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鋼結構工業廠房結構設計要點

     在工業廠房設計中,現多采用鋼結構。其具有自重輕,跨度大,柱網布置靈活與工藝便于銜接,且構件可在加工廠加工制作,施工周期短,工程質量易予保證等特點。但鋼結構廠房也具有易腐蝕、耐熱性差,穩定性較差等缺點。在工業廠房整體設計中應重點考慮隔熱、排水、通風等方面的問題,結構設計中應重點對結構體系、結構構件、連接節點進行控制。根據其特點揚長避短更好地發揮鋼結構廠房的作用。

    一、鋼結構工業廠房在整體設計中需考慮的問題。
    1.鋼材的保溫隔熱與防火
    鋼材具有很高的導熱性能,其導熱系數為50w(m.℃),當受熱達到100℃以上時,其抗拉強度就會降低,塑性增大;溫度達到250℃時,鋼材抗拉強度會稍提高,但塑性卻降低,出現藍脆現象;溫度達到500℃時,鋼材強度降至很低,會致使鋼結構塌落。所以當鋼結構所處環境溫度達到150℃以上時,就必須做隔熱防火設計。其做法一般為:鋼結構外側包耐火磚、混凝土或硬質防火板材,或者鋼結構刷防火涂料,厚度按《鋼結構防火涂料技術規程》計算。
    2.屋面防水及排水設計
    屋面的排水及防水設計在屋面設計中需重點考慮,根據《屋面工程技術規范》的規定,屋面坡度最小為5%,在積雪較大的地區,坡度應適當加大。單坡屋面的長度主要取決于所在地區的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據工程設計經驗,單坡屋面長度宜控制在70m以內。
    大跨度屋面,彩鋼板外板板型建議采用角馳型,板間360度鎖口連接,屋面無射釘,從而減少屋面滲漏點。該板型具有溫度調節性好,現場作業簡單等特點;還能避免現場打孔飛濺鐵屑部位引起彩板銹蝕。屋頂風機出風口建議靠近屋脊部位設置,以方便開孔處另附加彩板泛水。采光帶部位可采取局部檁條墊高,彩板上翻等方式,局部形成彩板高差,有效避免不同材料連接部位的雨水滲漏。當采光帶與彩板間搭接連接時,應保證采光帶板型與彩鋼板板型一致,且搭接寬度不得小于一個波峰及波谷。
    屋頂排水分為自由排水、內天溝、外掛天溝等排水方式,根據雨水的排放形式,分為重力流排水、虹吸排水。因絕大部分屋面滲露及倒灌均發生在天溝部位,且內天溝排水所發生的費用又很高,故屋面形式設計時應盡可能的減少內天溝的數量。內天溝的排水可采取雨落管集水至地下排水溝排水,也可采用廠房內設置橫吊管分段匯集外排水形式,還可采用天溝內設虹吸斗,虹吸排水。一般工業廠房內均有天車,地下設備基礎及管道縱橫,故現較多的采用后兩種排水方式。當廠房單體較小時,且天車頂部距離廠房頂部空間足夠時,可采取橫吊管排水。當廠房單體較大,縱向尺寸較大,屋面匯水面積較大時,可采用虹吸排水。虹吸排水的工作原理如下:當屋面雨水量較小時,虹吸斗未淹沒,雨水管內雨水為重力流;當暴雨來臨時,虹吸斗被淹沒,雨水管內形成虹吸有壓排水,雨水可較快的排出;從而有效避免雨水倒灌的問題。當選用虹吸排水時,應注意天溝內高度及寬度滿足虹吸斗淹沒要求,且屋面檁條應墊高,以配合天溝高度,F階段虹吸排水造價較高,但它的優勢正被人們逐漸認識,更多的工業廠房將選用虹吸式排水。
    3.通風設計
    根據廠房內通風及排煙要求,屋面可設置天窗、通風器,墻面可設置開啟窗或排風扇。當工位固定時,也可設置工位集中送風。工程設計時,可根據工藝特點區別選用。例如鑄造車間、焊接車間等熱氣、廢氣較多的車間,屋面應設置天窗或通風器集中通風。當個別區域未位于屋脊下方時,可設置順坡通風器,以解決通風問題。
    總之,鋼結構廠房的設計,應根據其特點進行綜合設計,使設計安全可靠,經濟合理且滿足工藝要求。
    二、結構體系布置應合理,傳力明確。
    1.設計常用的結構體系如下,可根據工程實際情況區分選用:
    1)框架一支撐體系。橫向設計成剛接框架,縱向設計成柱一支撐體系,用柱間支撐抵抗水平荷載。這種體系適用于縱向較長,橫向較短的廠房。其具有經濟節約的特點,但柱問支撐有時會影響使用。
    2).純框架體系。把廠房縱橫兩個方向都設計成剛接框架,不設置柱間支撐。其優點是使用空間不受影響,缺點是柱不宜采用工字型柱,而要采用兩個方向慣性矩差別不大的截面形式(如箱形柱),使用鋼量增加。
    (3).鋼架加支撐的混合體系。這種形式與第一種形式不同之處在把縱向設計成鋼架和支撐混合的型式,靠兩者共同抵抗水平力。這種形式可以有效地減少柱的縱向彎矩,但要求樓面剛度大,否則柱子間的變形不協調,無法充分發揮柱間支撐的作用。
    2.單層工業廠房應重點加強支撐體系的布置,柱間支撐及水平支撐協調設置,以保證廠房形成穩定體系,以最合理的路徑傳遞內力。柱間支撐布置時,應考慮廠房內部設備布置、物流及人流路徑。柱間支撐可根據廠房情況區分上柱支撐和下柱支撐,并可采取諸如交叉支撐、人字型支撐、門式支撐、雙片支撐、單斜式支撐、縱向門式剛架等形式,有限傳遞內力。
    屋蓋支撐系統的布置應根據廠房跨度、高度、柱網布置、屋蓋結構形式、吊車噸位和所在地區的抗震設防烈度等條件來決定。一般情況下無論有檁或無檁體系的屋蓋結構均應設置水平支撐;對于以下情況的工業廠房應設置縱向水平支撐:屋架間距不小于12m的廠房,抽柱廠房,廠房內設有A6、A7等工作制橋式吊車或噸位超過20T天車,屋面懸掛天車或有較大振動設備的情況。當廠房高低跨布置時,支撐布置應在不同屋面高度內形成封閉支撐體系。
    3.多層廠房因為工藝布置的要求,一般都需要大空間,結構通常采用框架結構,在層數較多、工藝條件許可的情況下也可以采用框剪結構。結構布置的原則是:盡量使柱網對稱均勻布置,使房屋的剛度中心與質量中心相近,以減小房屋的空間扭轉作用,結構體系要求簡捷、規則、傳力明確。避免出現應力集中和變形突變的凹角和收縮,以及豎向變化過多的外挑和內收,力求沿豎向的剛度不突變或少突變。
    (1)控制橫向框架與縱向框架的周期。由于多層廠房跨度方向尺寸較大,柱子少;而柱距方向尺寸較小,柱子多,故周期位移一般都是橫向控制。結構設計時應使縱橫向的抗震能力大致相同,不僅有利于抗震,也能使設計更為經濟合理。
    (2)合理布置電梯間、樓梯間的位置。多層廠房由于設備、貨物很重,豎向運輸的需要,多設置多部電梯和提升設備,樓板開洞削弱較多。在結構布置上盡量避免電梯、樓梯井筒布置在建筑物的角部和端部。布置樓梯或電梯部位應對周圍的樓板及框架采取加強措施,并沿兩個方向設置柱間支撐以增強樓梯部位的穩定性。樓板局部開洞較多時,應注意樓層加設水平支撐,以增強樓板面內剛度及穩定性。
    三、工業廠房鋼結構的構件設計與節點設計
    1.構件設計
    (1)構件的設計首先是材料的選擇。比較常用的是Q235(類似A3)和Q345(類似16Mn)。通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理。經濟考慮,也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。當強度起控制作用時,可選擇Q345;穩定控制時,宜使用Q235.
    (2)當前的結構軟件,都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術的進步,一些軟件可以將驗算時不通過的構件,從給定的截面庫里選擇加大一級。并自動重新分析驗算,直至通過,如pkpmSTS、sap2000等。這是常說的截面優化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。但是應注意以下兩點:
    ①軟件在做構件(主要是柱)的截面驗算時,計算長度系數的取定有時會不符合規范的規定。目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以,尤其對于節點連接情況復雜或變截面的構件以及多層天車情況,結構師應該逐個檢查。
    ②當預估的截面不滿足時,加大截面應該分兩種情況區別對待。
    強度不滿足,通常加大組成截面的板件厚度,其中,抗彎不滿足加大翼緣厚度,抗剪不滿足加大腹板厚度。變形超限,通常不應加大板件厚度,而應考慮加大截面的高度,否則,會很不經濟。使用軟件的前述自動加大截面的優化設計功能,很難考慮上述強度與剛度的區分,實際上常常并不合適。
    (3)目前鋼結構實際設計中,門鋼廠房一般均采用變截面,輕型門式剛架多采用輕型門式剛架設計規程中規定對變截面構件進行驗算。但當廠房內天車噸位較大,存在夾層等情況時,設計需要按照鋼結構設計規范進行驗算。然而現階段鋼結構設計規范對變截面構件的計算存在空白,故在實際設計時應結合多種設計規范對一些構件進行綜合控制。復雜建筑分別按不同鋼構設計軟件進行設計并比較,以保證工程設計滿足工程實際。
    2.節點設計
    連接節點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一。在結構分析前,就應該對節點的形式有充分思考與確定。按傳力特性不同,節點分剛接,鉸接和半剛接;設計人員應保證節點選用符合設計要求。常常出現的一種情況是,最終設計的節點與結構分析模型中使用的形式不完全一致,這必須避免。比如,有的剛接節點雖然承受彎矩沒有問題,但會產生較大轉動,不符合結構分析中的假定,會導致實際工程變形大于計算數據等的不利結果。多跨廠房設計時,應著重注意附跨或高低跨連接部位節點的選用,此部位設計經常出現問題。附跨設計時,附跨鋼梁與主跨鋼柱間連接多設置為鉸接連接。但當附跨跨度較大,附跨鋼梁截面較高時,程序自動生成的節點,四根螺栓均集中于連接截面的中部,實際節點會發生較大轉動。連接節點處接觸面發生脫離,造成摩擦型高強螺栓接觸面不足,摩擦型節點工作基礎喪失。且轉角過大使螺栓產生較大的翹曲力,存在很大的安全隱患。設計應注意當廠房跨度較大時應將計算模型中將該節點定義為剛接節點;當跨度較小時,仍選用鉸接節點時,應人為調整節點處螺栓分布情況,以減小轉角。
    四、結語
    做好工業廠房結構設計的關鍵在于:概念應清楚,結構選型應做到合理;施工圖的設計應與施工相結合,避免施工困難;結構計算要準確,計算中應反復試算,調整截面,以達到最佳設計。
 


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