【摘要】隨著現(xiàn)代工業(yè)建筑的發(fā)展，輕型鋼結(jié)構(gòu)憑借著諸多優(yōu)勢(shì)逐漸得到了廣泛應(yīng)用，包括施工便利性、環(huán)保性以及經(jīng)濟(jì)性等。本文首先針對(duì)輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑概念進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，明確了輕型鋼在工業(yè)建筑的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其后分析了工業(yè)建筑輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，并圍繞工程案例探討了輕型鋼在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用要點(diǎn)，以期可供參考。

【關(guān)鍵詞】輕型鋼;工業(yè)建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);輕型門式剛架廠房? ? ? ? ? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.31.029

1、引言

工業(yè)建筑是建筑領(lǐng)域的重要組成部分之一，由于承載要求高，自身結(jié)構(gòu)荷載量不斷提高，如何在保證結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的同時(shí)合理控制自身荷載量成為一大重要問(wèn)題。近年來(lái)，輕型鋼憑借著質(zhì)輕、強(qiáng)度高、裝配簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)建筑中得到了廣泛應(yīng)用，其性價(jià)比較高，施工現(xiàn)場(chǎng)操作便利，可有效縮短施工工期，打造優(yōu)質(zhì)項(xiàng)目。為保障工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)整體性能，必須將輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)重點(diǎn)工作來(lái)抓，合理確定各個(gè)構(gòu)件的布置方案，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)落實(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化工作，本文圍繞此展開(kāi)詳細(xì)分析。

2、輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑概念

國(guó)外輕型鋼發(fā)展較早，主要是源于歐洲傳統(tǒng)建筑中木結(jié)構(gòu)的影響，小斷面型鋼、薄壁逐漸發(fā)展起來(lái)，并逐漸運(yùn)用于工業(yè)建筑工程。傳統(tǒng)的重型工業(yè)廠房，逐漸被輕型鋼結(jié)構(gòu)替代，尤其是門式鋼架結(jié)構(gòu)體系的運(yùn)用較為廣泛，其與一般輕型鋼結(jié)構(gòu)相比，側(cè)向剛度更大，在抗震、水平承載能力方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，我國(guó)鋼鐵行業(yè)發(fā)展迅猛，從2020年整體產(chǎn)量來(lái)看，生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別為8.88億噸、10.53億噸和13.25億噸，同比分別增長(zhǎng)4.3%、5.2%和7.7%。基于如此巨大的鋼材產(chǎn)量背景下，推動(dòng)了我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，工業(yè)建筑中輕型鋼結(jié)構(gòu)越加常見(jiàn)。結(jié)合相關(guān)理論與工程實(shí)踐分析顯示，輕型鋼在工業(yè)建筑中的運(yùn)用，可減少約50%混凝土使用量，同時(shí)建筑自身質(zhì)量可減輕3 /4;輕型鋼材料施工工期較短，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)綁扎鋼筋、制作模板，但建筑整體強(qiáng)度有所保障;輕型鋼結(jié)構(gòu)減少了砂、石、灰用量，且建筑拆除時(shí)多數(shù)材料可回收再利用，污染小且整體經(jīng)濟(jì)性好?；谏鲜龇治隹傻?，輕型鋼在工業(yè)建筑中的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢(shì)，施工便利、經(jīng)濟(jì)性好、綠色環(huán)保，值得推廣應(yīng)用。

3、工業(yè)建筑輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

3.1適用性原則

輕型鋼在工業(yè)建筑領(lǐng)域中的運(yùn)用，主要適用于低載荷承重的建筑。隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與相關(guān)技術(shù)體系的完善，輕型鋼的運(yùn)用越加廣泛，結(jié)構(gòu)體系較為靈活，在抗腐蝕、抗震方面表現(xiàn)較好。輕型鋼在工業(yè)建筑中需根據(jù)實(shí)際情況開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，重視隔音性能、保溫隔熱性能以及采光性能分析，合理運(yùn)用輕型鋼骨等材料，發(fā)揮輕型鋼結(jié)構(gòu)高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。

3.2安全性原則

工業(yè)建筑輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須重視安全系數(shù)問(wèn)題，既要保證作業(yè)人員安全，也要確保建筑材料各方面安全性。根據(jù)工業(yè)建筑實(shí)際運(yùn)行情況分析顯示，工業(yè)生產(chǎn)往往對(duì)環(huán)境要求較高，工業(yè)建筑輕型鋼結(jié)構(gòu)必須具備良好的抗壓、抗震、抗腐蝕以及防火性能，一方面需嚴(yán)格選用輕型鋼材料，另一方面需科學(xué)開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作，保證工業(yè)建筑整體結(jié)構(gòu)安全可靠。

3.3經(jīng)濟(jì)性原則

輕型鋼在工業(yè)建筑中的推廣運(yùn)用，主要取決于其重量輕、成本低兩大優(yōu)勢(shì)。對(duì)此，在工業(yè)建筑輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循經(jīng)濟(jì)性原則，根據(jù)工業(yè)建筑環(huán)境、使用需求，科學(xué)開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，合理確定建筑方案，不得盲目設(shè)計(jì)，避免不必要的浪費(fèi)，切實(shí)保障工業(yè)建筑項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。

4、輕型鋼在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用要點(diǎn)

本文以常見(jiàn)的門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑為例，詳細(xì)分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

4.1工程概況

本項(xiàng)目為某輕型門式剛架廠房，擬建尺寸為220m×130m，主體建筑高度9.7m，地上一層。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下表1所示。

4.2門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

（1）構(gòu)件空間布置：門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑，主要構(gòu)成包括屋面壓型鋼板、墻面與屋面檁條、支撐系統(tǒng)、吊車梁、鋼梁與鋼柱，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化中必須對(duì)各種影響因素的綜合分析，包括：建筑高度、吊車噸位、屋面荷載、跨度、柱距、坡度等，合理布置各個(gè)構(gòu)件，如：確定最優(yōu)柱距，合理控制檁條、吊車梁用鋼量與剛架數(shù)量，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

（2）構(gòu)件截面優(yōu)化：確定門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)布局、材料方案的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)構(gòu)件截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，在保證的構(gòu)件內(nèi)力的前提下，提高廠房整體經(jīng)濟(jì)性。鋼架主要利用變截面H型鋼實(shí)現(xiàn)鋼材節(jié)約，H型鋼腹板高度、厚度可根據(jù)需要進(jìn)行變化，兼顧結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)性要求。

4.3門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化要點(diǎn)

4.3.1跨度確定

結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑跨度以15～36m為主，主要影響因素為屋面荷載，當(dāng)屋面荷載增加時(shí)，柱截面尺寸須隨之增大，否則用鋼量必然增加;若是跨度過(guò)大，則梁截面尺寸將進(jìn)一步增大，用鋼量增加。

本工程1跨2臺(tái)吊車，吊車噸位為5t，屋檐位置高度9. 7m，屋面坡度1 /20（暫定），采用PKPM - STS構(gòu)建單榀剛架模型，選取三種柱距進(jìn)行計(jì)算，分別為6m、7. 5m、9m;在輕型鋼結(jié)構(gòu)用鋼量計(jì)算時(shí)，需根據(jù)柱距確定作用在單榀剛架模型上的面荷載、吊車梁荷載。根據(jù)實(shí)際計(jì)算與分析顯示，跨度在24～27m時(shí)，輕型鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，通過(guò)與甲方溝通最終將跨度取為21m，設(shè)置6跨，合計(jì)126m。

4.3.2柱距確定

在進(jìn)行門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑柱距設(shè)置時(shí)，受到多個(gè)因素的影響，包括：跨度、屋面荷載、墻面與屋面檁條形式等。本工程采用PKPM-STS 構(gòu)建整體剛架模型，對(duì)不同跨度下，6m、7. 5m、9m三種柱距的用鋼量，根據(jù)實(shí)際計(jì)算與分析顯示，當(dāng)柱距6m的情況下，廠房的用鋼量最少，最終將柱距確定為6m。

4.3.3坡度確定

根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》要求，輕型門式剛架坡度最小值為1 /20。從坡屋面的功能來(lái)看，以排水為主，由此坡度變化不會(huì)對(duì)鋼架內(nèi)力產(chǎn)生直接影響，但是坡度一旦變大將導(dǎo)致斜梁長(zhǎng)度變化，進(jìn)而對(duì)輕型鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量產(chǎn)生影響。本工程采用PKPM - STS 構(gòu)建整體剛架模型，將已經(jīng)確定的跨度（21m）、柱距（6m）導(dǎo)入，并對(duì)不同坡度的輕型鋼結(jié)構(gòu)用鋼量進(jìn)行計(jì)算，分別為1 /20、1 /15、1 /10、1 /8。根據(jù)實(shí)際計(jì)算與分析顯示，當(dāng)坡度取值為1 /20時(shí)，整體用鋼量最少，適用于廠房跨度不大的情況。

4.3.4構(gòu)件截面優(yōu)化

本工程采用變截面剛架斜梁，變截面位置以斜梁反彎點(diǎn)處為宜，1跨主要分為三段，比例控制在1∶2∶1，端部跨度可根據(jù)輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑整體跨度適當(dāng)減小 0. 5～1m，實(shí)際可采用PKPM-STS繪制彎矩分布圖，并以此為依據(jù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化;本工程采用的是5t吊車，剛架梁、柱的應(yīng)力比最大值以0.9以內(nèi)為宜;剛架梁、柱H 型鋼最小高度以350mm為宜，最小腹板厚度5mm;本工程吊車梁容許撓度限值，建議按下表2取值。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及工業(yè)建筑施工速度、成本等方面的要求，輕鋼結(jié)構(gòu)逐漸成為一大發(fā)展趨勢(shì)，在工業(yè)建筑領(lǐng)域中得到了廣泛運(yùn)用。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，輕鋼結(jié)構(gòu)材料具有重量輕、強(qiáng)度高、現(xiàn)場(chǎng)施工便利等特點(diǎn)，有利于縮短施工周期，提高建筑經(jīng)濟(jì)效益。為充分發(fā)揮輕型鋼在工業(yè)建筑的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，必須根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況科學(xué)開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作，在保證結(jié)構(gòu)安全性、可靠性的基礎(chǔ)上，通過(guò)各個(gè)構(gòu)件的合理布置與截面優(yōu)化，有效控制整體用鋼量，由此實(shí)現(xiàn)工業(yè)建筑成本的合理管控，提高建筑工程綜合效益。

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作者簡(jiǎn)介：

招云杰（1970-），男，廣東廣州人，工程師，本科，工作方向：工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。