工业建筑中钢结构的应用与设计

吴艳杰

摘要：随着我国经济、技术的迅速发展和进步，钢结构已逐步成为各类工程结构中被广泛应用的建筑结构，如工业建筑、文化体育建筑、城市现代化建筑以及城乡住宅建设等。本文对工业建筑中钢结构的应用与设计进行了阐述。

关键词：工业建筑钢结构应用 设计

中图分类号：S611文献标识码： A

一、工业建筑中钢结构的应用现状

当前，在我国工业建筑领域中，相比混凝土结构而言，由于钢结构自重较轻、抗震性能优良且结构强度高，又便于进行工业化批量生产，是一种能够进行循环使用又能达到节能环保的一种建筑结构，也符合我国经济可持续性健康发展的潮流，又能很好的满足我国建筑工业化的要求。因此，在高层建筑、轻钢结构住宅建筑中发挥着越来越多的优势。另外，由于钢结构的建设周期短且在大跨度结构工程中的优势较为明显，各类钢结构体系被广泛应用于各类工业建筑建设中。如：平板网架结构在工业与民用建筑中得到了广泛采用，技术已非常成熟；与此同时，网壳等其他空间钢结构也取得了迅速发展，如：上海体育场屋盖结构，采用马鞍形大悬挑钢管空间结构，长轴为288.4m，短轴为274.4m，中间敞开椭圆孔的长轴为213m，短轴为150m，屋盖面积为36100m2。64榀悬挑主衍架的一端分别固定在32根钢筋混凝土柱上，最大悬挑跨度达73.5m，为世界同类型建筑中悬挑跨度最大的屋盖结构。另外，冷弯薄壁型钢构件在工业与民用建筑中的应用（如檩条、墙梁、屋面板、墙板等）日益普遍。门式刚架轻型房屋钢结构在吊车起重量较小（Q≤20 t）和无吊车的厂房、仓库及需要大空间的民用建筑中的应用迅速推广，并在继续发展。

二、钢结构在工业建筑的应用优势

在现实生活中，钢结构在工业建筑的运用优势，得到了社会各行各业的重视，钢结构的施工速度是比较快的，通过对钢结构构件的有效应用，促进其大批量生产，满足其在实际工作中的需要，有利于其在施工环节的优化，促进其安装的便捷性，促进其施工周期的有效缩短，满足实际工作的需要。由于钢结构相对于钢筋混凝土结构来说，本身的重量比较低的，这有利于促进建筑物结构质量的优化，以更有利于实际工作的有效展开。其建设适应性是非常强的，比较适合一系列的较低的地基承载力环节及其地震烈度较高的区域，钢结构的应用，有利于促进企业综合效益的提升，其与传统的钢筋混凝土结构相比，也具备更加环保性，促进其钢结构体系的内部环节的不断深化，满足环保型绿色建设发展的需要。

三、钢结构的设计中的性能要求

1、抗震性能

我们在设计的过程中也要对钢结构进行抗震性能设计的优化，促进其钢结构抗震性能的提升，以满足实际工作的需要。因此，在设计的过程中，应根据地理环境的不同，考虑结构的抗震等级及要求，合理考虑结构的整体稳定性，特别的梁柱布置的合理性和整体稳定性，应考虑在地震作用下或者想风荷载的作用下要满足规范的要求，确保钢结构的受力性能的提升，保证其变形能得到有效控制。

2、防火性能

我们在设计钢结构工业建筑的时候，还应考虑钢结构的防火要求，因为钢结构的耐火能力是很差的，当钢材受热在100℃以上时，随着温度的升高，钢材的抗拉强度降低，塑性增大；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，以致钢结构塌落。因此，在设计钢结构工业建筑时，必须做隔热及防火设计。

四、钢结构设计步骤

1、判断结构是否适合用钢结构

钢结构现在运用广泛: 用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大重型厂房、大小车间等。要求能活动或经常装拆的结构,其使用建设也常常与经济性结合,随着社会的逐步发展,钢结构将慢慢成为环保节能的新趋势。

2、结构选型与结构布置

在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“ 概念设计” ,它在结构选型与布置阶段尤其重要,对一些难以做出精确理性分析或规范未规定的问题, 可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想, 从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确,并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。

3、预估截面

钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H 型钢截面等。根据荷载与支座情况,其截面高度通常在跨度的1 /2 0 一1/50 之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/h 限值确定时, 可回避钢梁的整体稳定的复杂计算,这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后,其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

4、钢结构的构件设计与节点设计

构件设计首先是材料的选择。比较常用的设计是 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。从经济上考虑,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。构件设计中, 现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这与结构内力计算的弹性方法并不匹配。当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。

五、钢结构设计中应注意的问题

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。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。

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15KN/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10KN/m2考虑就可以，这就大大降低了用钢量，节约造价。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。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、钢结构工业厂房的防火设计

钢结构的耐火性能很差，但是钢材本身并不燃烧，只是火灾高温下，钢材的强度和刚度都明显下降，以致难以承受荷载，并最终导致整个结构的垮塌。在 200℃以内，钢材性能没有很大变化；在430-540℃之间强度急剧下降；600℃时强度很低不能承担荷载。正是由于钢材的这种物理性能，火灾情况下，当温度达到 450-650℃时，钢结构就会失去承载能力，发生较大变形，导致钢柱、钢梁弯曲，最终因变形过大而不能继续工作，甚至垮塌。

结语：

钢结构作为一种强度和柔度都很大的结构形式，在设计过程中首先应该注意的是结构方案的合理性，结构刚度分配要均匀，抗侧力性能要强。另外，要考虑钢结构节点的设计是否合理决定了钢结构工业建筑的安全性，在结构分析前就应该有充分的思考与确定。

参考文献：

[1]曲显清.工业建筑H型钢梁焊接变形的原因分析及控制措施探讨[J].广东建材，2010，26(5)

[2] 徐敏,李秋起.防止钢结构脆性破坏的措施[J]. 中国建筑金属结构. 2008(01)