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论绿色工业建筑钢结构厂房结构设计

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摘要:随着建筑技术的不断发展,绿色理念在建筑行业得到推广。在基础建设持续推进下,越来越多的绿色建筑设计被逐渐应用到了各种建筑当中,钢结构单层工业厂房结构设计就是其中之一。本文简单介绍了钢结构特点及其单层工业厂房结构,重点分析了相关的设计要点,以供诸位参考。

关键词:绿色工业建筑;钢结构;单层工业厂房;结构设计

引言

80年代,随着沿海地区引进了轻钢建筑施工技术,我国家开始大量建设各种钢结构厂房、钢结构高层建筑,这是钢结构发展的第一次高潮。从建筑用钢情况来看,我国钢结构用量仅占总建筑用钢量的1%,远不足发达国家的80%。不过可喜的是,目前我国钢结构的发展呈现出前所未有的兴旺景象,而国家也明确提出,要积极合理地扩大钢结构在建筑中的应用范围。笔者现就钢结构单层工业厂房的结构设计做以下分析与论述。

一、钢结构特点及其单层工业厂房结构

(一)钢结构特点钢结构的优点在于,其具有良好的抗震性、抗风性、耐久性、舒适性,隔音效果好,而且健康,施工快捷,不受环境影响。轻钢构件有着更强的抗震及抵抗水平荷载的能力,适用于抗震烈度8度以上的地区;其钢骨是由超级防腐高强冷轧镀锌板制造而成,可有效防止锈蚀,同时增加钢构件的使用寿命,最长可达100年。型钢结构重量轻,强度高,整体性能好,且有较强的变形能力;型钢结构自重仅为砖混结构的20%,可抵抗4200米/分钟的飓风。轻钢墙体采用高效节能体系,具备呼吸功能,可控制室内空气中的含水量;屋顶具有通风功能,满足室内通风及散热需求。轻钢体系下,窗采用中空玻璃,有良好的隔音效果;据测试,可隔离40分贝以上声音,使用轻钢龙骨和石膏板施工的墙体,可隔离60分贝以上的声音。此外,钢结构采用干作业施工,这样一来,既可减少砂石等材料的使用,又可避免了施工废弃物对环境造成影响。另外,钢结构材料可百分百回收,其他配套材料也可大部分回收,有效提高了资源利用率。钢结构一般适用于大跨度结构建筑,如桥梁、体育馆等;也适用于重型厂房,即工业厂房;还适用于受动力影响的结构建筑,此时钢结构发挥韧性性能,起承重作用。

(二)钢结构单层工业厂房结构钢结构单层工业厂房有两种结构。一种是排架结构,此结构下,屋架和柱顶铰接,柱与基础顶面刚接;排架结构可根据不同生产工艺以及使用要求,设计成各种不同的形式,如图1所示。另一种是钢架结构,常用钢架结构有门式刚架与钢框架结构,门式刚架以H型钢为主要构筑材料,主结构以榀为单元,单元由柱和梁组合为门型,也有无柱或连跨的,门架之间用支撑和檩条连接,如图2所示;钢框架结构下,钢柱上柱升高到屋架上弦,屋架上下弦均与上柱刚接,如图3所示。钢结构厂房结构主要分五部分。其一,屋盖结构。其分为有檩、无檩两种体系,有檩体系由小型屋面板、檩条、屋架、屋盖支撑组成;无檩体系由大型屋面板、屋面梁或屋架及屋盖支撑组成。有些屋盖结构中还会有天窗架及托架,起承受屋盖自重、屋面活荷载及其他荷载的作用。其二,吊车梁。一般安放于柱子伸出的牛腿上,主要起承受吊车自重、吊车刹车冲切力的作用。其三,柱子。其为主要承重构件,承受屋盖、吊车梁、墙体荷载及其他荷载,包括横向柱列、纵向柱列及柱间支撑系统。其四,基础。一般采用独立式基础,起承受柱子荷载、梁上部分荷载的作用。其五,外墙围护系统。包括厂房四周外墙、抗风柱、墙梁、基础梁,其承受墙体及构件自重、墙体风荷载的作用。

二、绿色工业建筑之钢结构单层工业厂房结构设计要点分析

(一)设计前准备1、结构分析钢结构分析是钢结构单层厂房结构设计的主要内容之一,也是施工评估的重要环节。分析过程中,设计人员应当结合建筑场地的地质情况、实际钢材料准备情况、投标文件与施工方案中的要求对厂房各部分钢结构的结构形式、材料、连接、受力情况、布置以及其他配套构件等进行全方位的分析。以门式刚架单层厂房为例,主要分析其力学原理;刚架型号及形式;刚性与柔性支撑材料及型号;系杆材料;受力封闭体系受力情况;屋面檩条与墙梁型号;基本节点连接方法;刚架衍生形式;立柱与横向柱分布;吊车梁布置;吊车梁边跨与中间跨构造;型钢钢板型号;屋面采光板与楼承板型号;通风器规格等。为保证分析结果的准确性,设计人员可使用相关的结构分析软件得出结构设计的重要参数,并与国家规定的厂房建筑标准参数进行对比。2、结构判断结构判断过程中,设计人员应当结合项目部给出的单层厂房钢结构设计资料,从材料、结构形式、连接、受力情况、布置等多个角度,对所设计的钢结构进行全方位判断,确定其是否可应用于实际单层厂房建设中;是否会造成材料过度损失;是否会对环境产生严重影响;是否满足工程建设要求;是否与现有施工材料与施工技术相匹配;是否存在安全隐患;是否厂房各个部分的钢结构都设计合理等。3、结构评估结构评估过程中,设计人员应当针对钢结构设计使用虚拟仿真软件构建厂房结构模型,通过软件得出模型的各个参数,如墙与柱;屋架;屋面板;山墙连接的位置参数;钢筋规格参数;钢筋混凝土墙板规格及类型参数;支撑系统断面参数等,进一步确定结构设计的合理性。

(二)结构形式选型在结构形式的选型方面,设计人员需要参考一般设计型号。以门式刚架单层厂房为例,刚架柱和梁均由截面H型钢制作而成,各种荷载通过柱和梁传给基础;刚性支撑是由热轧型钢制作而成,一般选角钢,柔性支撑选圆钢;系杆为受压圆钢管,与支撑组成受力封闭体系;屋面檩条与墙梁一般选择C、Z型钢,C型钢选型Q345B;墙与柱连接选用Ф6钢筋,压条柔性连接结构;纵向那面墙与屋面板采用Ф8-Ф12、长度1000毫米钢筋连接;屋面、墙面压型钢板选用HV-203KL-406、HV-380SF-760等钢板,屋面采光板选用CV-203-406、CV-380-760;楼承板选用HG-344-688、HG-240-720,抗剪栓钉与框架梁间采用专用工具焊接;根据换气量及厂房长度,确定通风器规格,根据屋面外层压型钢板的变化,选择W1、W2尺寸。

(三)节材设计与砖混结构、混凝土结构相比,钢结构具有回收再利用的特点,更加有利于节省建筑材料。但为了保证钢材能够有效利用,我们仍旧需要进行节材设计。就钢结构单层厂房节材设计而言,主要是对单位面积用钢量进行设计。设计过程中,根据实际情况,适当调整结构受力形式,并对构件截面进行优化归并,保证优化后,受力形式简洁且方便施工,从而达到节材的目的。实践证明,钢结构优化后,普遍可节约钢材20%到50%以上。因此,设计人员需要在钢结构优化方面下工夫。另外,实际设计时,由于参与设计的人员具有不同的专业知识,再加上每个人员的设计都会影响厂房钢结构总设计,因此,应当注意设计人员间的沟通交流,以防止用钢量不合理设计现象的发生。

(四)材料资源利用通常情况下,钢结构单层厂房采用装配式方法进行建造,这样更有利于材料资源的有效利用。要配合这种方法,还应当在建造中采用高强度钢筋、预拌混凝土与砂浆,以提高建筑材料的有效利用率,同时减少实际施工对环境的污染。就预拌混凝土制备而言,选择使用建筑垃圾与经处理过已达地表四级水标准的工业废水制备,采用“人工+机械”的方法对建筑垃圾复杂成分进行有效分离,通过利用建筑垃圾制造出来的再生微粉与骨粉减少混凝土中水泥及天然砂石的用量,从而实现对垃圾资源优化利用。

(五)防火设计钢材本身的特点就决定了钢结构的工业厂房不具有较强的防火能力,当钢材处于100℃以上的高温环境中,其抗拉强度则明显减少,极大可能会出现塑性提高的现象;当钢材处于250℃的高温环境中,则徐变现象必然发生;当钢材处于500℃的高温环境中,其强度等级立即下降,甚至出现厂房坍塌。因此,我们应当注重防火设计。设计过程中,根据建筑防火规范及厂房建设环境,确定可能出现的火灾等级,并制定具体的防火设计方案。方案内容包括防火装置的布置、防火涂料的选择及涂装方法、钢结构保护等。

(六)协调性设计协调性设计主要是对施工工艺与结构进行协调性设计。设计过程中,针对建设要求及实际施工条件,确定厂房不同部位的钢结构形式、材料、节点连接方法以及施工工艺。例如,在吊车梁下段支撑等刚度要求高的结构设计中,选用型钢制作的刚性支撑,以增强支撑承受力;在吊车梁结构设计中,充分考虑吊车的吨位。当吊车吨位大时,设置制动桁架或者制动梁,以抵抗横向水平荷载。

(七)结构计算结构计算主要是计算钢结构荷载,包括钢结构自重、楼面活荷载、屋面活荷载、吊车梁荷载、设备动力荷载及雪荷载等。荷载计算方法一般分两种,一种是应用相关的荷载计算公式计算,此方法适用于计算永久荷载,如屋架梁自重、屋面自重等;另一种是按照《GB50009-2001建筑结构荷载规范》中相应系数计算,此方法适用于计算可变荷载,如施工或检修荷载、雪荷载、坡屋面风载等。计算过程中,除了考虑施工工艺、《规范》中提到的荷载系数之外,还应当对厂房所在地区的恶劣天气情况做充分考虑,必要时,取地区最大荷载作为结构荷载系数。

结语

综上所述,在钢结构单层工业厂房结构设计中,设计人员应当做好设计前期的结构分析、结构判断以及结构评估工作,参考一般设计型号,对钢结构形式进行选型,并从节材设计、材料资源利用、防火设计、协调性设计、结构计算等各个方面对设计的合理性做充分考虑与验证,从而保证厂房结构建设质量达标,进一步有效利用钢结构推动建筑行业的发展。

参考文献:

[1]单慧敏.单层多跨钢结构厂房的结构设计及地震作用的研究[J].工程技术研究,2017(01):204+208.

[2]胡晓雯,谢可欣,陈媛.绿色工业建筑之钢结构单层工业厂房结构设计[J].居舍,2019(03):123+126.

[3]肖枫.浅谈现代工业建筑的绿色设计[J].建材技术与应用,2012(05):15-17.

作者:孙文中 单位:中石油华东设计院有限公司

论绿色工业建筑钢结构厂房结构设计责任编辑:张雨    阅读:人次