隨著我國鋼材產量的增加,鋼結構廠房因鋼結構強度高,塑性韌性好、質量輕和施工速度快等優點得到了廣泛的發展。本文論述了鋼結構廠房設計及施工中應注意的問題,為更多更好的建設鋼結構廠房提供一定的參考。 　　鋼結構由于具有強度高、自重輕、施工速度快等特點,故一直是人們喜愛采用的一種結構。近百年來得到了快速的發展,尤其是在上世紀下半葉,隨著世界鋼產量大幅度增加,鋼結構也相應更加擴展了應用領域,特別是在大跨度、高聳、超高層、重型、動力荷載結構范圍內鋼結構大量被使用。伴隨國家經濟的快速發展,輕鋼結構建筑也在中國建筑領域迅猛發展。鋼結構建筑是繼鋼筋混凝土建筑之后的最具革命性建筑的新發展和新應用。輕鋼結構建筑的特點突出:整體剛度和抗震性能好、施工速度快、結構占有空間面積小、承載力高,在工業廠房中鋼結構已逐漸代替了較多的鋼筋混凝土結構,以其大跨度、大空間的表現在建筑規模上相當出色。
　　
　　1.鋼結構廠房的優點
　　
　　前文所敘述的是鋼結構作為一種結構形式在設計及施工中的優勢,下面著重探討一下鋼結構廠房所具有的優點。
　　
　　鋼結構廠房的主要優點在于:首先,在施工速度方面:鋼結構構件可以工廠化批量生產,施工簡單,安裝快捷,大大縮短施工周期;其次,鋼結構廠房在自重方面:可減輕建筑物結構質量約30% ,特別在地基承載力低和地震設防烈度較高的地方,其綜合經濟優于鋼筋混凝土結構體系;最后,從環保方面考慮:鋼結構體系屬于環保型綠色建筑體系,鋼材本身是一種高強度高效能的材料,具有很高的再循環價值,并且不需要制模施工。
　　
　　2.鋼結構廠房設計中需要注意的幾個方面
　　
　　2.1保溫隔熱與防火設計
　　
　　鋼材對溫度相當敏感,但溫度升高與降低都使鋼材性能發生變化。鋼材具有非常好的導熱性能,其導熱系數達到50W /(m? ℃ ) ,對于鋼結構建筑,如果不進行保溫隔熱處理,勢必會造成大量能源浪費和消耗,同時還要滿足工藝性要求和舒適性要求。相比之下,低溫性能更重要。下圖為鋼材的機械性能與溫度間的關系曲線。
　　
　　因此,當鋼結構表面溫度處于150 ℃以上時,必須做隔熱及防火設計,做法一般有兩種:
　　
　　高溫屈服強度與室溫屈服強度之比
　　
　　高溫彈性模量與室溫彈性模量之比
　　
　　(1)在鋼構件外包耐火磚,混凝土或硬質防火板材。
　　
　　(2)采用厚涂型防火涂料,厚度按《鋼結構防火涂料應用技術》。
　　
　　2.2溫度伸縮縫的設置
　　
　　溫度變化將引起鋼結構廠房變形,使結構產生溫度應力,其大小與柱子剛度、吊車軌頂標高和溫差有關。當廠房平面尺度很大時,為避免產生過大的溫度應力,應在廠房橫向或縱向設置溫度縫,將平面尺寸很大的廠房分成若干溫度區段(又稱結構單元) 。溫度區段的長度可根據鋼結構設計規范執行。溫度伸縮縫一般采用設置雙柱方法處理,也可采用設置單柱方法處理,對縱向溫度伸縮縫可在屋架支座處設置滾動支座,對橫向溫度伸縮縫可在框架梁與檁條連接處采用橢圓孔滑動方式或槽鋼夾板滑動方式。
　　
　　3.3立面設計
　　
　　輕鋼結構的建筑表現主要有以下4 個方面的特征,即規模、線條、色彩和變化。彩色壓型鋼板使得輕鋼結構建筑表現得豐富多彩,給人一種明顯區別于傳統鋼筋混凝土建筑的耳目一新的感覺。在鋼結構廠房的設計中,廠房的體型受工藝的約束,同時體型變化過于豐富會形成復雜的節點處理,從而提高工程造價。因此在設計中常用手法是采用跳躍性色彩和冷色調,重點突出主要出口、外天溝、收邊泛水等,既豐富了立面又體現了現代化工業廠房的恢宏氣勢。
　　
　　2.4屋蓋支撐系統及屋面設計
　　
　　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、吊車設置及噸位大小、振動設備情況等條件來決定。一般情況下無論有檁或無檁體系的屋蓋結構均應設置垂直支撐,在無檁體系中,大型屋面板有三點和屋架焊接,可起到上弦支撐作用,但考慮到施工條件限制和安裝需要,無論有檁或無檁體系屋蓋均應在屋架上弦和天窗架上弦設置上弦橫向支撐。對于屋架間距不小于12 m的廠房或廠房內設有特重級橋式吊車或廠房內有較大振動設備的均應設置縱向水平支撐。屋面設計的重點是防水。屋面防水設計涉及屋面坡度、天溝形式、單坡屋面長度等因素。
　　
　　根據《屋面工程技術規范》的規定,屋面坡度最小為5%。但在實際工程中,一些外資鋼構公司屋面坡度經常做到3 % ,甚至2 %。考慮到目前國內鋼構廠家技術力量、節點的處理、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,坡度應適當增大。單坡屋面長度,主要取決于工程所在區域的最大溫差以及降雨所形成的最大水頭的高度。根據收集的資料和工程設計經驗,單坡屋面長度宜控制在70 m以內,若超過70 m ,需做專題研究、特殊處理。
　　
　　經過調研了解,目前市場上常用的鋼結構屋面做法有兩種: 1)雙層彩色壓型鋼板內夾保溫棉,使用量很大,但溫差大、單坡長造成的彩鋼板熱脹冷縮問題很難解決。2)復合柔性鋼屋面系統,由屋面彩鋼板內板、隔汽層、保溫層、卷材防水層組成。由于最外層鋪設柔性卷材,整個屋面為一個密閉系統,熱脹冷縮問題不突出,造價較國內一般鋼構廠家稍高。
　　
　　3.鋼結構廠房的主要構成部分:
　　
　　3.1鋼屋蓋系統：首先鋼屋蓋承重構件是由壁薄、細長的桿件組成,截面形狀復雜,節點應力集中又有偏心;其次設計屋蓋系統時計算荷載、計算簡圖較正確,且接近計算極限狀態,結構構件的承載力安全儲備最小,對超載、溫度和腐蝕作用十分敏感,容易因為偶然因素而失效,再加上制造、安裝和使用過程中出現的各種影響,鋼結構屋蓋成為鋼結構廠房破壞中最嚴重的部分。鋼屋蓋發生破壞包括屋蓋倒塌、桁架桿件斷裂(包括與節點板連接斷開) 、屋蓋撓曲超標準、桿件彎曲、節點板彎曲或開裂、屋蓋支撐屈曲等類型。 　　3.2吊車梁系統:吊車梁系統是鋼結構廠房的重要組成部分,包括吊車梁、制動結構、吊車軌道和連接。吊車梁受力復雜,且吊車的垂直力和側向力具有動力特征、沖擊和疲勞作用,比起屋蓋系統吊車梁的計算簡圖、計算方法與實際情況差異更大、不定性更多,結構的耐久性和可靠性最低。
　　
　　3.3柱系統:按照最不利荷載組合設計的柱子,由于荷載同時出現的概率很低,在正常工作條件下,實際應力低于設計應力很多,柱的安全儲備相當大,出現破壞的可能性很小,發生柱整體承載能力不足的而導致破壞的情況很少。工業廠房的柱子常發生如下破壞(柱肢變形、柱肢體有切口、格構式柱子腹桿彎曲和扭曲變形、柱頭與吊車梁支撐牛腿處焊縫開裂、柱子垂直傾斜,圍護結構連接節點損壞,吊車軌道偏位) ,將會影響生產。
　　
　　3.4地基基礎:地基的強度問題主要包括:地基承載力不足或地基喪失穩定性,斜坡喪失穩定性。地基變形問題主要是指軟土、濕陷性黃土、膨脹土、季節性凍土等地區過大的變形和不均勻沉降。地基的破壞通常有三種形式:整體剪切破壞、沖切剪切破壞和局部剪切破壞。
　　
　　4.鋼結構廠房常見施工問題及解決方法
　　
　　4.1鋼結構廠房施工過程中應該注意的施工問題
　　
　　牽系到整個鋼結構工程的質量。涂層作業氣溫應在5～38℃之間為宜,當天氣溫度低于5℃時,應選用相應的低溫涂層材料施涂。當氣溫高于40℃時,應停止涂層作業。因構件溫度超過40℃時,在鋼結構表面涂刷油漆會產生氣泡,降低漆膜的附著力。當空氣濕度大于85% ,或構件表面有結露時,不宜進行鋼結構涂層作業。鋼構件工程制作前,應對構件隱蔽部位、結構夾層難以除銹的部位,提前除銹,提前涂刷。
　　
　　4.2鋼結構體系存在一些不容忽視的問題。
　　
　　目前在網殼結構穩定性的研究中,主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應。在大跨度結構設計中整體穩定與局部穩定的相互關系也是一個值得探討的問題,目前大跨度結構設計中取一個統一的穩定安全系數,未反映整體穩定與局部穩定的關聯性。鋼結構體系的穩定性研究中存在許多隨機因素的影響,目前結構隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結構參數、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍,而在實際工程中,由于結構參數的不確定性,會引起結構響應的顯著差異。所以應著眼于考慮隨機參數的結構極值失穩、干擾型屈曲、跳躍型失穩問題的研究曾對考慮隨機參數的穹頂網殼的穩定問題進行過有益的研究。

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