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摘要:随着社会经济的快速发展,钢结构建筑物越来越多,工业生产、民用建筑等建筑物多采用钢结构建筑。钢结构厂房具备很多的优点,例如:施工速度快、结构承载能力高、整体刚度以及抗震能力比较好等优点。但是,钢结构作为一种比较常用的建筑材料,其本身也存在着一些缺陷。本文主要对工业钢结构厂房结构设计问题进行探讨。
关键词:工业厂房;结构设计;支撑系统;厂房特点
随着科学技术的不断进步,钢结构得到了广泛的应用,在近些年的工业厂房结构设计中,钢结构已经成为了工业厂房结构的一种重要的形式。但是,钢结构也存在着防火性能差、抗腐蚀能力低等缺点,因此在进行厂房钢结构设计中的重点问题,就是要根据其自身的特性扬长避短,将其自身的性能发挥到极致。因此本文从工业钢结构厂房的结构设计角度出发,针对结构设计中涉及到的一些问题进行分析讨论。
1.工业钢结构厂房特点
钢材料自身具有高强度、高塑性、高韧性等优点,因为这些优点使其比较适合,在大跨度、承载重、高度比较高的工业厂房结构中应用。采用钢结构形式的工业厂房不会因承载过高而发生突然断裂的问题;在动荷载的环境中应用钢结构是比较合适的,因此在地震频发的区域使用钢结构是非常有利的;钢结构形式工业厂房的自身重量轻,与普通的工业厂房结构形式相比,其可以减轻整体重量的30%左右,因为钢材的强度高、自身重量低,从而对地基的承载能力要求比较低,这就大大降低了地基与基础工程的施工成本,并且钢结构的吊装与运输等施工过程也比较方便;钢结构一般都是连接在一起的,这就有利于改建和拆迁,而且钢结构的各种构件可以在工厂批量生产,施工简单,安装方便,大大的减少了建设工期;工业钢结构厂房是绿色环保建筑体系,其建筑所用的材料大部分为钢材,钢材具有高强度高性能的优点,循环再利用的价值高,并且施工时无需模板施工。
2.柱网和温度伸缩缝的结构布置
(1)柱网:进行柱网布置时,要满足工艺要求、经济效益要求以及柱距相关规定要求;保证构件具有统一性和标准性可以在很大程度上减少相关的工作量。设计柱距时根据相关的实践经验,可以总结出以下几点经济效益比较高的方法:当地基的承载能力比较差时,重型的工业厂房采用24m,中型的工业厂房采用18m、15m,轻型的工业厂房采用12m;当地基承载能力好时,工业厂房一般可以采用12m、18m的柱距;对于厂房的横向布置,当其总跨度小于18m时,跨度采用3m的倍数为宜;当总跨度大于18m时,跨度采用6m的倍数为宜;对于厂房的纵向布置,之前都是以6m或者是12m为基本柱距;随着压型钢板作为厂房的屋面以及墙面的材料之后,其基本柱距也就变为了18m或者是24m;
(2)温度伸缩缝的布置:钢结构钢房变形的主要因素就是外界温度变化导致的,温度一旦发生变化,就会导致钢结构产生温度应力,产生的应力大小与柱刚度和吊车梁高度有关。厂房的平面尺寸比较大时,温度发生变化就会使厂房的上部结构出现横向变形和纵向变形,从而增加了柱内的弯曲应力,该应力过大时将会对屋面以及墙面造成一定的影响。因此为了避免温度变化对厂房造成的影响,就需要设置温度伸缩缝,温度伸缩缝的布置可以沿横向布置或者是纵向布置,如果厂房的平面尺寸比较大时,可以将整个厂房分割成多个温度区段。温度区段的具体长度可以根据,钢结构工业厂房的结构设计规范来确定。温度伸缩缝的做法可以设置双柱也可以设置单柱,对于纵向的温度伸缩缝的设置,可以在厂房的屋架支座位置处设置滚动的支座,对于横向的温度伸缩缝的设置,可以在框架梁与檩条相连接的位置处,采用槽钢夹板滑动等方式。
3.框架结构设计
框架体系是钢结构工业厂房常采用的承重结构形式,框架结构的横向刚度比较大,并且可以内部可以形成矩形空间,有利于吊车进行工作,能够满足使用要求。横向框架结构的柱底端通常都与基础刚接;柱的顶端一般分为铰接和刚接两种形式,柱顶采用铰接时,地基沉降或者温度变化对铰接的影响程度比较小,并且节点处的构造处理比较容易,屋架的两端处不会产生弯矩,但屋架的下弦杆会一直处于受拉状态,因此柱的下部产生的弯矩很大,导致横向的刚度比较差;当厂房的高度、吊车起重量、刚度等要求比较高时,并且为单跨厂房时,其柱顶一般采用刚接形式。
4.支撑体系的设计
4.1柱间的支撑设计
厂房内应在每一个温度区域内的柱之间设置比较稳定的支撑系统,并且协调好与屋盖上的横向支撑的布置。厂房结构纵向变形的原因是柱下部支撑所在的位置决定的,并且对温度应力也有一定的影响,下柱的支撑位置应该设在温度区的中断位置,保证纵向构件能够因温度变化影响自由的伸缩,例如吊车梁等纵向构件。如果温度区的长度比较短时,可以在其中部位置安设一道下段柱的支撑系统,一旦温度区的长度超过150m时,应当在温度区内中间位置处的1/3左右的范围内,安设两道下柱支撑,这样可以有效的保证工业厂房的纵向刚度,此外还会尽量避免较大的温度应力,因此所设置的两道支撑之间的距离不能超过72m。上段柱的支撑不仅可以设置在下段柱的支撑柱之间,还可以设置在温度区段的两端柱之间设置支撑,这样可以很好的满足结构的安装要求,而且可以提高上部厂房的纵向刚度,以及良好的传递风荷载和地震荷载等。
4.2屋盖的支撑体系
屋盖的支撑体系主要由:横向、纵向、垂直、以及系统杆件构成的。布置屋盖支撑系统时要综合考虑厂房的设计跨度、设计高度、屋盖结构采用的形式、以及相关的施工机械设备等条件之后,再进行屋盖支撑体系的布置。通常情况下,不管是有檩还是无檩的屋盖结构都设置垂直的支撑体系,在无檩的屋盖体系中,将屋面板与屋架焊接在一起,可以支撑上弦,但是由于施工条件和安装需要的限制,不管是有檩还是无檩的屋盖体系,都要在屋架的上弦以及天窗架的上弦设置横向的支撑体系。对于屋架的间距大于12m以上的工业厂房,或者是厂房内对吊车的起重量有较高的要求时,屋盖结构都需要设置纵向的水平支撑系统。
5.节点设计
在钢结构工业厂房的设计中,节点部位的构造设计是一项非常重要的工作,钢结构设计的设计工作一般是由杆件设计和节点设计。节点设计主要遵循的原则就是构造简单、受力明确。进行节点设计时通常按照比杆件内力增加10%的值,进行节点连接设计,对于杆件内力比较小的而言,其焊接长度要超过120mm。施工不得随意的增加杆件的截面尺寸,要保证节点构造绝对安全。焊缝的布置要合理,尽可能的将焊缝的位置布置杆件的行心,确保其受力合理,尽量减少因焊接造成的变形以及应力。
6.抗防锈防腐处理的方法
如果钢结构出现生锈的问题,会使其截面的面积减小,而且在构件的表面会形成局部的锈坑,一旦构件受力时就会出现集中应力的情况,进而致使构件破坏,因此,在进行工业钢结构厂房设计时,要重视预防锈蚀的问题,根据厂房的周围环境情况,对厂房内部的结构布置和材料的选择要采用合理的对策和措施,确保厂房可以安全的使用。对于刚构件的防锈蚀的处理一般在工厂制备时就已经完成了。对于北方地区或者是环境比较干燥的地区而言,还可以在钢构件上在增加一道70-80μm厚的干膜。具体的处理流程可以为以下几个步骤:除锈→涂底漆→中层漆→面漆。
7.结语
工业钢结构厂房从其结构形式来看,具有施工相对简单传力明确等优点,尽管具有很多的优点,但是需要注意的问题还是有很多,本文所阐述的不能全面的概括所有的问题,希望在今后的发展中不断的探索,积累更多的实际经验,寻求更好的解决措施,为钢结构建筑的发展打下坚实的基础。
参考文献:
[1]王俊峰.工业钢结构厂房结构设计重点问题研究.化工管理.2018年:116
[2]范潇.工业钢结构厂房防腐防火的对措分析.山东工业技术.2019年:29