工业轻钢厂房结构设计

张云雷

摘要：目前，门式刚架轻型房屋已经广泛应用于各行各业中，尤其是石油化工等行业。轻型钢结构是在普通钢结构的基础上发展起来的一种结构形式，它主要包括轻型屋面、支撑系统及钢架。本文探讨了轻钢厂房的结构设计。

关键词：工业轻钢厂房；结构设计；特点

一、轻钢厂房的特点

1．轻型门式刚架一般指房屋高度不大于18m，房屋高宽比小于1，承重结构为单跨或多跨实腹式门式刚架、具有轻型屋盖、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1～A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层钢结构房屋。

2.轻型门式刚架厂房具有大跨度、大空间、分隔使用灵活,施工速度快,施工周期短的特点。对投资方来说投资回报快,综合经济效益较高。

3.轻型钢结构有较好的经济指标，自重轻、钢材用量省、施工速度快。轻钢结构形式较简单，设计计算并不复杂，工程设计时一般门式刚架采用二维建模即可满足要求。在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）中明确提出门式刚架可不进行强柱弱梁的验算。在设计中主要解决的是怎样既节省材料又便于安装，同时要保证安全、实用、美观。

3.空间设置灵活。门式刚架一般采用双层压型钢板复合保温屋面及墙体，甲方可根据设计图纸来定制产品，因而当柱网布置受其他条件限制时，可不按照模数布置，柱距大小可以根据使用要求来确定。

二、轻钢厂房的结构设计措施

1.明确判定结构类别

在钢结构厂房设计中常用的规范有《钢结构设计规范》、《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、《建筑抗震设计规范》和《建筑结构荷载规范》。这些规范对普通钢结构和轻钢结构有着明确的界定和完全不同的规定。对于不同的结构体系采用不同的理论分析方法,规范条文和限值差异很大。因此设计时应先确定结构的类别再选用规范或规程中相应的规定进行设计,避免错用或混用。

2.结构设计

2.1支撑系统设计。支撑体系的主要作用是:将各个平面刚架联结组成具有空间刚度和稳定的整体结构;为结构和构件的平面外整体稳定提供侧向支撑点;明确、合理、简捷地传递风力、温度应力、地震力以及吊车纵向水平力等纵向荷载。屋面支撑的布置应与山墙抗风柱的位置相协调,使抗风柱的柱顶反力直接传到屋面横向支撑的节点上。在《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》中提出了抗风柱弹簧片的型式已经没有必要，在设计时对于一些图集节点的采用需要注意。屋面横向水平支撑的直腹杆(包括屋脊处和柱顶处)应按刚性系杆考虑,采用檩条兼做时,应对檩条的刚度和承载力进行验算。当檩条无法起到刚性直腹杆的作用时,通常应在屋脊处、柱顶处以及屋面设置横向水平支撑直腹杆,在刚架斜梁间设置钢管、H形钢或其他截面形式的刚性杆件,以保证房屋纵向结构安全可靠地工作。带吊车的工程由于厂房较高、刚架构件截面刚度较大,次构件刚度不足以约束主构件,对于所有的柱间支撑均采用了较强的角钢支撑。

2.2隅撑的设置。隅撑是用来保证斜梁下翼缘或刚架柱内侧翼缘受压稳定的重要措施。隅撑按以下原则来布置:在每跨靠近梁端的负弯矩范围内连续两根檩条下设置隅撑,其他地方每间隔一根檩条设置隅撑。隅撑成对布置,与梁和檩条均采用单个螺栓连接且螺栓不小于M14。梁的平面外计算长度设计人员常取两倍隅撑间距，而新规则对此做出更明确具体的规定，设计时应注意加以注意。

2.3拉条的设置。对于有檩体系的压型钢板轻型屋面,为了减少檩条在使用阶段和施工过程中的侧向变形和扭转,通常在檩条间设置拉条(包括斜拉条和撑杆,以下同)作为檩条的侧向支点,以保证檩条的侧向稳定。当檩条跨度大于4m时,应在檩条跨中设置一道拉条;当檩条跨度大于6m时,应在檩条跨度三分点处各设一道拉条。拉条按拉杆设计,当采用圆钢时直径不宜小于10mm。撑杆按压杆设计,多采用钢管或角钢制作。圆钢拉条通常设置在距檩条翼缘1/3腹板高度范围内。当风吸力作用下檩条下翼缘受压时,屋面板宜采用自攻螺钉直接与檩条连接,拉条则宜设在檩条下翼缘附近;当屋面采用扣合式或咬合式钢板时,宜分别在距檩条上下翼缘1/3腹板高度范围内同时设置拉条。

2.4梁柱截面及节点的设计。轻钢结构刚架梁柱采用变截面设计。设计人员在设计时要充分利用变截面特点合理设计截面,影响H形截面抗弯能力的因素有截面高度、翼缘宽度和翼缘厚度。增加截面高度是提高截面抗弯能力最有效的方法,由于轻钢结构腹板都很薄,用钢量增加不多,但抗弯能力增加很多。经济的设计不但要变截面高度,更重要的是要变翼缘的宽度、厚度及腹板的厚度。

主结构制作单元的选择也是非常重要的,要根据弯矩图来选择连接节点,在受力较小的部位拼接,为便于运输,制作单元不宜出现超长构件,一般选6m~11m为宜。解决节点抗弯问题,螺栓布置要尽量靠外侧,以提供较大抵抗力矩。梁柱接头设计,端板横放是受力比较好、易于加工的一种，充分利用墙梁空间加大力臂,提高抗弯能力,安装时,柱提供临时支座,以便于对正螺孔和安装螺栓;端板斜放是受力最好的一种,对角线提供了最大力臂,但加工精度要求高;端板竖放除柱翼板要拼接外,螺栓处在弯矩剪力最大的地方,受弯矩和剪力共同作用,安装也不便。最后还要指出一点,对柱脚应进行抗剪验算,当抗剪不足时,应设置抗剪键。

2.5带隅撑檩条的设计。檩条宜采用实腹式构件，在设计过程中，常常采用C型钢。根据荷载、作用、柱距及屋面板连接型式，来计算檩条的大小，一般采用单拉条，檩条稳定性验算不足时，优先选择双拉条连接型式，而不是盲目加大截面。在设计时，结构设计人员常常需要跟建筑设计人员做好沟通，建筑的屋面保温体系的构造对檩条的计算有很大的影响，体现在结构设计为屋面板能否阻止檩条的侧向位移和扭转。建筑设计时，有时候为了盲目的追求防水效果，禁止采用螺钉连接，从而忽略工程造价，这时候就需要各专业根据工程实际需要来协调沟通，做到经济、合理。

2.6纵横向温度伸缩缝的设计。门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度应符合《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》5.2.4、5.2.5条的规定。对于纵向温度伸缩缝通常可采用设置双列柱或者该处屋面板在构造上允许胀缩的处理方法。首先在厂房中部选取一榀适当的刚架,通过这榀刚架将厂房分为两部分,然后将任一部分上的所有纵向构件与该榀刚架的连接节点都做成可滑动的节点,即采用长圆孔连接，整个厂房结构在工作时可通过这些节点构造的滑动伸缩来释放温度应力。

结语：轻钢结构形式较简单，设计计算并不复杂，设计时结合相关规范、规程要求，主动积极与各专业协调沟通，做到轻钢厂房的安全适用、技术先进、经济合理、确保质量。

轻型钢结构是在普通钢结构的基础上发展起来的一种新型结构形式，它包括所有轻型屋面、支撑系统及钢架。本文主要探讨分析了轻钢厂房的结构设计。

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