钢结构在工业厂房设计中的应用
摘要：门式刚架轻型钢结构具有施工方便，建设工期短、外形美观等特点，因此随着钢结构的普及和发展，在厂房设计中得到广泛应用。本文将结合具体的工程实例，简要探讨一般门式刚架轻型钢结构的结构分析、节点设计以及支撑体系等，希望能对类似工程起到借鉴作用。
关键词：钢结构；门式刚架轻钢；结构分析 1.引言
近年来，随着我国经济的腾飞，钢结构新技术、新工艺不断在我国得到推广和发展，同时高强型材等的发展，进一步推进了钢结构在建筑领域的应用。特别是轻钢结构，它具有轻质高强等特点，同时抗震性能好。工厂化的生产以及装配式的安装加快了轻钢结构的施工速度，同时这种结构外形美观、对环境没有不良影响，工程造价也具有一定的竞争力。因此在工业厂房的设计中，轻钢结构将逐渐取代笨重的钢筋混凝土结构。
2.工程概况
本工程为某工业厂房钢结构设计，主体结构采用单层门式刚架轻型钢结构。其建筑总面积为20914m2，纵向长度为252m，横向长度则为147.9m，柱顶标高在6~14.5m之间，跨度在9~27m之间。主要结构构件比如梁、柱、吊车梁等采用Q345-B级钢材，其他附属构件如檩条、支撑以及系杆等采用Q235-B级钢材。本钢结构厂房屋面外板采用镀锌铝板，内板则为热镀锌板，内外板之间夹杂着一层厚度为60mm的聚氨酯。内外墙采用新型材料砂加气混凝土板。主体结构钢柱的基础采用的形式为复合载体夯扩桩。而对于设备的基础，采用的是水泥搅拌桩进行加固处理。
3.柱网尺寸的选择和结构体系的布置
3.1钢架柱的间距
通常情况下，无论是工业厂房是否布置有吊车，门式钢架的柱距应控制在6~9m之间。在工业厂房的设计中，柱网的布置是一个关键环节，它将直接影响到加工、安装的工程量、施工进度以及工程造价等。根据以往的工程经验，在工业厂房设计中，通过对柱距采用9m和采用6m进行对比，前者的钢架、擦条以及吊车梁等构件的总量比后者节约30%，这个差距十分明显。虽然柱距较大，会使截面有所增大，但是柱距的增大对于建设工期和工程造价的有利影响是非常明显的。同时经过分析，门式钢架的经济跨度应控制在21~24m之间，通常情况下最大的跨度不得超过36m。因此结合本工程的特点，本工程选择的门式钢架柱距选取9m，跨度均在21~27m之间。
3.2结构体系
工业厂房通常采用单层门式钢架结构，在整个结构的受力体系中，檩条、墙梁以及支撑等是作为横向受力的主结构和次结构。檩条和墙梁不仅是处于横向受力状态，同时也受到了竖向荷载的作用，并且也是作为刚架和钢架之间的连续构件。支撑体系主要是承受工业厂房纵向的水平力。在工业厂房中划分为不同的温度区段，在每个区段的端部柱间或第二柱间应设置屋盖横向支撑，而在其他位置，应每间隔40m布置一道横向支撑，这样可以有效的提高整个门式刚架轻钢结构体系的空间稳定性。
4.结构设计
4.1刚架节点设计
在门式刚架轻型钢结构体系中，对于梁柱连接和拼接节点主要采用的为端板连接的方式。其主要的构造形式为利用构件端部焊接端板与另一个构件的端板或柱翼缘进行连接。端板连接是一种抗弯连接的方式，属于刚接节点。根据端板厚度、螺栓间距以及不同的布置可以对节点传递弯矩的能力进行调整。端板连接采用的是高强度螺栓，其在工作中主要承受轴力和剪力。在对高强度螺栓进行设计计算时，通常是将端板当做刚性转动的平面。螺栓群的受力呈现的是三角形分布的形式，其中位于受拉翼缘内侧的第一排螺栓在所有螺栓中是承受最大的拉力。在本工业厂房设计中，梁柱连接和拼接节点采用的连接方式为外伸式端板连接，端板采用竖直布置的形式。
梁柱连接节点螺栓采用10.9 级高强度摩擦型螺栓，对于接合面采用喷砂处理，并刷涂一层无机富锌漆，确保摩擦系数控制在0.4以上。在进行螺栓的布置时，首先应满足受力的基本要求，接着应考虑螺栓间距的构造要求。在进行螺栓布置时，截面中部螺栓的间距应控制在适当的距离，不宜过大，这样才能确保节点的刚度满足要求。在高强度螺栓安装施工时，通常采用电动扳手，不同规格、不同类别的高强螺栓所需要的安装间距基本相同，所以在确定螺栓间距时，应确保有足够的间距以方便电动扳手的作业。规范中规定，螺栓的间距应不宜小于35mm，本工程根据工程的实际情况，螺栓的间距设计为60mm。
4.2支撑体系的设计
在门式刚架轻型钢结构体系中，支撑体系能够将平面钢架连接成一个整体结构，确保有足够的空间刚度和稳定性，同时能够为结构和构件的平面外整体稳定提供侧向支撑点。通过支撑的布置可以有效的进行风荷载、温度应力以及吊车纵向水平力等的传递。在进行屋面支撑布置时，应尽量将其与山墙抗风柱相协调，使得抗风柱所受到的柱顶反力能够有效的传递到屋面的支撑上。屋面支撑采用的直腹杆在设计计算时按刚性系杆考虑，或者可以考虑将檩条兼作为复杆，但是需要对檩条的刚度和承载力进行验算，确保满足要求。当檩条的强度和刚度无法满足腹杆的要求时，应在屋脊处、柱顶处以及屋面设置横向水平支撑直腹杆，同时在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，这样可以提高厂房纵向结构的安全性，从而确保其能够可靠的发挥作用。本工程中带有吊车，
因此为了确保次构件的刚度满足要求，应将所有的柱间支撑设置为较强的角钢支撑。
4.3隅撑的设计
在门式刚架轻型钢结构体系中设置隅撑，可以保证斜梁下翼缘或刚架柱内侧翼缘受压稳定。在进行隅撑的布置时，应满足以下的原则：在每跨靠近梁端的负弯矩范围内连续两根檩条下应设置有隅撑，而在其他部位每隔一根檩条应设置一道隅撑。隅撑应对称，对于隅撑和梁与檩条之间的连接采用单个螺栓连接即可。在对梁进行计算时，对于其平面外计算长度可取为隅撑的间距。本工程工业厂房中带有吊车，应在边柱的吊车梁上翼缘设置一定的隅撑，这样确保吊车梁与柱子之间的支撑效果能够满足要求。由此来形成对柱子的侧向支撑,同时大大减小了边柱在纵向刹车力作用下的扭转效应。在山墙抗风柱与钢架斜梁下翼缘也应考虑设置一定数量的隅撑。
5.结语
从钢结构在厂房中的应用情况来看，门式刚架轻型钢结构具有施工方便，建设工期短、外形美观等特点。文章通过结合某轻钢厂房设计实例，较为系统的探讨了轻钢结构布置以及隅撑、节点设计等具体实施。
参考文献:
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