本文選自國家級(jí)期刊《中國高新技術(shù)企業(yè)》，《中國高新技術(shù)企業(yè)》雜志是國家統(tǒng)計(jì)局主管的國家級(jí)科技期刊，國際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)ISSN1009-2374，國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)cn11-4406/N，郵發(fā)代號(hào)：80-930，大16開本，1994年創(chuàng)刊，宋健同志題寫刊名。是中國核心期刊（遴選）數(shù)據(jù)庫、中國學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫、中文科技期刊數(shù)據(jù)庫、CNKI中國期刊全文數(shù)據(jù)庫、萬方數(shù)據(jù)庫、龍?jiān)磭�際期刊網(wǎng)等全文收錄期刊。

　　摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)建筑要不斷滿足現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)，工藝不斷更新的要求，過去那種單一功能，單一建筑形式已經(jīng)不適應(yīng)生產(chǎn)方式改變的需要，本文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)進(jìn)行分析探討。

　　關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),工業(yè)廠房,整體設(shè)計(jì),構(gòu)件設(shè)計(jì),節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　在工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中，現(xiàn)多采用鋼結(jié)構(gòu)。其具有自重輕，跨度大，柱網(wǎng)布置靈活與工藝便于銜接，且構(gòu)件可在加工廠加工制作，施工周期短，工程質(zhì)量易予保證等特點(diǎn)。但鋼結(jié)構(gòu)廠房也具有易腐蝕、耐熱性差，穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)。在工業(yè)廠房整體設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮隔熱、排水、通風(fēng)等方面的問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。根據(jù)其特點(diǎn)揚(yáng)長避短更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)廠房的作用。

　　一、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在整體設(shè)計(jì)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(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)為50w(m.℃)，當(dāng)受熱達(dá)到100℃以上時(shí)，其抗拉強(qiáng)度就會(huì)降低，塑性增大；溫度達(dá)到250℃時(shí)，鋼材抗拉強(qiáng)度會(huì)稍提高，但塑性卻降低，出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象；溫度達(dá)到500℃時(shí)，鋼材強(qiáng)度降至很低，會(huì)致使鋼結(jié)構(gòu)塌落。所以當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度達(dá)到150℃以上時(shí)，就必須做隔熱防火設(shè)計(jì)。其做法一般為：鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)包耐火磚、混凝土或硬質(zhì)防火板材，或者鋼結(jié)構(gòu)刷防火涂料，厚度按《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料技術(shù)規(guī)程》計(jì)算。

　　2.屋面防水及排水設(shè)計(jì)

　　屋面的排水及防水設(shè)計(jì)在屋面設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮，根據(jù)《屋面工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，屋面坡度最小為5％，在積雪較大的地區(qū)，坡度應(yīng)適當(dāng)加大。單坡屋面的長度主要取決于所在地區(qū)的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，單坡屋面長度宜控制在70m以內(nèi)。

　　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(diǎn)。該板型具有溫度調(diào)節(jié)性好，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；還能避免現(xiàn)場(chǎng)打孔飛濺鐵屑部位引起彩板銹蝕。屋頂風(fēng)機(jī)出風(fēng)口建議靠近屋脊部位設(shè)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(dāng)采光帶與彩板間搭接連接時(shí)，應(yīng)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(gè)波峰及波谷。

　　屋頂排水分為自由排水、內(nèi)天溝、外掛天溝等排水方式，根據(jù)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(fā)生在天溝部位，且內(nèi)天溝排水所發(fā)生的費(fèi)用又很高，故屋面形式設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能的減少內(nèi)天溝的數(shù)量。內(nèi)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?jī)?nèi)設(shè)置橫吊管分段匯集外排水形式，還可采用天溝內(nèi)設(shè)虹吸斗，虹吸排水。一般工業(yè)廠房?jī)?nèi)均有天車，地下設(shè)備基礎(chǔ)及管道縱橫，故現(xiàn)較多的采用后兩種排水方式。當(dāng)廠房單體較小時(shí)，且天車頂部距離廠房頂部空間足夠時(shí)，可采取橫吊管排水。當(dāng)廠房單體較大，縱向尺寸較大，屋面匯水面積較大時(shí)，可采用虹吸排水。虹吸排水的工作原理如下：當(dāng)屋面雨水量較小時(shí)，虹吸斗未淹沒，雨水管內(nèi)雨水為重力流；當(dāng)暴雨來臨時(shí)，虹吸斗被淹沒，雨水管內(nèi)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(dāng)選用虹吸排水時(shí)，應(yīng)注意天溝內(nèi)高度及寬度滿足虹吸斗淹沒要求，且屋面檁條應(yīng)墊高，以配合天溝高度。現(xiàn)階段虹吸排水造價(jià)較高，但它的優(yōu)勢(shì)正被人們逐漸認(rèn)識(shí)，更多的工業(yè)廠房將選用虹吸式排水。

　　3.通風(fēng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)廠房?jī)?nèi)通風(fēng)及排煙要求，屋面可設(shè)置天窗、通風(fēng)器，墻面可設(shè)置開啟窗或排風(fēng)扇。當(dāng)工位固定時(shí)，也可設(shè)置工位集中送風(fēng)。工程設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)工藝特點(diǎn)區(qū)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(yīng)設(shè)置天窗或通風(fēng)器集中通風(fēng)。當(dāng)個(gè)別區(qū)域未位于屋脊下方時(shí)，可設(shè)置順坡通風(fēng)器，以解決通風(fēng)問題。

　　總之，鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理且滿足工藝要求。

　　二、結(jié)構(gòu)體系布置應(yīng)合理，傳力明確。

　　1.設(shè)計(jì)常用的結(jié)構(gòu)體系如下，可根據(jù)工程實(shí)際情況區(qū)分選用：

　　1）框架一支撐體系。橫向設(shè)計(jì)成剛接框架，縱向設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)節(jié)約的特點(diǎn)，但柱問支撐有時(shí)會(huì)影響使用。

　　2）.純框架體系。把廠房縱橫兩個(gè)方向都設(shè)計(jì)成剛接框架，不設(shè)置柱間支撐。其優(yōu)點(diǎn)是使用空間不受影響，缺點(diǎn)是柱不宜采用工字型柱，而要采用兩個(gè)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(shè)計(jì)成鋼架和支撐混合的型式，靠?jī)烧吖餐�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(xié)調(diào)，無法充分發(fā)揮柱間支撐的作用。

　　2.單層工業(yè)廠房應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)支撐體系的布置，柱間支撐及水平支撐協(xié)調(diào)設(shè)置，以保證廠房形成穩(wěn)定體系，以最合理的路徑傳遞內(nèi)力。柱間支撐布置時(shí)，應(yīng)考慮廠房?jī)?nèi)部設(shè)備布置、物流及人流路徑。柱間支撐可根據(jù)廠房情況區(qū)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(nèi)力。

　　屋蓋支撐系統(tǒng)的布置應(yīng)根據(jù)廠房跨度、高度、柱網(wǎng)布置、屋蓋結(jié)構(gòu)形式、吊車噸位和所在地區(qū)的抗震設(shè)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(jié)構(gòu)均應(yīng)設(shè)置水平支撐；對(duì)于以下情況的工業(yè)廠房應(yīng)設(shè)置縱向水平支撐：屋架間距不小于12m的廠房，抽柱廠房，廠房?jī)?nèi)設(shè)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(dòng)設(shè)備的情況。當(dāng)廠房高低跨布置時(shí)，支撐布置應(yīng)在不同屋面高度內(nèi)形成封閉支撐體系。

　　3.多層廠房因?yàn)楣に嚥贾玫囊�求，一般都需要大空間，結(jié)構(gòu)通常采用框架結(jié)構(gòu)，在層數(shù)較多、工藝條件許可的情況下也可以采用框剪結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)布置的原則是：盡量使柱網(wǎng)對(duì)稱均勻布置，使房屋的剛度中心與質(zhì)量中心相近，以減小房屋的空間扭轉(zhuǎn)作用，結(jié)構(gòu)體系要求簡(jiǎn)捷、規(guī)則、傳力明確。避免出現(xiàn)應(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使縱橫向的抗震能力大致相同，不僅有利于抗震，也能使設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)合理。

　　（2）合理布置電梯間、樓梯間的位置。多層廠房由于設(shè)備、貨物很重，豎向運(yùn)輸?shù)男枰�，多設(shè)置多部電梯和提升設(shè)備，樓板開洞削弱較多。在結(jié)構(gòu)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(yīng)對(duì)周圍的樓板及框架采取加強(qiáng)措施，并沿兩個(gè)方向設(shè)置柱間支撐以增強(qiáng)樓梯部位的穩(wěn)定性。樓板局部開洞較多時(shí)，應(yīng)注意樓層加設(shè)水平支撐，以增強(qiáng)樓板面內(nèi)剛度及穩(wěn)定性。

　　三、工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　1.構(gòu)件設(shè)計(jì)

　　（1）構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。經(jīng)濟(jì)考慮，也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面。當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時(shí)，可選擇Q345；穩(wěn)定控制時(shí)，宜使用Q235.

　　（2）當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步，一些軟件可以將驗(yàn)算時(shí)不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級(jí)。并自動(dòng)重新分析驗(yàn)算，直至通過，如pkpmSTS、sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。但是應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

　　①軟件在做構(gòu)件（主要是柱）的截面驗(yàn)算時(shí)，計(jì)算長度系數(shù)的取定有時(shí)會(huì)不符合規(guī)范的規(guī)定。目前所有的程序都不能完全解決這個(gè)問題。所以，尤其對(duì)于節(jié)點(diǎn)連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件以及多層天車情況，結(jié)構(gòu)師應(yīng)該逐個(gè)檢查。

　　②當(dāng)預(yù)估的截面不滿足時(shí)，加大截面應(yīng)該分兩種情況區(qū)別對(duì)待。

　　強(qiáng)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(yīng)加大板件厚度，而應(yīng)考慮加大截面的高度，否則，會(huì)很不經(jīng)濟(jì)。使用軟件的前述自動(dòng)加大截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，很難考慮上述強(qiáng)度與剛度的區(qū)分，實(shí)際上常常并不合適。

　　（3）目前鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)程中規(guī)定對(duì)變截面構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。但當(dāng)廠房?jī)?nèi)天車噸位較大，存在夾層等情況時(shí)，設(shè)計(jì)需要按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算。然而現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)變截面構(gòu)件的計(jì)算存在空白，故在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合多種設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)一些構(gòu)件進(jìn)行綜合控制。復(fù)雜建筑分別按不同鋼構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)并比較，以保證工程設(shè)計(jì)滿足工程實(shí)際。

　　2.節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對(duì)節(jié)點(diǎn)的形式有充分思考與確定。按傳力特性不同，節(jié)點(diǎn)分剛接，鉸接和半剛接；設(shè)計(jì)人員應(yīng)保證節(jié)點(diǎn)選用符合設(shè)計(jì)要求。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)雖然承受彎矩沒有問題，但會(huì)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)，不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工程變形大于計(jì)算數(shù)據(jù)等的不利結(jié)果。多跨廠房設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重注意附跨或高低跨連接部位節(jié)點(diǎn)的選用，此部位設(shè)計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)問題。附跨設(shè)計(jì)時(shí)，附跨鋼梁與主跨鋼柱間連接多設(shè)置為鉸接連接。但當(dāng)附跨跨度較大，附跨鋼梁截面較高時(shí)，程序自動(dòng)生成的節(jié)點(diǎn)，四根螺栓均集中于連接截面的中部，實(shí)際節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)。連接節(jié)點(diǎn)處接觸面發(fā)生脫離，造成摩擦型高強(qiáng)螺栓接觸面不足，摩擦型節(jié)點(diǎn)工作基礎(chǔ)喪失。且轉(zhuǎn)角過大使螺栓產(chǎn)生較大的翹曲力，存在很大的安全隱患。設(shè)計(jì)應(yīng)注意當(dāng)廠房跨度較大時(shí)應(yīng)將計(jì)算模型中將該節(jié)點(diǎn)定義為剛接節(jié)點(diǎn)；當(dāng)跨度較小時(shí)，仍選用鉸接節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)人為調(diào)整節(jié)點(diǎn)處螺栓分布情況，以減小轉(zhuǎn)角。

　　四、結(jié)語

　　做好工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：概念應(yīng)清楚，結(jié)構(gòu)選型應(yīng)做到合理；施工圖的設(shè)計(jì)應(yīng)與施工相結(jié)合，避免施工困難；結(jié)構(gòu)計(jì)算要準(zhǔn)確，計(jì)算中應(yīng)反復(fù)試算，調(diào)整截面，以達(dá)到最佳設(shè)計(jì)。