輕鋼結構廠房設計需要注意的問題
日期：2017-12-19本文結合輕鋼結構設計及其適用范圍，探討了輕鋼結構工業廠房設計中的材料選擇和設計中的注意事項等問題。
隨著我國鋼結構建筑的迅速發展，輕鋼結構的發展也是如火如荼，特別在工業廠房的建設中則更為迅猛。其特點有：其整體剛度和抗震性能好、施工速度快、自重輕、承載力高，在大跨度及超高層建筑中代替了鋼筋混凝土結構，本文擬就輕鋼結構的優點、材料選擇和設計中的注意點、在設計中根據其特點揚長避短才能更好地發揮鋼結構的作用，就鋼結構工業廠房在設計中的幾個問題作簡單闡述。
一、輕鋼結構及其適用范圍
所謂輕鋼結構通常是指由下列鋼材所構成的結構：
①冷彎薄壁型鋼結構；
②熱軋輕型鋼結構；
③焊接或高頻焊接輕型鋼結構；
④輕型鋼管結構；
⑤板壁較薄的焊接組合梁及焊接組合柱而構成的結構。
01 適用范圍
根據我國目前情況來看，這種結構由于其用度廣、優勢明顯，已大量應用于單層工業廠房、多層工業廠房、辦公樓以及高層建筑中的非承重構件等。對單層工業廠房而言，通常以H型鋼，采用焊接連接作為梁柱，以C形或Z形輕鋼板作檁條，屋蓋系統或樓面系統用壓型彩色鋼板作面層，上面可澆混凝土，壓型鋼板既可作為鋼筋，必要時也可以再配鋼筋。墻面圍護也可采用單層或夾層壓型鋼板，夾層板內部可充填各種保溫層。
02 主要優點
1）施工周期短：輕鋼結構的最大優點是所有構件均可以由工廠制作現場拼接安裝，對一般規模較小的工業廠房僅需2個月左右。
2）綜合經濟效益好：由于施工周期短，可以提前投入使用，提前獲取投資效益；更由于采用色彩鮮艷的彩色壓型鋼板，美觀華麗，改善了周邊環境的動態感；因為建筑物本身的自重輕，一般情況下不需要做樁基，可以節省投資；由于采用了聚苯已烯泡沫夾心板或單板加保溫棉等措施后，使保溫、隔熱和隔章等效果良好。彩色鋼板是以鍍鋅為基板又用硅酮作為表面，經兩除兩烘加工而成，耐久性也較好，根據目前我國的市場價格，輕鋼結構的造價已經低于鋼筋混凝土結構，當廠房的跨度越大時，其優勢更為明顯，這也是它賴以競爭的一大優勢。
3）抗震性能好：由于鋼結構屬于柔性結構、自重輕，因而能有效地降低地震響應及災害影響程度，極有利于抗震。我國是一個多地震區國家，在地震區建筑中應多多推廣應用鋼結構，必可大大減少地震災害和人員傷亡。唐山地震的慘痛教訓應予記起。目前，天津市已正式啟動輕鋼結構住宅。
4）宜于拆卸搬遷：一旦業主對所造廠址不滿意或外界環境發生意想不到的變化，則整個建筑可在很短時間內拆遷，損失極小，而所有這些是鋼筋混凝土建筑所無法具備的。
正是由于輕鋼結構的諸多優點，而且隨著近年來防火、防腐新產品的不斷出現，已較好地解決了輕鋼結構抗腐蝕性差的缺點，使得它在工業廠房以及民用設施中獲得了廣泛的應用。
二、材料選擇和設計中的注意事項
輕鋼結構作為普通鋼結構的衍生結構，以提高構件的截面剛度和整體穩定承載力，為此，不得不突破鋼結構設計規范中對板件寬厚比限值的規定，允許板件產生局部失穩，進而利用屈曲后強度的提高。
輕鋼結構門式剛架是主要的承重結構，一般是采用實腹型變截面的柱和梁組成。門式剛架的形成可以單坡、雙坡和多坡，多跨建筑的中間柱多采用較接的搖擺柱。門式剛架工字截面鋼構件中腹板以受剪為主，抗彎作用不如翼緣有效，增大腹板的高度，可使翼緣抗彎能力發揮得更為充分。但是，在增大腹板高度的同時，如果厚度增之過大，則腹板耗鋼量太多，也是不經濟的。因此，先進的設計方法是采用高而薄的腹板，而是還有相當可觀的屈曲后強度可以利用。在主要為均布荷載起控制作用的結構中，在允沖擊、疲勞、振動等荷載的條件下，可充分利用結構受力板件的屈曲有效截面來分析壓彎桿件腹板的穩定性，從而使其腹極高厚比限值可以大幅度提高。根據天津大學所作的試驗證明，當荷載超過理論計算的屈曲臨界載限多時腹板才呈現凸曲變形，且凸曲變形都不大，故適當利用屈曲后強度是可行的。
當前，我國鋼結構（含輕鋼結構）發展的形勢很好， 21世紀是鋼結構快速發展時期，長期以來，由混凝土結構、砌體結構一統天下的格局將被打破，從事鋼結構制造、施工企業前景寬闊，建筑設計技術人員也面臨著新的機遇和挑戰。筆者認為，以下幾點仍需我們加以重視。
01 鋼材的保溫隔熱與防火
鋼材具有很高的導熱性能，其導熱系數為50w(m.℃)，當受熱達到100℃以上時，其抗拉強度就會降低，塑性增大；溫度達到250℃時，鋼材抗拉強度會稍提高，但塑性卻降低，出現藍脆現象；溫度達到500℃時，鋼材強度降至很低，會致使鋼結構塌落。所以當鋼結構所處環境溫度達到150℃以上時，就必須做隔熱防火設計。其做法一般為：鋼結構外側包耐火磚、混凝土或硬質防火板材。或者鋼結構刷厚涂型防火涂料，厚度按《鋼結構防火涂料技術規程》計算。
02 屋面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、吊車噸位和所在地區的抗震設防烈度等條件來決定。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，但考慮到施工條件的限制和安裝需要。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12m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。
屋面的排水及防水設計在屋面設計中需重點考慮，根據《屋面工程技術規范》的規定，屋面坡度最小為5％，在積雪較大的地區，坡度應適當加大。單坡屋面的長度主要取決于所在地區的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據工程設計經驗，單坡屋面長度宜控制在70m以內。目前，市場上鋼結構屋面的做法常用的有兩種：① 剛性屋面：雙層彩色壓型鋼板內夾保溫棉；② 復合柔性屋面：由屋面彩鋼板內板、隔氣層、保溫層、卷材防水層組成。
03 溫度伸縮縫的設置
溫度變化將引起鋼結構廠房的變形，使結構產生溫度應力，當廠房平面尺度較大時，為避免產生較大的溫度應力，應在廠房縱橫兩個方向設置溫度伸縮縫，區段的長度可以根據鋼結構規范來執行。溫度伸縮縫一般采用設置雙柱的方法來處理，對縱向溫度伸縮縫可在屋架支座處設置滾動支座。
04 防銹處理
鋼結構表面直接暴露在大氣中就會銹蝕，當鋼結構廠房空氣中有侵蝕性介質或鋼結構處在潮濕環境中時，鋼結構廠房銹蝕就會更加明顯和嚴重。鋼結構的銹蝕不僅會使構件截面減小，還會使鋼構件表層局部產生銹坑，當構件受力時將引起應力集中現象，使結構過早破壞。因此，對鋼結構廠房構件的防銹蝕問題應予以足夠的重視，并應根據廠房侵蝕介質情況和環境條件在總圖布置、工藝布置、材料選擇等方面采取相應對策和措施，以確保廠房結構的安全。
一般鋼結構的防腐常采用防銹底漆和面漆，涂裝層數及厚度常根據其使用環境和涂層性質來決定。一般室內鋼結構在自然大氣介質作用下，要求涂層厚度100μm，即底漆兩道，面漆兩道。露天鋼結構或在工業大氣介質作用下的鋼結構，要求漆膜總厚度為150μm～200μm。且在酸環境中的鋼結構要求使用氯磺化防酸漆。鋼柱柱腳在地面以下部分要用不低于C20的混凝土包裹，其保護層厚度不小于50mm。
05 立面設計
輕鋼結構的建筑主要有把握以下4個方面的特征：規模、線條、色彩、變化。鋼結構廠房的立面主要由工藝布置來決定，在滿足工藝的要求下力求立面簡潔恢宏同時使節點盡量簡單統一。彩色壓型鋼板使得輕鋼廠房的建筑表現得體形輕盈色彩豐富，明顯優于傳統鋼筋混凝土結構的沉重單一。在輕鋼廠房的設計中常采用跳躍性色彩和冷色調，重點突出主要出入口、外天溝、收邊泛水等地方，既體現了現代化廠房的恢宏氣勢，又豐富了立面效果。
總之，鋼結構廠房的設計，應根據其特點進行建筑結構設計，使設計安全可靠，經濟合理且美觀大方。我們仍需在設計中不斷探索，盡力找出更好的方案。新的建筑技術的應用，給我們的消防設計帶來新的挑戰，設計人員需多方面考慮問題，在分析比較中尋找更合適的方案。 
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