本文結(jié)合輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其適用范圍，探討了輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中的材料選擇和設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)等問(wèn)題。
隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑的迅速發(fā)展，輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展也是如火如荼，特別在工業(yè)廠房的建設(shè)中則更為迅猛。其特點(diǎn)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(jié)構(gòu)，本文擬就輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)、材料選擇和設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)、在設(shè)計(jì)中根據(jù)其特點(diǎn)揚(yáng)長(zhǎng)避短才能更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的作用，就鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題作簡(jiǎn)單闡述。
一、輕鋼結(jié)構(gòu)及其適用范圍
所謂輕鋼結(jié)構(gòu)通常是指由下列鋼材所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)：
?、倮鋸澅”谛弯摻Y(jié)構(gòu)；
?、跓彳堓p型鋼結(jié)構(gòu)；
③焊接或高頻焊接輕型鋼結(jié)構(gòu)；
④輕型鋼管結(jié)構(gòu)；
?、莅灞谳^薄的焊接組合梁及焊接組合柱而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。
1、適用范圍
根據(jù)我國(guó)目前情況來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)由于其用度廣、優(yōu)勢(shì)明顯，已大量應(yīng)用于單層工業(yè)廠房、多層工業(yè)廠房、辦公樓以及高層建筑中的非承重構(gòu)件等。對(duì)單層工業(yè)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(tǒng)或樓面系統(tǒng)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(shí)也可以再配鋼筋。墻面圍護(hù)也可采用單層或夾層壓型鋼板，夾層板內(nèi)部可充填各種保溫層。
2、主要優(yōu)點(diǎn)
1）施工周期短：輕鋼結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是所有構(gòu)件均可以由工廠制作現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝，對(duì)一般規(guī)模較小的工業(yè)廠房?jī)H需2個(gè)月左右。
2）綜合經(jīng)濟(jì)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(huán)境的動(dòng)態(tài)感；因?yàn)榻ㄖ锉旧淼淖灾剌p，一般情況下不需要做樁基，可以節(jié)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(jīng)兩除兩烘加工而成，耐久性也較好，根據(jù)目前我國(guó)的市場(chǎng)價(jià)格，輕鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)已經(jīng)低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)廠房的跨度越大時(shí)，其優(yōu)勢(shì)更為明顯，這也是它賴(lài)以競(jìng)爭(zhēng)的一大優(yōu)勢(shì)。
3）抗震性能好：由于鋼結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)、自重輕，因而能有效地降低地震響應(yīng)及災(zāi)害影響程度，極有利于抗震。我國(guó)是一個(gè)多地震區(qū)國(guó)家，在地震區(qū)建筑中應(yīng)多多推廣應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，必可大大減少地震災(zāi)害和人員傷亡。唐山地震的慘痛教訓(xùn)應(yīng)予記起。目前，天津市已正式啟動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)住宅。
4）宜于拆卸搬遷：一旦業(yè)主對(duì)所造廠址不滿意或外界環(huán)境發(fā)生意想不到的變化，則整個(gè)建筑可在很短時(shí)間內(nèi)拆遷，損失極小，而所有這些是鋼筋混凝土建筑所無(wú)法具備的。
正是由于輕鋼結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且隨著近年來(lái)防火、防腐新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，已較好地解決了輕鋼結(jié)構(gòu)抗腐蝕性差的缺點(diǎn)，使得它在工業(yè)廠房以及民用設(shè)施中獲得了廣泛的應(yīng)用。
二、材料選擇和設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)
輕鋼結(jié)構(gòu)作為普通鋼結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)，以提高構(gòu)件的截面剛度和整體穩(wěn)定承載力，為此，不得不突破鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)板件寬厚比限值的規(guī)定，允許板件產(chǎn)生局部失穩(wěn)，進(jìn)而利用屈曲后強(qiáng)度的提高。
輕鋼結(jié)構(gòu)門(mén)式剛架是主要的承重結(jié)構(gòu)，一般是采用實(shí)腹型變截面的柱和梁組成。門(mén)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(mén)式剛架工字截面鋼構(gòu)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(fā)揮得更為充分。但是，在增大腹板高度的同時(shí)，如果厚度增之過(guò)大，則腹板耗鋼量太多，也是不經(jīng)濟(jì)的。因此，先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法是采用高而薄的腹板，而是還有相當(dāng)可觀的屈曲后強(qiáng)度可以利用。在主要為均布荷載起控制作用的結(jié)構(gòu)中，在允沖擊、疲勞、振動(dòng)等荷載的條件下，可充分利用結(jié)構(gòu)受力板件的屈曲有效截面來(lái)分析壓彎桿件腹板的穩(wěn)定性，從而使其腹極高厚比限值可以大幅度提高。根據(jù)天津大學(xué)所作的試驗(yàn)證明，當(dāng)荷載超過(guò)理論計(jì)算的屈曲臨界載限多時(shí)腹板才呈現(xiàn)凸曲變形，且凸曲變形都不大，故適當(dāng)利用屈曲后強(qiáng)度是可行的。
當(dāng)前，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)（含輕鋼結(jié)構(gòu)）發(fā)展的形勢(shì)很好，21世紀(jì)是鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展時(shí)期，長(zhǎng)期以來(lái)，由混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)一統(tǒng)天下的格局將被打破，從事鋼結(jié)構(gòu)制造、施工企業(yè)前景寬闊，建筑設(shè)計(jì)技術(shù)人員也面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。筆者認(rèn)為，以下幾點(diǎn)仍需我們加以重視。
1、鋼材的保溫隔熱與防火
鋼材具有很高的導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)為50w(m.℃)，當(dāng)受熱達(dá)到100℃以上時(shí)，其抗拉強(qiáng)度就會(huì)降低，塑性增大；溫度達(dá)到250℃時(shí)，鋼材抗拉強(qiáng)度會(huì)稍提高，但塑性卻降低，出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象；溫度達(dá)到500℃時(shí)，鋼材強(qiáng)度降至很低，會(huì)致使鋼結(jié)構(gòu)塌落。所以當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度達(dá)到150℃以上時(shí)，就必須做隔熱防火設(shè)計(jì)。其做法一般為：鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)包耐火磚、混凝土或硬質(zhì)防火板材?；蛘咪摻Y(jié)構(gòu)刷厚涂型防火涂料，厚度按《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料技術(shù)規(guī)程》計(jì)算。
2、屋面支撐系統(tǒng)及屋面設(shè)計(jì)
屋蓋支撐系統(tǒng)的布置應(yīng)根據(jù)廠房跨度、高度、柱網(wǎng)布置、屋蓋結(jié)構(gòu)形式、吊車(chē)噸位和所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度等條件來(lái)決定。一般情況下無(wú)論有檁或無(wú)檁體系的屋蓋結(jié)構(gòu)均應(yīng)設(shè)置垂直支撐；在無(wú)檁體系中，大型屋面板有三點(diǎn)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(wú)論有檁或無(wú)檁體系屋蓋均應(yīng)在屋架上弦和天窗架上弦設(shè)置上弦橫向支撐。對(duì)于屋架間距不小于12m的廠房或廠房?jī)?nèi)設(shè)有特重級(jí)橋式吊車(chē)或廠房?jī)?nèi)有較大振動(dòng)設(shè)備的均應(yīng)設(shè)置縱向水平支撐。
屋面的排水及防水設(shè)計(jì)在屋面設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮，根據(jù)《屋面工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，屋面坡度最小為5％，在積雪較大的地區(qū)，坡度應(yīng)適當(dāng)加大。單坡屋面的長(zhǎng)度主要取決于所在地區(qū)的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，單坡屋面長(zhǎng)度宜控制在70m以內(nèi)。目前，市場(chǎng)上鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)夾保溫棉；②復(fù)合柔性屋面：由屋面彩鋼板內(nèi)板、隔氣層、保溫層、卷材防水層組成。
3、溫度伸縮縫的設(shè)置
溫度變化將引起鋼結(jié)構(gòu)廠房的變形，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)廠房平面尺度較大時(shí)，為避免產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，應(yīng)在廠房縱橫兩個(gè)方向設(shè)置溫度伸縮縫，區(qū)段的長(zhǎng)度可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范來(lái)執(zhí)行。溫度伸縮縫一般采用設(shè)置雙柱的方法來(lái)處理，對(duì)縱向溫度伸縮縫可在屋架支座處設(shè)置滾動(dòng)支座。
4、防銹處理
鋼結(jié)構(gòu)表面直接暴露在大氣中就會(huì)銹蝕，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)廠房空氣中有侵蝕性介質(zhì)或鋼結(jié)構(gòu)處在潮濕環(huán)境中時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)廠房銹蝕就會(huì)更加明顯和嚴(yán)重。鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕不僅會(huì)使構(gòu)件截面減小，還會(huì)使鋼構(gòu)件表層局部產(chǎn)生銹坑，當(dāng)構(gòu)件受力時(shí)將引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房構(gòu)件的防銹蝕問(wèn)題應(yīng)予以足夠的重視，并應(yīng)根據(jù)廠房侵蝕介質(zhì)情況和環(huán)境條件在總圖布置、工藝布置、材料選擇等方面采取相應(yīng)對(duì)策和措施，以確保廠房結(jié)構(gòu)的安全。
一般鋼結(jié)構(gòu)的防腐常采用防銹底漆和面漆，涂裝層數(shù)及厚度常根據(jù)其使用環(huán)境和涂層性質(zhì)來(lái)決定。一般室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)在自然大氣介質(zhì)作用下，要求涂層厚度100μm，即底漆兩道，面漆兩道。露天鋼結(jié)構(gòu)或在工業(yè)大氣介質(zhì)作用下的鋼結(jié)構(gòu)，要求漆膜總厚度為150μm～200μm。且在酸環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)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(hù)層厚度不小于50mm。
5、立面設(shè)計(jì)
輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑主要有把握以下4個(gè)方面的特征：規(guī)模、線條、色彩、變化。鋼結(jié)構(gòu)廠房的立面主要由工藝布置來(lái)決定，在滿足工藝的要求下力求立面簡(jiǎn)潔恢宏同時(shí)使節(jié)點(diǎn)盡量簡(jiǎn)單統(tǒng)一。彩色壓型鋼板使得輕鋼廠房的建筑表現(xiàn)得體形輕盈色彩豐富，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉重單一。在輕鋼廠房的設(shè)計(jì)中常采用跳躍性色彩和冷色調(diào)，重點(diǎn)突出主要出入口、外天溝、收邊泛水等地方，既體現(xiàn)了現(xiàn)代化廠房的恢宏氣勢(shì)，又豐富了立面效果。
總之，鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理且美觀大方。我們?nèi)孕柙谠O(shè)計(jì)中不斷探索，盡力找出更好的方案。新的建筑技術(shù)的應(yīng)用，給我們的消防設(shè)計(jì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員需多方面考慮問(wèn)題，在分析比較中尋找更合適的方案。
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