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        淺析鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計要點

        2022-02-21 04:26:14曹淑娟
        河南建材 2022年2期
        關(guān)鍵詞:柱間柱網(wǎng)廠房

        曹淑娟

        山西太鋼工程技術(shù)公司(030021)

        0 前言

        隨著社會工業(yè)的快速發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)因其在各方面的優(yōu)越性,在工業(yè)廠房建設(shè)中應(yīng)用越來越廣泛。鋼結(jié)構(gòu)建筑越來越受到人們青睞,滿足了工業(yè)建筑的建設(shè)要求,鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房已逐漸取代混凝土廠房。

        1 鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)越性

        鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用廣泛。隨著改革開放和經(jīng)濟發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)建筑除工業(yè)廠房外,還適用于倉庫、體育館、高鐵站、飛機庫等大跨度建筑。

        鋼結(jié)構(gòu)建筑建造速度快,施工周期短。依據(jù)設(shè)計圖紙,大多數(shù)構(gòu)件已在工廠預(yù)制加工完成,現(xiàn)場安裝工業(yè)化程度高,可縮短施工周期,早日建成投入使用,大幅度提高綜合經(jīng)濟效。在實際工程中,面積8 000 m2的工業(yè)廠房,只需兩個月即可完成。

        鋼結(jié)構(gòu)建筑自重輕,強度高、塑性韌性好,變形能力強。鋼結(jié)構(gòu)對動荷載適應(yīng)性強,節(jié)點延性好,抗震性能高。同時,柱網(wǎng)布置靈活,可以提高空間利用率,最大程度滿足工業(yè)建筑生產(chǎn)工藝要求,尤其適用于大跨度工業(yè)廠房。

        鋼結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)濟性能好,綠色環(huán)保。鋼結(jié)構(gòu)建筑成本較低,因其自重輕,相應(yīng)基礎(chǔ)面積小,造價低,對地基承載力要求相應(yīng)降低。鋼結(jié)構(gòu)可重復(fù)利用,大大減少建筑垃圾,更加綠色環(huán)保。

        2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計要點

        鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房一般是由橫向結(jié)構(gòu)和縱向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成。橫向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是框架(包括屋架或橫梁、天窗架和柱),是鋼結(jié)構(gòu)廠房的基本承重結(jié)構(gòu),承受屋面荷載、橫向風(fēng)荷載和地震作用,在有吊車的工業(yè)房屋中還要承受吊車的豎向荷載和橫向水平荷載。縱向結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是由柱、托架(用于大柱距)、柱間支撐、墻梁等構(gòu)成。橫向框架承重體系通過檁條、墻梁、屋面板、墻板等圍護體系及由柱、柱間支撐、屋面支撐、系桿等支撐體系組成空間受力體系。

        首先,要對廠房的建筑和結(jié)構(gòu)進行合理的規(guī)劃,使其滿足工藝和使用要求,并預(yù)測未來可能產(chǎn)生的工藝流程變化及發(fā)展,盡可能滿足未來發(fā)展需求。然后,根據(jù)工藝設(shè)計方案確定車間平面及高度方向的主要尺寸,布置柱網(wǎng)和溫度伸縮縫,確定橫向承重體系的形式,預(yù)估承重構(gòu)件的型號大小。根據(jù)吊車梁跨度及吊車荷載選擇吊車梁類型,根據(jù)柱距及柱高確定支撐形式,根據(jù)柱距布置墻架柱、墻梁等。上述各受力體系有了具體結(jié)構(gòu)形式后,接下來根據(jù)荷載、跨度、高度等數(shù)據(jù)預(yù)估桿件型號進行受力分析及內(nèi)力計算、詳細節(jié)點連接設(shè)計,最后繪制施工圖。

        2.1 柱網(wǎng)和溫度伸縮縫的布置

        2.1.1 柱網(wǎng)布置

        進行柱網(wǎng)布置時,應(yīng)注意以下幾方面的問題。

        2.1.1.1 滿足生產(chǎn)工藝要求

        柱網(wǎng)的布置應(yīng)滿足產(chǎn)品工藝流程和生產(chǎn)設(shè)備的空間需求,還應(yīng)考慮未來生產(chǎn)發(fā)展和工藝設(shè)備更新方面的需要。

        2.1.1.2 滿足結(jié)構(gòu)傳力合理的要求

        柱網(wǎng)布置需保證廠房結(jié)構(gòu)的傳力合理,保證廠房的橫向剛度,應(yīng)盡可能將柱網(wǎng)布置在同一橫向軸線上。

        2.1.1.3 符合經(jīng)濟合理的要求

        柱的縱向間距同時也是縱向構(gòu)件(吊車梁、托架等)的跨度。廠房的柱距增大,可減少柱的數(shù)量,廠房耗鋼量隨之減少,同時也可減少柱基礎(chǔ)的工程量,但柱距增大,吊車系統(tǒng)構(gòu)件及托架的重量隨之增加。為盡可能減少投資,降低單位面積耗鋼量,需比較權(quán)衡來確定最合理的柱網(wǎng)布置。

        2.1.1.4 符合柱距規(guī)定要求

        按照《廠房建筑統(tǒng)一化基本原則》《建筑統(tǒng)一模數(shù)制》的規(guī)定:結(jié)構(gòu)構(gòu)件的統(tǒng)一化和標(biāo)準化可降低制作和安裝的工作量。沿廠房跨度方向,當(dāng)L≤18 m時,橫向框架跨度宜采用3 m的倍數(shù);當(dāng)L>18 m時,其跨度宜采用6 m的倍數(shù);沿廠房縱向柱列,基本柱距一遍采用6 m或12 m,根據(jù)工藝生產(chǎn)流程需要柱距可按18 m甚至24 m布置。

        2.1.2 溫度伸縮縫

        眾所周知,溫度升降會引起鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件熱脹冷縮,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形,結(jié)構(gòu)變形引起鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)生溫度應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)使用性能降低甚至損壞。為避免產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力和溫度變形,應(yīng)在縱向長度及橫向跨度較大的廠房中間設(shè)置溫度伸縮縫。

        溫度伸縮縫最常見的做法是設(shè)置雙柱。即在縫的兩側(cè)布置兩個無任何縱向構(gòu)件聯(lián)系的橫向框架,使溫度伸縮縫的中線和定位軸線重合。

        2.2 橫向框架的荷載和內(nèi)力

        2.2.1 永久荷載和可變荷載

        永久荷載有:橫向剛架、屋面系統(tǒng)、支撐體系、吊車梁系統(tǒng)、墻架系統(tǒng)及設(shè)備管道等。

        可變荷載有:風(fēng)荷載、雪荷載、積灰荷載、屋面活荷載、吊車荷載、地震荷載等。

        2.2.2 內(nèi)力分析和內(nèi)力組合

        下面進行橫向框架即廠房承重體系的計算。依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[1]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準》[2],為簡化計算,將空間受力的鋼結(jié)構(gòu)廠房假設(shè)成平面受力體系進行計算。每榀框架即為一個計算單元。先計算出每個計算單元內(nèi)的永久荷載和可變荷載,確定荷載之后即可根據(jù)梁柱強度、穩(wěn)定、柱位移比、梁撓度各項控制指標(biāo)來確定梁柱承重構(gòu)件具體型號及鋼材等級。

        2.3 支撐的作用及布置原則

        對鋼結(jié)構(gòu)廠房而言,因其構(gòu)件自重輕,抵抗水平荷載(如風(fēng)荷載、吊車荷載及地震荷載)能力差,支撐的作用尤其重要。鋼結(jié)構(gòu)廠房的支撐分為屋面支撐和柱間支撐。

        屋面支撐的作用:橫向支撐和縱向支撐形成封閉型,保證鋼結(jié)構(gòu)廠房的空間整體作用;避免受壓桿件側(cè)向失穩(wěn),減小鋼架梁平面外計算長度;承擔(dān)山墻水平荷載,將其傳遞給柱間支撐及基礎(chǔ);保證施工安裝階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

        柱間支撐的作用:組成縱向構(gòu)架體系,保證廠房的縱向剛度;承擔(dān)廠房端部山墻的風(fēng)荷載、溫度應(yīng)力及縱向地震荷載,并通過壓梁傳至基礎(chǔ);柱間支撐及系桿可作為鋼架柱平面外的支點,從而減小柱平面外計算長度[3]。

        柱間支撐的布置原則:應(yīng)滿足廠房生產(chǎn)凈空的要求;應(yīng)滿足廠房縱向剛度的要求,同時還應(yīng)考慮柱間支撐的設(shè)置對廠房結(jié)構(gòu)溫度變形的影響,及由此產(chǎn)生的附加應(yīng)力;柱間支撐的設(shè)置應(yīng)與屋面支撐布置相協(xié)調(diào),一般均與屋面支撐設(shè)置在同一柱距內(nèi);每一溫度區(qū)段的每列柱,一般均應(yīng)設(shè)置柱間支撐[4]。

        3 鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計常見問題及優(yōu)化

        鋼結(jié)構(gòu)建筑有許多方面的優(yōu)勢,但也有不足之處,比如桿件厚度小,耐腐蝕性能差,防火性能差,鋼材在一定溫度下短時間內(nèi)強度降低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞,防水性能差。根據(jù)工作經(jīng)驗,針對常見問題總結(jié)出以下優(yōu)化方案。

        3.1 保溫隔熱

        對于鋼結(jié)構(gòu)建筑,鋼材受熱性能見表1。保溫隔熱處理做法一般有兩種:在鋼構(gòu)件外側(cè)刷防火涂料,防火涂料具體類型及厚度根據(jù)構(gòu)件耐火等級及耐火時間確定(適用于鋼結(jié)構(gòu)受到短時間火焰的直接作用);在鋼構(gòu)件外側(cè)包硬質(zhì)防火板材或耐火磚(適用于鋼結(jié)構(gòu)受到熾熱熔化金屬的侵害時)[5]。

        表1 鋼材受熱性能

        3.2 屋面防水設(shè)計

        針對鋼結(jié)構(gòu)屋面熱脹冷縮的特點,合理選擇屋面體系。屋面結(jié)構(gòu)選擇浮動式屋面,屋面板橫向以咬口式鎖合,即直立縫鎖邊縱向采用三明治擠壓方式連接,同時屋面板搭接長度不小于40 mm。這種結(jié)構(gòu)體系可滑動,密封性好,防水效果好,抗風(fēng)能力強。

        設(shè)計時應(yīng)嚴格按照規(guī)范要求設(shè)計屋面雨水系統(tǒng),并設(shè)置溢流措施,同時補充設(shè)計窗口上下檐口的包邊、屋脊泛水板和陰陽角等細部節(jié)點,防止出現(xiàn)雨水滲漏現(xiàn)象。

        3.3 防銹處理

        銹蝕的危害性:使構(gòu)件截面厚度變薄;構(gòu)件表面產(chǎn)生局部銹蝕;引起構(gòu)件乃至整個結(jié)構(gòu)過早損壞。

        防銹蝕處理方法:構(gòu)件表面除銹后涂刷防銹漆,具體防銹漆的類型、層數(shù)、厚度根據(jù)構(gòu)件使用環(huán)境確定。

        4 結(jié)語

        鋼結(jié)構(gòu)作為當(dāng)前工業(yè)廠房的主要結(jié)構(gòu)形式,優(yōu)化設(shè)計充分發(fā)揮其優(yōu)勢,避免不足之處,可以極大提升鋼結(jié)構(gòu)廠房的使用性能。同時鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展會帶動一系列輕質(zhì)高強墻體材料的發(fā)展,并為綠色建材的發(fā)展創(chuàng)造條件。

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