工業建筑中鋼結構的應用與設計

吳艷杰

摘要：隨著我國經濟、技術的迅速發展和進步，鋼結構已逐步成為各類工程結構中被廣泛應用的建筑結構，如工業建筑、文化體育建筑、城市現代化建筑以及城鄉住宅建設等。本文對工業建筑中鋼結構的應用與設計進行了闡述。

關鍵詞：工業建筑鋼結構應用 設計

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

一、工業建筑中鋼結構的應用現狀

當前，在我國工業建筑領域中，相比混凝土結構而言，由于鋼結構自重較輕、抗震性能優良且結構強度高，又便于進行工業化批量生產，是一種能夠進行循環使用又能達到節能環保的一種建筑結構，也符合我國經濟可持續性健康發展的潮流，又能很好的滿足我國建筑工業化的要求。因此，在高層建筑、輕鋼結構住宅建筑中發揮著越來越多的優勢。另外，由于鋼結構的建設周期短且在大跨度結構工程中的優勢較為明顯，各類鋼結構體系被廣泛應用于各類工業建筑建設中。如：平板網架結構在工業與民用建筑中得到了廣泛采用，技術已非常成熟；與此同時，網殼等其他空間鋼結構也取得了迅速發展，如：上海體育場屋蓋結構，采用馬鞍形大懸挑鋼管空間結構，長軸為288.4m，短軸為274.4m，中間敞開橢圓孔的長軸為213m，短軸為150m，屋蓋面積為36100m2。64榀懸挑主衍架的一端分別固定在32根鋼筋混凝土柱上，最大懸挑跨度達73.5m，為世界同類型建筑中懸挑跨度最大的屋蓋結構。另外，冷彎薄壁型鋼構件在工業與民用建筑中的應用（如檁條、墻梁、屋面板、墻板等）日益普遍。門式剛架輕型房屋鋼結構在吊車起重量較?。≦≤20 t）和無吊車的廠房、倉庫及需要大空間的民用建筑中的應用迅速推廣，并在繼續發展。

二、鋼結構在工業建筑的應用優勢

在現實生活中，鋼結構在工業建筑的運用優勢，得到了社會各行各業的重視，鋼結構的施工速度是比較快的，通過對鋼結構構件的有效應用，促進其大批量生產，滿足其在實際工作中的需要，有利于其在施工環節的優化，促進其安裝的便捷性，促進其施工周期的有效縮短，滿足實際工作的需要。由于鋼結構相對于鋼筋混凝土結構來說，本身的重量比較低的，這有利于促進建筑物結構質量的優化，以更有利于實際工作的有效展開。其建設適應性是非常強的，比較適合一系列的較低的地基承載力環節及其地震烈度較高的區域，鋼結構的應用，有利于促進企業綜合效益的提升，其與傳統的鋼筋混凝土結構相比，也具備更加環保性，促進其鋼結構體系的內部環節的不斷深化，滿足環保型綠色建設發展的需要。

三、鋼結構的設計中的性能要求

1、抗震性能

我們在設計的過程中也要對鋼結構進行抗震性能設計的優化，促進其鋼結構抗震性能的提升，以滿足實際工作的需要。因此，在設計的過程中，應根據地理環境的不同，考慮結構的抗震等級及要求，合理考慮結構的整體穩定性，特別的梁柱布置的合理性和整體穩定性，應考慮在地震作用下或者想風荷載的作用下要滿足規范的要求，確保鋼結構的受力性能的提升，保證其變形能得到有效控制。

2、防火性能

我們在設計鋼結構工業建筑的時候，還應考慮鋼結構的防火要求，因為鋼結構的耐火能力是很差的，當鋼材受熱在100℃以上時，隨著溫度的升高，鋼材的抗拉強度降低，塑性增大；溫度在250℃左右時，鋼材抗拉強度略有提高，而塑性卻降低，出現藍脆現象；當溫度超過250℃時鋼材出現徐變現象；當溫度達 500℃時，鋼材強度降至很低，以致鋼結構塌落。因此，在設計鋼結構工業建筑時，必須做隔熱及防火設計。

四、鋼結構設計步驟

1、判斷結構是否適合用鋼結構

鋼結構現在運用廣泛: 用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大重型廠房、大小車間等。要求能活動或經常裝拆的結構,其使用建設也常常與經濟性結合,隨著社會的逐步發展,鋼結構將慢慢成為環保節能的新趨勢。

2、結構選型與結構布置

在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是“ 概念設計” ,它在結構選型與布置階段尤其重要,對一些難以做出精確理性分析或規范未規定的問題, 可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想, 從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、定性正確,并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。

3、預估截面

鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H 型鋼截面等。根據荷載與支座情況,其截面高度通常在跨度的1 /2 0 一1/50 之間選擇。翼緣寬度根據梁間側向支撐的間距按l/h 限值確定時, 可回避鋼梁的整體穩定的復雜計算,這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后,其板件厚度可按規范中局部穩定的構造規定預估。

4、鋼結構的構件設計與節點設計

構件設計首先是材料的選擇。比較常用的設計是 Q235(類似A3) 和 Q345(類似 16Mn)。通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理。從經濟上考慮,也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。當強度起控制作用時,可選擇 Q345；穩定控制時, 宜使用 Q235。構件設計中, 現行規范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這與結構內力計算的彈性方法并不匹配。當前的結構軟件,都提供截面驗算的后處理功能。

五、鋼結構設計中應注意的問題

1、廠房的鋼結構設計與工藝設計相協調

鋼結構工業廠房是企業生產區域的一個模塊，廠房都是為生產服務的。廠房結構設計不符合要求常表現為:鋼支架分布不合理，墻體厚度、高度、寬度指標不足等。無縫鋼管具有中空截面，可以用作輸送流體的管道；鋼管與圓鋼等實心鋼材相比，在抗彎抗扭等強度時，由于其質量較輕，用于廠房結構可增強鋼結構的穩定性。因此，在廠房設計中首先要滿足工藝要求，結構設計也一定要滿足工藝條件，特別是在方案設計階段，設計人員應多參與工藝協調，多了解工藝布置，以便減少設計和施工不必要的麻煩。

2、結構計算時應多因素考慮

目前結構計算大多采用結構設計計算程序進行計算，如何對計算結果進行分析、評價是一個非常重要的方面，必須根據工程設計的經驗對計算結果進行分析和判斷。荷載計算是結構計算的前提條件，荷載取值的準確性直接關系到結構計算結果的可靠性，工藝條件中的荷載問題，如某個工程工藝提出樓面均布荷載為15KN/m2，而根據工藝的設備重量和布置圖，根據規范給出樓面等效荷載的計算方法，計算出的樓面均布荷載按10KN/m2考慮就可以，這就大大降低了用鋼量，節約造價。但近兩年來，我國大部分地區常出現強降雪天氣，導致很多廠房、場館倒塌，因此設計人員一定要根據當地的雪荷載情況取其中的最大值，以確保建筑安全。其次，強柱弱梁是設計要遵循的原則，強節點弱構件也是要重點考慮的問題。此時我們一般采用增大柱端彎矩設計值的方法。其目的表現在調整后，柱的抗彎能力比之前強了，而梁不變，即柱的能力提高程度比梁大，這樣梁柱一起受力時，梁端可以先于柱屈服。

3、鋼結構工業廠房的防火設計

鋼結構的耐火性能很差，但是鋼材本身并不燃燒，只是火災高溫下，鋼材的強度和剛度都明顯下降，以致難以承受荷載，并最終導致整個結構的垮塌。在 200℃以內，鋼材性能沒有很大變化；在430-540℃之間強度急劇下降；600℃時強度很低不能承擔荷載。正是由于鋼材的這種物理性能，火災情況下，當溫度達到 450-650℃時，鋼結構就會失去承載能力，發生較大變形，導致鋼柱、鋼梁彎曲，最終因變形過大而不能繼續工作，甚至垮塌。

結語：

鋼結構作為一種強度和柔度都很大的結構形式，在設計過程中首先應該注意的是結構方案的合理性，結構剛度分配要均勻，抗側力性能要強。另外，要考慮鋼結構節點的設計是否合理決定了鋼結構工業建筑的安全性，在結構分析前就應該有充分的思考與確定。

參考文獻：

[1]曲顯清.工業建筑H型鋼梁焊接變形的原因分析及控制措施探討[J].廣東建材，2010，26(5)

[2] 徐敏,李秋起.防止鋼結構脆性破壞的措施[J]. 中國建筑金屬結構. 2008(01)