鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

邱亮

（黑龍江省食品醫(yī)藥設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步,在工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種重要的結(jié)構(gòu)形式，它具有自重輕、造價(jià)低、施工周期短、工廠化程度高、現(xiàn)場(chǎng)工作量小、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)。以哈爾濱地區(qū)為例，哈爾濱地處嚴(yán)寒地區(qū)，冬季氣溫低，堆積的冰雪反復(fù)凍融，保溫要求很高，同時(shí)也很容易對(duì)普通鋼屋面造成破壞，尤其是天溝處，造成滲漏。這都是需要注意的問題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 廠房結(jié)構(gòu)體系的選型問題

廠房結(jié)構(gòu)方案的選擇主要是從滿足工藝流程、建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等方面綜合考慮確定的。

格構(gòu)式鋼框架也是可選擇方案之一，它選擇鋼綴條柱和桁架構(gòu)成平面框架，以雙層保溫壓型鋼板作為屋蓋和墻體的圍護(hù)。柱-網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方案是另一個(gè)可選擇方案。采用輕鋼或鋼筋混凝土柱作為承重結(jié)構(gòu)，屋蓋采用鋼網(wǎng)架承重，上設(shè)雙層保溫壓型鋼板屋蓋，墻體可選用保溫壓型鋼板，也可選用砌體作保溫圍護(hù)?，F(xiàn)行方案的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)輕盈、經(jīng)濟(jì)性好。制造和安裝周期短，造價(jià)較低，外形和內(nèi)部都較為美觀，符合建設(shè)單位要求，因而得以實(shí)施。但是已建結(jié)構(gòu)也存在著它固有的弱點(diǎn)，主要是結(jié)構(gòu)剛度較差，特別是對(duì)于存在長(zhǎng)期積雪可能的高寒地區(qū)例如哈爾濱，剛度問題會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。此外在高寒地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性也有待于考察。但作為一個(gè)高速發(fā)展領(lǐng)域的產(chǎn)品生產(chǎn)廠房，它的產(chǎn)品本身有高換代性，因而這些問題將不會(huì)影響到生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

1.2 門式剛架柱網(wǎng)尺寸的選擇及結(jié)構(gòu)體系的布置問題

門式剛架柱網(wǎng)布置首先應(yīng)滿足廠房工藝使用的要求，門式剛架間距通常為6m~9m，不論是否具有吊車、門式剛架的合理柱距，建議采用8m~9m，因?yàn)楣こ讨袠?gòu)件數(shù)量的多少，將直接影響加工、安裝的工程量、施工進(jìn)度及造價(jià)，一個(gè)工程采用9m柱距時(shí)的剛架、檁條、吊車梁等構(gòu)件的數(shù)量要比采用6m柱距時(shí)約減少30%，雖然其截面有所增大，但其對(duì)縮短施工周期、降低工程造價(jià)的有利影響十分明顯。門式剛架的較經(jīng)濟(jì)跨度建議在21m~24m范圍內(nèi)采用，其合理的最大跨度不宜大于36m。其次，結(jié)構(gòu)體系的選擇。檁條和墻梁既是承受豎向和水平荷載的構(gòu)件，也是剛架和剛架之間的連系構(gòu)件。廠房縱向水平力由支撐體系承受，在每個(gè)溫度區(qū)段端部柱間或第二柱間應(yīng)設(shè)置屋蓋橫向支撐，其余位置每隔40m左右設(shè)置一道橫向支撐，以使整個(gè)房屋形成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。門式剛架輕型結(jié)構(gòu)房屋的縱向溫度區(qū)段不大于300m;橫向溫度區(qū)段不大于150m。

1.3 門式剛架受力分析的原則

考慮到計(jì)算時(shí)假設(shè)屋面活載是滿布的，如荷載取值過大，則安全度較大，用鋼量也增大，規(guī)程Ⅰ規(guī)定:當(dāng)采用壓型鋼板輕型屋面時(shí)，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)(按水平投影面積計(jì)算)應(yīng)取0.5kN/m2，包括計(jì)算屋面板、檁條，但對(duì)受荷載水平投影面積大于60m2的鋼屋架構(gòu)件，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可不小于0.3kN/m2。

荷載效應(yīng)組合應(yīng)符合下列原則:（1）屋面均布活荷載不與雪荷載同時(shí)考慮，應(yīng)取兩者中較大值;（2）積灰荷載與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時(shí)考慮;（3）施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時(shí)考慮;（4）多臺(tái)吊車的組合應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)12J的規(guī)定;（5）風(fēng)荷載不與地震作用同時(shí)考慮。

1.4 檁條，墻梁及拉條應(yīng)注意的問題

門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房中的檁條和墻梁一般采用高效經(jīng)濟(jì)的實(shí)腹式帶卷邊C形和Z形冷彎薄壁型鋼，其優(yōu)點(diǎn)是截面回轉(zhuǎn)半徑和慣性矩相對(duì)較大，整體剛度較好，能夠充分發(fā)揮材料的性能，但同時(shí)也存在截面抗扭剛度較小，對(duì)荷載的偏心非常敏感，在計(jì)算時(shí)要考慮可能產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形和約束翹曲應(yīng)力。在設(shè)計(jì)檁條、墻梁、拉條一類的圍護(hù)構(gòu)件時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):（1）風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按規(guī)程的規(guī)定計(jì)算更能符合實(shí)際;為避免造成施工中的不便，應(yīng)盡量不采用雙層拉條。（2）當(dāng)檁條在風(fēng)吸力組合作用下下翼緣受壓時(shí)，可通過穩(wěn)定計(jì)算解決;（3）在風(fēng)吸力作用下檁條的穩(wěn)定性可采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式驗(yàn)算。

2 保溫隔熱設(shè)計(jì)

鋼材具有非常好的導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到50W/m·℃，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑，如果不進(jìn)行保溫隔熱處理，勢(shì)必會(huì)造成大量能源浪費(fèi)和消耗，同時(shí)還要滿足工藝性要求和舒適性要求。針對(duì)不同氣候區(qū)域的工程項(xiàng)目，經(jīng)過計(jì)算采用不同的保溫層厚度。

保溫設(shè)計(jì)的原理及計(jì)算方法:

2.1 熱工學(xué)中有如下理論:

其中，ΔT 為溫差，℃;A 為表面積，m2;ΔQ為熱流損失，W=T/S;R為熱阻，m2·℃/W。

以有生命力的“人“的感知為例:

夏天:t1(人體溫度)=37℃，t2(環(huán)境溫度)=35℃，Δt=2℃，要求R很小。

表現(xiàn)為穿薄的衣服，甚至光胳膊、短褲。

冬天:t1′(人體溫度)=37℃，t2′(環(huán)境溫度)=10℃，Δt′=27℃，要求 R 增大。

表現(xiàn)為穿厚的衣服，如羽絨服等。

由此導(dǎo)出:熱阻R是最關(guān)鍵值?！颁摻Y(jié)構(gòu)建筑”保溫隔熱就是要獲取足夠的R值。

2.2 R=L/K=1/λ。

其中，L為隔熱材料厚度，m;K為隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃;λ 為傳熱系數(shù)，W/m2·℃。

選擇λ和K，確定R。

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)熱工規(guī)范》，可以確定國(guó)內(nèi)5個(gè)氣候帶的不同工況下的傳熱系數(shù)。

如青海格爾木(嚴(yán)寒地區(qū))：

λ≤0.3W/m2·℃，玻璃棉K=0.041W/m·℃。

L≥K×1/λ=0.041×1/0.3=136mm，此為室內(nèi)有采暖設(shè)施房屋或公共建筑的最低厚度。再考慮熱橋、窗戶的散熱，實(shí)際厚度一般取:L=136×120%=160mm。

3 屋頂設(shè)計(jì)的問題

3.1 屋蓋支撐

規(guī)范第9.1.20條規(guī)定，屋蓋支撐桿件宜用型鋼，目前多數(shù)采用圓鋼，甚至在8度地震區(qū)也有用圓鋼的，必須引起高度重視由于人們對(duì)震害的感受不深，認(rèn)為地震發(fā)生的概率很小，因此重視不夠。作者建議8度地震區(qū)應(yīng)用型鋼截面，7度及7度以下視剛架跨度和荷載大小可考慮是否一律采用型鋼。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面設(shè)計(jì)的防水問題

屋面防水設(shè)計(jì)涉及屋面坡度、天溝形式、單坡屋面長(zhǎng)度等因素。屋面坡度，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%。但在實(shí)際工程中，一些外資鋼構(gòu)公司屋面坡度經(jīng)常做到3%，甚至2%。考慮到目前國(guó)內(nèi)鋼構(gòu)廠家技術(shù)力量、節(jié)點(diǎn)的處理、材料性能方面參差不齊，人們將屋面坡度控制在5%。在積雪較大的地區(qū)，坡度應(yīng)適當(dāng)增大。單坡屋面長(zhǎng)度，主要取決于工程所在區(qū)域的最大溫差以及降雨所形成的最大水頭的高度。根據(jù)收集的資料和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，單坡屋面長(zhǎng)度宜控制在70m以內(nèi)，若超過70m，需做專題研究、特殊處理。哈爾濱地處嚴(yán)寒地區(qū)，冬季氣溫低，堆積的冰雪反復(fù)凍融，容易對(duì)普通鋼屋面造成破壞，尤其是天溝處，造成滲漏，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)天溝尚無(wú)成功的實(shí)例，故確定設(shè)計(jì)方案全部采用外天溝。另外哈爾濱冬季雪大，在高低跨處宜積很高的雪，威脅廠房安全，故確定設(shè)計(jì)方案采用一個(gè)屋脊雙坡屋面。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中由于用鋼量少，安裝設(shè)計(jì)時(shí)間短，工業(yè)化生產(chǎn)程度高，特別在廠房、倉(cāng)庫(kù)等大跨度結(jié)構(gòu)中得到更廣泛的應(yīng)用。哈爾濱地區(qū)處于寒冷地區(qū)，冰雪覆蓋的時(shí)間較長(zhǎng)，本文針對(duì)這個(gè)問題要求鋼結(jié)構(gòu)廠房在設(shè)計(jì)重要著重考慮保溫，屋頂?shù)姆罎B漏的設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了一些建議。

[1]劉霄，楊紅旗，楊國(guó)海.輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)與研究[J].山西建筑，2006-07-10.