价。

参考文献：

【1】《钢结构设计手船》编辑委员会．钢结构设计手册(第三版)【K】目．北京：中国建筑工业出版社，2004．

【2】GB50009-2001建筑结构荷载规范(2006年版)【S】．

【3】GB50011．2001建筑抗震设计规范(2008年版)【S】．

【4】崔佳，等．钢结构设计规范理解与应用．北京：中国建筑工业出版社，2004．