摘要:随着我国钢材产量的增加,钢结构工业厂房因钢结构强度高,塑性韧性好、质量轻和施工速度快等优点得到了广泛的发展。本文论述了钢结构工业厂房设计及施工中应注意的问题,为更多更好的建设钢结构厂房提供一定的参考。
关键词:钢结构工业厂房 防火措施 工艺要求
1引言
钢结构由于具有强度高、自重轻、施工速度快等特点,故一直是人们喜爱采用的一种结构。近百年来得到了快速的发展,尤其是在上世纪下半叶,随着世界钢产量大幅度增加,钢结构也相应更加扩展了应用领域,特别是在大跨度、高耸、超高层、重型、动力荷载结构范围内钢结构大量被使用。伴随国家经济的快速发展,轻钢结构建筑也在中国建筑领域迅猛发展。钢结构建筑是继钢筋混凝土建筑之后的最具革命性建筑的新发展和新应用。轻钢结构建筑的特点突出:整体刚度和抗震性能好、施工速度快、结构占有空间面积小、承载力高,在工业厂房中钢结构已逐渐代替了较多的钢筋混凝土结构,以其大跨度、大空间的表现在建筑规模上相当出色。
2钢结构工业厂房的优点
前文所叙述的是钢结构作为一种结构形式在设计及施工中的优势,下面着重探讨一下钢结构工业厂房所具有的优点。
钢结构工业厂房的主要优点在于:首先,在施工速度方面:钢结构构件可以工厂化批量生产,施工简单,安装快捷,大大缩短施工周期;其次,钢结构工业厂房在自重方面:可减轻建筑物结构质量约30% ,特别在地基承载力低和地震设防烈度较高的地方,其综合经济优于钢筋混凝土结构体系;最后,从环保方面考虑:钢结构体系属于环保型绿色建筑体系,钢材本身是一种高强度高效能的材料,具有很高的再循环价值,并且不需要制模施工。
3钢结构厂房设计中需要注意的几个方面
3．1保温隔热与防火设计
钢材对温度相当敏感,但温度升高与降低都使钢材性能发生变化。钢材具有非常好的导热性能,其导热系数达到50W /(m・ ℃ ) ,对于钢结构建筑,如果不进行保温隔热处理,势必会造成大量能源浪费和消耗,同时还要满足工艺性要求和舒适性要求。相比之下,低温性能更重要。下图为钢材的机械性能与温度间的关系曲线。
因此,当钢结构表面温度处于150 ℃以上时,必须做隔热及防火设计,做法一般有两种:
高温屈服强度与室温屈服强度之比
高温弹性模量与室温弹性模量之比
(1)在钢构件外包耐火砖,混凝土或硬质防火板材。
(2)采用厚涂型防火涂料,厚度按《钢结构防火涂料应用技术》。
3．2温度伸缩缝的设置
温度变化将引起钢结构厂房变形,使结构产生温度应力,其大小与柱子刚度、吊车轨顶标高和温差有关。当厂房平面尺度很大时,为避免产生过大的温度应力,应在厂房横向或纵向设置温度缝,将平面尺寸很大的厂房分成若干温度区段(又称结构单元) 。温度区段的长度可根据钢结构设计规范执行。温度伸缩缝一般采用设置双柱方法处理,也可采用设置单柱方法处理,对纵向温度伸缩缝可在屋架支座处设置滚动支座,对横向温度伸缩缝可在框架梁与檩条连接处采用椭圆孔滑动方式或槽钢夹板滑动方式。
3．3立面设计
轻钢结构的建筑表现主要有以下4 个方面的特征,即规模、线条、色彩和变化。彩色压型钢板使得轻钢结构建筑表现得丰富多彩,给人一种明显区别于传统钢筋混凝土建筑的耳目一新的感觉。在钢结构工业厂房的设计中,厂房的体型受工艺的约束,同时体型变化过于丰富会形成复杂的节点处理,从而提高工程造价。因此在设计中常用手法是采用跳跃性色彩和冷色调,重点突出主要出口、外天沟、收边泛水等,既丰富了立面又体现了现代化工业厂房的恢宏气势。
3．4屋盖支撑系统及屋面设计
屋盖支撑系统的布置应根据厂房跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式、吊车设置及吨位大小、振动设备情况等条件来决定。一般情况下无论有檩或无檩体系的屋盖结构均应设置垂直支撑,在无檩体系中,大型屋面板有三点和屋架焊接,可起到上弦支撑作用,但考虑到施工条件限制和安装需要,无论有檩或无檩体系屋盖均应在屋架上弦和天窗架上弦设置上弦横向支撑。对于屋架间距不小于12 m的厂房或厂房内设有特重级桥式吊车或厂房内有较大振动设备的均应设置纵向水平支撑。屋面设计的重点是防水。屋面防水设计涉及屋面坡度、天沟形式、单坡屋面长度等因素。
根据《屋面工程技术规范》的规定,屋面坡度最小为5%。但在实际工程中,一些外资钢构公司屋面坡度经常做到3 % ,甚至2 %。考虑到目前国内钢构厂家技术力量、节点的处理、材料性能方面参差不齐,人们将屋面坡度控制在5 %。在积雪较大的地区,坡度应适当增大。单坡屋面长度,主要取决于工程所在区域的最大温差以及降雨所形成的最大水头的高度。根据收集的资料和工程设计经验,单坡屋面长度宜控制在70 m以内,若超过70 m ,需做专题研究、特殊处理。
经过调研了解,目前市场上常用的钢结构屋面做法有两种: 1)双层彩色压型钢板内夹保温棉,使用量很大,但温差大、单坡长造成的彩钢板热胀冷缩问题很难解决。2)复合柔性钢屋面系统,由屋面彩钢板内板、隔汽层、保温层、卷材防水层组成。由于最外层铺设柔性卷材,整个屋面为一个密闭系统,热胀冷缩问题不突出,造价较国内一般钢构厂家稍高。
4钢结构厂房的主要构成部分:
4．1钢屋盖系统：首先钢屋盖承重构件是由壁薄、细长的杆件组成,截面形状复杂,节点应力集中又有偏心;其次设计屋盖系统时计算荷载、计算简图较正确,且接近计算极限状态,结构构件的承载力安全储备最小,对超载、温度和腐蚀作用十分敏感,容易因为偶然因素而失效,再加上制造、安装和使用过程中出现的各种影响,钢结构屋盖成为钢结构厂房破坏中最严重的部分。钢屋盖发生破坏包括屋盖倒塌、桁架杆件断裂(包括与节点板连接断开) 、屋盖挠曲超标准、杆件弯曲、节点板弯曲或开裂、屋盖支撑屈曲等类型。
4．2吊车梁系统:吊车梁系统是钢结构工业厂房的重要组成部分,包括吊车梁、制动结构、吊车轨道和连接。吊车梁受力复杂,且吊车的垂直力和侧向力具有动力特征、冲击和疲劳作用,比起屋盖系统吊车梁的计算简图、计算方法与实际情况差异更大、不定性更多,结构的耐久性和可靠性最低。
4．3柱系统:按照最不利荷载组合设计的柱子,由于荷载同时出现的概率很低,在正常工作条件下,实际应力低于设计应力很多,柱的安全储备相当大,出现破坏的可能性很小,发生柱整体承载能力不足的而导致破坏的情况很少。工业厂房的柱子常发生如下破坏(柱肢变形、柱肢体有切口、格构式柱子腹杆弯曲和扭曲变形、柱头与吊车梁支撑牛腿处焊缝开裂、柱子垂直倾斜,围护结构连接节点损坏,吊车轨道偏位) ,将会影响生产。
4．4地基基础:地基的强度问题主要包括:地基承载力不足或地基丧失稳定性,斜坡丧失稳定性。地基变形问题主要是指软土、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土等地区过大的变形和不均匀沉降。地基的破坏通常有三种形式:整体剪切破坏、冲切剪切破坏和局部剪切破坏。
5钢结构厂房常见施工问题及解决方法
5．1钢结构厂房施工过程中应该注意的施工问题
牵系到整个钢结构工程的质量。涂层作业气温应在5～38℃之间为宜,当天气温度低于5℃时,应选用相应的低温涂层材料施涂。当气温高于40℃时,应停止涂层作业。因构件温度超过40℃时,在钢结构表面涂刷油漆会产生气泡,降低漆膜的附着力。当空气湿度大于85% ,或构件表面有结露时,不宜进行钢结构涂层作业。钢构件工程制作前,应对构件隐蔽部位、结构夹层难以除锈的部位,提前除锈,提前涂刷。
5．2钢结构体系存在一些不容忽视的问题。
目前在网壳结构稳定性的研究中,主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题,目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数,未反映整体稳定与局部稳定的关联性。钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响,目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围,而在实际工程中,由于结构参数的不确定性,会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究曾对考虑随机参数的穹顶网壳的稳定问题进行过有益的研究。