關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)研究

張琳

中鐵十一局集團(tuán)漢江重工有限公司 湖北 襄陽 441004

摘 要：隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的大力發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房以其施工速度快、承載力高、抗震性能好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被各行各業(yè)廣泛采用。但是因?yàn)楣I(yè)廠房是企業(yè)生產(chǎn)加工的主要場所，廠房的結(jié)構(gòu)性能對企業(yè)的日常生產(chǎn)活動有很大的影響。而本文就筆者自身工作經(jīng)歷總結(jié)出鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中存在的不足，并同時提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)的建議。為今后的發(fā)展帶來參考。

關(guān)鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu)；廠房；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

近年來，我國的建筑工程建設(shè)事業(yè)也在快速地發(fā)展著，同時由于近些年我國彩色鋼的產(chǎn)量增加，輕型鋼逐漸在建筑工程中的應(yīng)用越來越普遍，已經(jīng)成為現(xiàn)代大跨度廠房的首選了。輕型鋼門式鋼架結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是普遍存在的，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，是其他一些建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所無法比擬的。但是這種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在某些地區(qū)目前還不是很成熟，在建筑工程中的應(yīng)用不是很好。因此，為了更大范圍的發(fā)揮這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，確保這種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，我們就需要對該種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，克服在輕型鋼門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，掌握其設(shè)計(jì)技術(shù)，使輕型鋼門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到更大的發(fā)展。

1 輕鋼結(jié)構(gòu)典型優(yōu)勢

輕鋼結(jié)構(gòu)屬輕型鋼結(jié)構(gòu)的一種類型，其結(jié)構(gòu)體系，簡言之，是由鋼架為承重結(jié)構(gòu)，配套輕型屋蓋和墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的支撐系統(tǒng)所組成的結(jié)構(gòu)體系[1]。輕鋼結(jié)構(gòu)和其他材料的結(jié)構(gòu)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1.1 自重輕

輕鋼框架結(jié)構(gòu)重量比很高，墻厚較薄，因此可以使房屋的跨度達(dá)到很大，鋼材可根據(jù)不同用途合理分配截面尺寸的高寬比，使用面積較其他結(jié)構(gòu)要提高很多。這種截面模數(shù)大，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和優(yōu)越的使用性能，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。輕鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比，自重約為后者的一半。在工程設(shè)計(jì)中可以根據(jù)實(shí)際情況達(dá)到個性化的要求。

1.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，抗震性能突出

輕鋼框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，鋼梁、鋼柱組成柔性框架，可充分發(fā)揮鋼材強(qiáng)度高、延性好、塑性變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，以吸收部分地震能量，房屋的抗拉伸、扭曲、震動的能力得以強(qiáng)化。一般而言，其抗震能力是磚混結(jié)構(gòu)的2倍以上，在高烈度的地震災(zāi)害后，用于修復(fù)的費(fèi)用減少。而且適合建造在各種地質(zhì)條件的地基上，提高了結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

1.3 施工速度快

一般情況下，輕鋼框架結(jié)構(gòu)建筑的施工由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，構(gòu)件加工制作工業(yè)化，另外加上現(xiàn)場安裝施工的過程中不受氣候影響，簡單快捷，時間相對鋼混結(jié)構(gòu)住宅縮短工時1/3～1/2，加快了資金周轉(zhuǎn)，大大提高了投資回報(bào)速度[2]。

2 輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 鋼架最優(yōu)柱距的確定

鋼架的柱距與鋼架的跨度、屋面荷載、檁條形式等因素有關(guān)。隨著鋼架柱距的增大，鋼架用鋼量是逐步下降的，但當(dāng)柱距增大到一定的數(shù)值后，鋼架的用鋼量隨著柱距的增大其下降的幅度較為平緩，而其他如檁條、墻梁的用鋼量隨著柱距的增大而增加，就房屋的總用鋼量而言，隨著柱距的增大先下降后上升。大量計(jì)算數(shù)據(jù)表明：一般情況下，門式鋼架的最優(yōu)柱距為6~9 m，柱距不宜超過9m，超過9m屋面檁條與墻梁體系的用鋼量增加太多，綜合造價并不經(jīng)濟(jì)。因此，從綜合分析的角度看，確定合理的柱距才能既節(jié)省鋼材，又使設(shè)計(jì)真正做到定型化、專門化、標(biāo)準(zhǔn)化以及輕型化，從而推動門式鋼架輕型房屋結(jié)構(gòu)體系在我國的發(fā)展。

2.2 合理跨度的確定

在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)具體房屋的高度來確定合理的跨度，總體來說，當(dāng)荷載和柱高一定時，我們在設(shè)計(jì)中就應(yīng)適當(dāng)加大房屋的跨度，這樣一來，鋼架的用鋼量整體增加不明顯，但卻很大程度上節(jié)省了空間。通過大量計(jì)算得出：當(dāng)檐口高度為7m、柱距8.5m，荷載情況完全一致的情況下，跨度在18~48m之間的鋼架單位用鋼量為18~35kg/m2，當(dāng)檐口高度為12m時（其他情況相同），跨度在18~48m之間的鋼架單位用鋼量（Q235-B）為25~40kg/m2，因此，在工藝要求允許的情況下，設(shè)計(jì)人員選擇方案時應(yīng)選擇較為經(jīng)濟(jì)合理的跨度，不宜盲目追求大跨度[3]。

2.3 截面優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)截面優(yōu)化的方法主要有兩種：

（1）窮舉法。首先仔細(xì)計(jì)算和比較各種合理的構(gòu)件截面形式，并在滿足具體設(shè)計(jì)要求的情況下，以用鋼量最少或造價最低作為控制條件，得到滿意的截面尺寸。門式鋼架常采用變化構(gòu)件的截面來適應(yīng)彎矩的變化以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。除腹板的高度變化外，厚度也可根據(jù)需要變化，上、下翼緣可以用不同截面，相鄰單元的翼緣也可采用不同的截面形式。因此，影響整個鋼架用鋼量的因素有上、下翼緣寬度、厚度，腹板的厚度，構(gòu)件大頭、小頭的高度，而且這些因素之間也互相影響，互相不獨(dú)立。工程設(shè)計(jì)從形式上來說，是一種非常嚴(yán)格的力學(xué)和數(shù)學(xué)方法的精確運(yùn)算過程。

（2）用最優(yōu)化理論。首先可以把問題歸納為一個單目標(biāo)的問題，用鋼量最少或造價最低最為優(yōu)化的具體目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)力、位移等可以作為約束條件，最后用我們的數(shù)學(xué)方法得到最滿意的解釋。

事實(shí)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起重要作用的并不是那些運(yùn)算方法和數(shù)學(xué)處理，而是一系列難以用精確的計(jì)算解決的、具有主觀色彩的決策問題。所以，完全用最優(yōu)化理論來解決截面優(yōu)化設(shè)計(jì)有很大的復(fù)雜性。當(dāng)設(shè)計(jì)人員決定了結(jié)構(gòu)形式后，截面優(yōu)化比較簡單易行的方法是按照構(gòu)件的內(nèi)力來調(diào)整截面尺寸，經(jīng)過試算來確定重量最小的截面。這種方法不但計(jì)算次數(shù)少，而且可以人工干預(yù)截面優(yōu)化范圍，快速得到比較理想的截面尺寸[4]。

2.4 柱腳設(shè)計(jì)

輕鋼結(jié)構(gòu)柱腳形式有兩種：即鉸接柱腳和鋼接柱腳。對于鉸接柱腳，基礎(chǔ)僅受軸心荷載作用，設(shè)計(jì)相對比較簡單。但部分輕鋼節(jié)結(jié)構(gòu)廠房都有吊車，依據(jù)《輕鋼結(jié)構(gòu)鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：用于工業(yè)廠房且有5t以上的橋式吊車時，宜將柱腳設(shè)計(jì)成鋼接；《技術(shù)措施結(jié)構(gòu)2003》規(guī)定：當(dāng)設(shè)有橋式和梁式吊車時，輕鋼結(jié)構(gòu)鋼架柱宜采用等截面構(gòu)件，柱腳應(yīng)設(shè)計(jì)成鋼接。因此5t以上的橋式和梁式吊車的門鋼結(jié)構(gòu)柱腳應(yīng)設(shè)計(jì)成鋼接；3t及以下懸掛式吊車和無吊車的門鋼結(jié)構(gòu)，柱腳才可以設(shè)計(jì)成鉸接。有較大吊車的房屋，柱頂位移較大，柱腳采用鋼接，使得每榀鋼架形成超靜定結(jié)構(gòu)，不但能減小柱頂位移而且具有更大的安全儲備。對于高寬比和風(fēng)荷載較大的無吊車門鋼結(jié)構(gòu)，柱腳也宜設(shè)計(jì)成鋼接[5]。

同時當(dāng)柱底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩阻力不足以抵抗全部的水平剪力時柱腳還應(yīng)設(shè)置抗剪鍵，抗剪鍵的設(shè)置需要計(jì)算。在基礎(chǔ)施工時應(yīng)留置鍵槽，鍵槽每側(cè)寬出抗剪鍵不小于30 mm，底部空隙高度不小于20mm。在柱腳底板和基礎(chǔ)頂面之間留有一定空間，柱腳鉸接時不宜大于50 mm，柱腳鋼接時不宜大于100 mm[6]。

3 結(jié)束語

輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說具有十分重要的作用，對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展也是具有重大意義的，因此我們應(yīng)該加強(qiáng)對于輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討。由于我國在建筑行業(yè)，特別是在輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑方面的發(fā)展還不是很好，在施工設(shè)計(jì)中還存在著很多的問題，因此，應(yīng)該在輕鋼廠房的設(shè)計(jì)方面多做研究。并且由于我國的輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的需求量不斷增加，做好輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)就會更加重要。

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[4] 徐可心,楊金澄.淺談輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)吉林省土木建筑學(xué)會[J].2011年學(xué)術(shù)年會論文集,2011,(12):32-35.

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