解析钢结构厂房设计中应注意的问题正式版

解析钢结构厂房设计中应注意
的问题正式版
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解析钢结构厂房设计中应注意的问题
摘要：介绍了钢结构厂房的优缺点，从结构系统设置、荷载选用、屋顶设计、隔热与防火设计等几个方面探讨了钢结构厂房设计应注意的问题，为设计人员提供了参考依据，从而设计出安全经济的工业厂房。

关键字：钢结构厂房设计注意问题
近年来，随着我国钢铁产量的大幅度增加，用于建筑市场的各种型钢的产量、品种性能都得到很大的发展，钢结构厂房因其施工速度快、承载力高、整体刚度和抗震性能好，在工业厂房设计中逐渐代替了笨重的钢筋混凝土结构而得到了普遍应用，钢结构厂房可分为重型钢结构厂房：例如炼钢车间、机械加工车间、大型冶炼车间等，这类厂房因其车间内设有大吨位吊车，厂房受较大的动力作用，所以耗钢量大；另一类厂房为轻型钢结构厂房：这类厂房多采用门式刚架结构，屋面及墙面多采用压型钢板复合板材，由于其自重轻，用钢量低，施工速度快，在工业及民用建筑中得到了广泛的应用。

尽管钢结构厂房有很多优点，但作为一种材料，它也有很多缺点，例如防火性能差、易锈蚀等，所以在做钢结构厂房设计时应根据其特点注意以下几个方面的问题。

一、结构设计
（一）结构设计习惯做法以及结构体系的选择
（1）结构设计习惯做法
钢结构与钢筋混凝土结构的选用范围。

习惯做法应了解例如：坡口焊与刨平顶紧的使用，插入式柱脚和锚栓式柱脚的使用，建筑墙体采用开敞还是封闭，屋面板墙板的材料，檩条采用冷弯薄壁檩条还是热轧型钢檩条等。

（2）结构体系的选择
单层厂房钢结构体系主要由横向结构和纵向结构系统组成。

横向系统就是排架。

名称可以称作框排架、刚架等。

也可以称为铰接排架及刚接排架。

具体情况根据工艺要求、厂房刚度要求、结构受力情况、材料选用情况等确定。

纵向系统一般由柱及其支撑、托架、吊车梁及制动梁或桁架、墙梁等组成。

（二）门式刚架柱网尺寸设置及结构体系布置
（1）门式刚架结构体系选择方面同样应该遵循一定的原则和要求：墙梁及檩条在门式刚架结构体系中的作用是：刚架间的连接构件、水平与竖向荷载的承受构件；支撑体系承受着门式刚架结构厂房纵向水平力，所以在厂房支撑体系设定时，应该严格按照以下要求进行：各温度区段两端端部位置柱间、位于第二柱间设置屋盖横向支撑；其余部位按照间距约为40米设置横向支撑，这样的设置标准目的是保证房屋空间结构的稳定。

需要注意的是：门式刚架轻型结构厂房温度区段纵向 300米；横向 150米。

（2）门式刚架柱网布置应该综合考虑相关要求，特别是厂房工艺使用要求应该作为首要参照标准：门式钢架间距——惯用间距6～9米，建议间距——8～9米（不局限于门式刚架、吊车的合理柱距），理由是：钢结构厂房造价、施工进度、安装工程量、加工等直接取决于工程构件数量；门式钢架建议跨度——21～24米，该跨度范围内取值，其经济性更高，门式钢架合理跨度最大值应该被控制在36米以下。

（三）拉条、墙梁、檩条注意事项
门式刚架轻型钢结构厂房的墙梁、檩条——Z形和实腹式带卷边C形冷弯薄壁型钢，相对于其他型号的冷弯薄壁型钢，其优势在于：高效、经济、截面惯性矩相及半径更大、整体刚度高、材料性能使用率高；其缺点是：截面抗扭刚度不足、荷载偏心率高、计算难度系数更大（考虑到约束翘曲及扭转变形应力）。

在拉条、墙梁、檩条等围护构件设计时，需要注意的事项包括：
1.规程规定计算的风荷载标准值与实际更相符合；避免使用双层拉条，以免在实际施工中造成不便；
2.借助稳定计算解决风吸力组合作用下檩条下翼缘受力情况；
3.在验算风吸力作用下檩条稳定性时，应该借助《冷弯薄壁型钢结构设计规范》及《钢结构设计及规范》中的公式。

（四）门式刚架受力分析原则
计算门式刚架受力情况时，屋面活载被假定为满布，则安全度、钢量会随着荷载的取值变大而增大。

在规程I中规定：如果使用的是压型钢板轻型屋面，则屋面竖向均布活荷载标准取值应为0.5Kn/m2（包括檩条、屋面板的计算）；如果门式钢架受到荷载水平投影面积>60m2钢屋架构件时，屋面竖向均布活荷载标准值允许 0.3Kn/m2。

荷载效应组合必须遵循的原则为：1.雪荷载与屋面均布荷载不能同时被考虑，取值更大者应为该次取值；2.屋面均布活荷载或雪荷载与灰荷载三者中较大值应该被同时考虑；3.檩条或屋面材料自重除外的荷载与检修或施工集中荷载不能同时被考虑；4.地震作用与风荷载不能同时被考虑。

二、屋顶设计
钢结构厂房屋面防水设计相关注意事项：在进行钢结构厂房屋面防水设计时，应该综合考虑到单坡屋面长度、天沟形式、屋面坡度等因素。

（1）以《屋面工程技术规范》规定为依据，屋面坡度最小值应该控制在5%。

现阶段外资钢结构实际工程中，其屋面坡度大都达到2%～3%；中国国内钢结构屋面坡度设定为5%（考虑到中国钢构材料性能、节点处理、钢构厂家技术力量等方面较落后），但是在积雪厚度大的区域，钢结构屋面坡度应该适度增加。

（2）单坡屋面长度
钢结构工程所处地区降水形成的水头高度最大值及温差最大值直接决定着单坡屋面长度。

据相关权威数据及工程实例显示，单坡屋面最佳长度应该 70米（如果超出70米，应该开展专题研究，对其进行特殊处理）。

三、隔热以及相关的防火设计
钢材受热在100℃以上时，随着温度的升高，钢材的抗拉强度降低，塑性增大；温度在250℃左右时，钢材抗拉强度略有提高，而塑性却降低，出现蓝脆现象；当温度超过250℃时钢材出现徐变现象；当温度达500℃时，钢材强度降至很低，以致钢结构塌落。

因此，当钢结构表面温度处于150℃以上时，必须做隔热及防火设计，做法一般有两种：1）在钢构件外包耐火砖，混凝土或硬质防火板材；2）采用厚涂型防火涂料，厚度按《钢结构防火涂料应用技术规程》计算。

四、设计实例
江汉石油管理局沙市钢管厂ERW生产线位于荆州开发区内，新建设一条ERW610焊管生产线，生产直径Ф219～630mm，最大壁厚19.1mm的ERW焊管，
钢级X80，设计综合产能20万吨/年。

该项目生产车间建筑面积37762m2，采用大跨钢结构厂房，生产车间分为生产区和材料区。

其中生产区：三联跨30m×3（轴线间距），总长度360m，柱距为12m，三跨均设30t吊车，屋面设置为双坡，屋脊处设置天窗；材料区：跨度30m，总长度150m，柱距为12m，局部9m，设50t吊车。

（一）钢框架优化：
由传统钢结构厂房柱距6m调整到12m，吊车吨位为30吨或50吨，计算与构筑难度加大，通过两种大型结构计算软件STTAD.PRO与PKPM-STS相互校核，做到计算明确，使钢结构应力比达到0.9以上，大幅度降低用钢量，使结构做到了既安全又经济。

对中间跨局部抽柱部位采用格构式钢桁架进行结构转换。

（二）钢檩条优化：
由于钢框架柱距为12m，故钢檩条单跨达12m，传统薄壁型钢檩条已不能采用，采用H型钢檩条，檩条间距由1.5m调整到4m，大幅度减少檩条与支撑连接构件，使屋面结构形式更合理。

五：结束语
随着科技的不断发展，越来越多的设计工艺以及先进技术将被应用到钢结构厂房的设计中，但是，只有将老问题一一的解决完，才能更好的结合新技术，才更好的将我国钢结构厂房设计水平进行提升。

参考文献：
[1]王宏彬.论重型钢结构厂房的部分结构方案设计[J].商品与质量：建筑与发展，2011，（11）
[2]缪宏伟，裘盼盼，陈剑波.钢结构厂房实体模型的有限元模拟分析[J].考试周刊，2011，（60）
[3]杨巍.有关轻钢厂房抗雪灾能力的探讨[J].科技情报开发与经济，2008，18（21）
钢结构设计与计算原理探讨
随着我国民经济的不断发展和科学技术的进步，钢结构在我国的应用范圈在不断扩大。

相较传统结构形式具有：钢材强度高，结构重量轻；材质均匀，塑性韧性好；易于加工，密封性好；钢材可以重复使用午优点。

本文将就铜结构设计与计算原理徼一个系统的介绍。

设计原则和设计计算中的系数
1. 设计原则
钢结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，按分项系数的设计表达式进行计算；各种承重结构均按承载能力极限状态和正常使用极限状态的的原则进行设计；设计钢结构时，根据结构破坏可能产生的后果而采取不同的安全等级，并在荷载效应计算中分别采用不同的系数；结构构件或连接按承载能力极限状态设计时，一般应按使用条件采用荷载效应的基本组合，在使用中有可能发生事故等偶然性荷载作用时，尚应考虑荷载效应的偶然组合。

2. 设计计算中的系数
根据荷载的类别永即久荷载或可变荷载和荷载作用情况，分项系数采取不同的取值；对于直接承受动力荷载的结构，在计算强度和稳定性时，可将霞物和设备乘以动力系数后按静力进行计算进行；计算重级工作制品吊车粱及其制动结构的强度和稳定性以及连接的强度时，吊车的横向水平荷载应乘以相应的增大系数一当设计屋面板、刚檩条时，应考虑积灰、积雪不均匀分布的荷载增大系数，其荷载增大系数按相关规定选用。

钢结构的钢材选用
1. 按质量等级的选择
一般非焊接的钢结构可以选用A级钢，焊接钢结构，静载作用时选用B级钢，在作用时应根据结构所处环境温度选择C-E或特级钢，务必使钢材的脆性转换温度地域结构所处环境温度；对于有层状撕裂手里的结构部位的较厚钢板，应有抗层状撕裂的要求；对节点构造及受力状况复杂，工作环境恶劣的重型焊接钢结构，应提高对钢材质量标准的要求。

2. 按强度等级的选用
普通钢结构钢材的强度等级常常选为Q235或Q345；重型、超重型钢结构的强度等级可选为Q345、Q390、Q420或者更高强度等级的特种钢材。

冷弯薄壁型钢结构，非焊接时可用A级，焊接时应用B级钢，一般可选用强度等级为
Q235或Q345钢。

轻型钢结构一般选用Q235。

地震作用
钢结构的震害主要有节点连接的破坏.构件的破坏以及结构的整体倒塌三种形式，因此在抗震设计中应应注意：建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案，钢结构房屋宜避免采用不规则建筑结构方案，不设防震缝，在进行结构设计时，应根据建筑的抗震设防类别、抗震设计烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施丁等因素，经技术、经济和使用条件综合比较，选择合适的结构体系；结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，可考虑多道抗震防线。

应避免因部分结构或者构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力；结构应具有必要的抗震承载力、良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

对可能出现的薄弱部位，
应采取措施提高抗震能力，应体现人震不倒，小震不坏的抗震设计目标，采用多遇地震时按弹性设计、罕见地震时弹塑性进行变形验算的二阶段设计方法进行抗震设计。

节点设计
整个结构是由构件和节点构成的。

单个构件必须通过节点相连接，协同工作才能形成结构整体。

及时每个构件都能满足安全使用的需要，如果节点设计处理不恰当，连接节点的破坏，也常会引起整个结构的破坏。

因此在节点设计时应遵循下列原则如下。

传力应均匀分散，尽可能减少应力集中现象。

在节点设计过程总，一方面要根据节点构造的实际受理情况，选择合理的结构计算见图；另一方面节点构造要求与结构的计算简图相一致。

避免因节点构造不恰当而改变结构或构件的受力状态，并尽可能的使节点计算简图接近于节点世界工作情况。

节点构造设计是否恰当，对制作和安装影响很大。

节点设计便于施工，则施工效率高，成本降低；反之，则成本高，且工程质量不易保证。

所以应尽鼍简化节点构造。

要对设计、制作和施工安装等方面综合考虑后，确定最合适的方案。

在省时省料之间选择最佳平衡。

尽可能减少节点类型，连接节点做到定型化、标准化。

连接构造
一般常用的焊接形式分为对接焊接和角焊接两种摹本形式如下。

对接焊接的焊件常需做成坡口，故又叫坡门焊接。

坡口形式与焊件厚度有关。

当焊件厚度很小时，可用直边锋；厚度一般的焊件可采用具有斜坡口的单边V形或V形焊缝；对干厚度较厚的焊件，则采用采用U形、K形和X形坡口。

对接焊缝坡口形式的选用，应根据板厚和施工条件按现行标准GB985-80《手工电弧焊焊接接头的基本形式与尺寸》和GB986-80Ⅸ埋弧焊焊接接头的基本形式与尺寸》的要求进行。

在对接焊缝的拼接处，当焊件的宽度不同或厚度相差4mm以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度大于1：2.5的斜角。

以使截面过度缓和，减小应力集中。

为了避免烧穿较薄的焊件，减少焊接应力和焊接变形，角焊缝的焊角尺寸不宜太大。

规范规定：除了直接焊接钢管结构的焊角尺寸不宜大于支管肇厚的2倍之外，焊角尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍；焊角尺寸不宜太小，以保证焊缝的最小承载能力，并防止焊缝因冷却过快而产生裂纹；侧面角焊缝的计算长度不宜大于60倍的焊角尺寸，当大于上述值时，其超过部分在计算中不予考虑，这是因为侧焊缝应力延长度分布不均匀，两端较中间大，且焊缝越长差别越大，
疲劳计算
对于承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n>105次且出现拉应力时，应进行疲劳计算，疲劳应力计算采用容许应力幅法。

对常幅（所有应力循环的应力幅均为常量）疲劳，按下式进行疲劳计算：式中为对焊接部位应力幅，对非焊接部位为这算应力幅。

为计算部位每次应力循环最大拉应力（取正值）；为计算部位每次应力循环最小拉应力或压应力（拉应力取正值，压应力取负值）；为常幅疲劳的容许应力幅；n为应力循环次数；C、β为参数。

对变幅（应力循环内的应力幅随即变化）疲劳，可按下式进行疲劳计算：式中为变幅疲劳的等效应力幅；为以应力循环次数表示的结构与其使用寿命；为预期寿命内应力幅水平达到的应力循环次数。

（作者单位：昆明理工大学建筑工程学院）
钢结构厂房设计中应注意的几个问题
【摘要】:钢结构在建筑设计领域的应用越来越广泛，本文对钢结构厂房设计中存在的问题进行了分析探讨，从结构设计、保温隔热设计、屋面设计等几方面提出一些在设计中应注意的问题和建议，指出厂房结构方案的选择主要从工艺流程、建筑节能设计、技术经济分析等方面综合考虑确定，对于进一步提高钢结构厂房的设计应用技术水平具有一定指导意义。

【关键词】：钢结构；厂房设计；注意问题中图分类号：S611 文献标识码：A文章编号：引言近几十年来，由于我国经济的飞速发展，钢结构在建筑领域起到了至关重要的作用，无论在工业建筑还是在民用建筑中，钢结构以其突出的特点占领的市场越来越广。

其特点有：整体刚度和抗震性能好、施工周期短、自重轻、承载力高、造价低、现场工作量小、工厂化程度高。

因此，在大跨度及超高层建筑中逐渐代替了钢筋混凝土结构，但是钢结构也存在着易腐蚀、防火性能差等缺点，只有在设计中根据其特点扬长避短才能更好地发挥钢结构的作用。

一、结构设计中应注意的问题1、厂房结构选型中应注意的问题厂房结构方案的选择与确定，一般是从满足工艺流程、结构设计分析、节能设计分析、技术经济分析等几个方面综合起来考虑确定的。

可供选择的结构方案：、格构式钢框架。

它使用桁架和钢缀条柱构成平面框架，以双层保温压型钢板作为墙体和屋盖的围护。

、柱—网架结构。

它采用钢筋混凝土柱或轻钢作为承重结构，屋盖承重采用钢网架，屋盖采用双层保温压型钢板，墙体选用保温压型钢板或砌体结构。

现行方案一般具有结构轻盈、经济性好的优点。

制造与安装的周期短，造价比较低，外形和内部都十分美观，符合建设单位的要求，所以得以实施。

但是已建结构也有它固有的缺点，主要表现在结构刚度比较差。

厂房的生产是在一个高速发展领域中，产品本身具有高替换性，因此这些问题将不会对生产的正常进行造成很大的影响。

2、门式刚架的受力分析过程要点假若计算时屋面活载是均匀分布的，如果荷载取值过大，安全度随之较大，导致用钢量也增大，规程Ⅰ规定:当采用压型钢板的轻型屋面时，屋面竖向活荷载的标准取值应为0.5kN/m2，包括檩条、屋面板的计算，当钢屋架构件荷载的水平投影面积大于60m2时，屋面竖向均布活载标准取值不应小于0.3kN/m2。

荷载效应组合必须遵守的原则: （1）、积灰荷载、屋面均布活荷载或雪荷载中的较大值，要同时进行考虑；（2）、屋面均布活荷载与雪荷载不用同时进行考虑，只需要取两者中的较大值；（3）、检修或施工的集中荷载，不用与檩条自重、屋面材料以外的其他荷载同时考虑；（4）、多台吊车的组合安装必须符合现行国家标准12J的规定；（5）、风荷载与地震荷载不同时考虑。

3、结构体系的布置与门式刚架柱网尺寸的选择结构体系的选择。

墙梁和檩条既是承受水平和竖向荷载的构件，也是刚架之间相互连系的构件。

厂房的纵向水平力由支撑体系承受，在第二柱间或每个温度区段端部柱间都应设置屋盖横向支撑，其余位置每隔40m左右设置一道横向支撑，以使整个房屋形成空间稳定结构。

横向温度区段不大于150m。

门式刚架柱网的布置必须满足厂房工艺的使用要求，门式刚架的间距一般是6m~9m，合理间距建议采用
8m~9m。

工程中构件使用的多少，将与安装、加工的工程量、造价及施工进度有直接的关系，一个工程采用9m柱距比采用6m柱距时的檩条、刚架、吊车梁等构件需求数量减少约30%，虽然其截面有所增大，但其对降低工程造价、缩短
施工周期的有利影响十分明显。

门式刚架的比较经济的跨度建议在21m~24m之间采用，其合理的最大跨度不宜大于36m。

4、墙梁、檩条及拉条应注意的问题门式刚架轻型钢结构厂房中的墙梁和檩条通常采用实腹式带Z形和卷边C形冷弯薄壁型钢，其优点是惯性矩及截面回转半径相对较大，整体的刚度比较好，并且能够充分发挥出材料的性能，但是它截面抗扭刚度相对较小，对偏心荷载非常敏感，因此在计算时要考虑约束翘曲应力及可能发生的扭转变形。

在墙梁、檩条、拉条一类的围护构件设计时应注意以下几点: （1）、风荷载的标准值必须按规程的规定计算；尽量少采用双层拉条，以避免对施工中造成的不便。

（2）、通过稳定计算解决檩条在风吸力组合作用下下翼缘受压问题；（3）、檩条在风吸力作用下的稳定性可采用《冷弯薄壁型钢结构设计规范》以及《钢结构设计规范》中的公式进行验算。

二、钢材的保温隔热与防火钢材的导热性能一般都很高，导热系数为50w(m.℃)。

在受热温度达到100℃以上时，抗拉强度就大大会降低，塑性随之增大；当温度上升到250℃时，钢材抗拉强度会稍有提高，但是塑性却会降低，出现蓝脆现象；当温度达到500℃时，钢材强度会降到很低，导致钢结构塌落。

由此可见，当环境温度达到150℃以上时，就必须对钢结构做隔热防火设计。

其具体做法为：在钢结构外侧包混凝土、耐火砖、硬质防火板材等，或者在钢结构上刷厚涂型防火涂料，其厚度按《钢结构防火涂料技术规程》进行计算。

三、屋顶设计的问题屋盖支撑系统的布置应当根据厂房高度、跨度、屋盖结构形式、柱网布置、吊车吨位、所在地区的抗震设防烈度等条件来决定。

通常情况下，在有檩或无檩体系的屋盖结构设计中，均应设置垂直支撑；在无檩体系中，大型屋面板一般都有三点和屋架焊接，能起到对上弦的支撑作用，但考虑到安装的需要和施工条件的限制。

在有檩或无檩体系屋盖设计中，均应在天窗架上弦及屋架上弦设置上弦横向支撑。

对于厂房内设有特重级桥式吊车、屋架间距不小于12m的厂房、厂房内有较大振动设备的都必须设置纵向水平支撑。

屋面的防水及排水设计在屋面设计中十分重要，在《屋面工程技术规范》中规定，屋面坡度最小为5％，尤其在积雪较多的地区，坡度更应当适当加大。

单坡屋面的长度设计决于降雨所形成的最大水头高度及所在地区的温差。

根据工程设计经验分析，单坡屋面长度不宜超过70m。

目前，钢结构屋面的主要做法有两种：（1）、复合柔性屋面：主要由屋面彩钢板内板、保温层、隔气层、卷材防水层组成。

（2）、刚性屋面：双层彩色压型钢板内夹保温棉；四、防锈处理措施钢结构表面如果直接暴露在大气中就会发生锈蚀现象，当钢结构厂房钢结构处在潮湿环境中或者空气中有侵蚀性介质时，钢结构厂房的锈蚀现象就会越来越严重。

一旦钢结构发生锈蚀，就会导致构件截面减小，同时会使钢构件表层局部产生锈坑，使结构过早发生破坏。

因此，防锈蚀措施对钢结构厂房构件来说至关重要，应根据厂房环境条件和侵蚀介质情况在总图布置、材料选择、工艺布置等方面采取相应对策，并提出有效的措施确保厂房结构的安全。

一般钢结构的防腐通常采用防锈面漆和底漆，厚度及涂装层数一般根据其使用涂层性质和环境来决定。

室内钢结构在自然大气介质作用下，一般要求的涂层厚度为100μm，即底漆、面漆分别两道。

在工业气体介质作用下或者露天的钢结构，漆膜总厚度必须在150μm～200μm 之间。

尤其在酸性环境中的钢结构，特别要求使用氯磺化防酸漆。

钢柱柱脚在地面以下部分要求用C20以上的混凝土进行包裹处理，其保护层厚度至少
50mm。

五、立面设计应注意的问题轻钢结构的建筑的主要特征：规。