浅谈当前工业厂房的轻钢结构设计

摘要：轻型钢结构房屋在我国的应用大约始于20世纪80年代，近十多年来得到迅速的发展。目前，在我国每年都有上千万平方米的轻钢结构工程，主要用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。作为一个结构设计人员应该紧跟时代的步伐，熟练掌握轻钢结构的设计。然而，在实际工程应用中，尤其是进入市场经济以后，业主常常对设计时间要求很紧，而且对用钢量要求很严，设计中难免会出现一些问题。文中通过对以往设计经验的总结，以下就这一问题进行阐述。

关键词：轻钢结构，建筑系统，结构设计，门式刚架，伸缩

0 引言

近年来轻型钢结构在工程上应用越来越广泛。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、支撑系统及钢骨架。与普通钢结构相比，轻型钢结构有较好的经济指标，不仅自重轻、钢材用量省、施工速度快，而且它本身具有较强的抗震能力，并能提高整个房屋的综合抗震性能。轻钢结构形式较简单，设计计算并不复杂，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，在设计中把两者有机的结台起来，尽力遵守经济、美观、安全、便于施工及实用的原则。

1轻钢结构建筑系统

轻钢建筑系统包括主次结构、屋面墙面等围护结构、通风采光、开洞甚至管线悬挂等。所有构件都经过预先设计在工厂加工好，然后运到工地现场安装，这样可大大加快施工进度和施工精度。

1.1主结构的受力特点

单层门式刚架轻钢结构在柱脚变形要求不高的情况下可采用铰接，经济的跨度是21 m～36 m。多跨刚架的中柱多采用上下端均为铰接的摇摆柱，主刚架受力状态与连梁相似，称为连梁式门式刚架。刚架在设计时要考虑刚架弯矩包络图来变截面和选择拼接节点，刚架梁在反弯点附近拼接。

1.2次结构的特点

次结构指屋面檩条及墙梁，分为两大类，由C形或z形冷弯薄壁型钢再加上隅撑构成。C形次结构，一般支座简支，而Z形次结构支座连续，连续支座在同等截面条件下承载力要大得多，刚度也大得多，因此是一个较好的做法。规范规定跨度大于6 m的檩条要设拉条，有的公司采用薄壁角钢作拉条，这种拉条不但能起到很好的抗倾覆作用，对保温棉也起到一定的支撑作用，外观整齐，檩条定位准确，便于屋面板安装。

1.3屋面系统

轻钢结构的屋面做法有两类：1)采用彩色复合压型钢板作为屋面的保温防水层。2)采用厚0.6 mm压型钢板防水并承受屋面荷载，钢板下铺设玻璃纤维保温。由于造价较低、构造简单，后一类是主流产品。按构造做法，屋面分为螺钉外露式、暗扣式和锁缝式。

1.4墙面系统

墙面系统也分两类：1)压型钢板，玻璃纤维棉保温，多数情况下，再铺一层内板，保护保温棉并起到美观作用，板多为竖放。2)复合板，板多为横放，其构造复杂，造价较高，适合要求较高的厂房、商场及办公用房。复合板构造的核心问题是如何解决好连接处的防水以及板的防火、保温问题。多数横板在竖向连接处防水处理得较好，而横向连接处不易处理，只有加防水压条，使外墙面每隔6 m～9 m就有一道竖向钢板条而影响美观。

2轻钢建筑系统的设计

2.1建筑设计

建筑平面设计中如柱网的确定、交通通道布置一定要与厂家配合，厂家的工艺布置要求柱网与他们的产品相配合。轻钢结构支撑是极其重要构件，常常设计成x形，布置通道、门、窗时要考虑这些支撑是否有影响。建筑立面设计要考虑轻钢结构的特点，墙面是靠墙梁来传力，尽量避免设计大曲率弧形而破坏传力途径，而且以目前国内的加工和安装水平，弧形很难达到让人满意的效果，造价也高。

2.2结构设计

1)支撑体系

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。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)纵横向温度伸缩缝的处理

对于纵向温度伸缩缝通常可采用设置双列柱的方法处理，也可采用一种单柱的处理方法。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，同时将刚架上的屋面板、墙面板也处理成可以伸缩的构造，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。与该榀刚架相连的纵向构件主要有檩条、墙梁、吊车梁等构件，这些构件与刚架的连接节点采用开长圆孔的做法。由于屋面、墙面围护板均为彩色压型钢板，其自身的变形能力强，吊车梁系统已考虑纵向伸缩，采用在构件上开长圆孔的做法可以满足节点有足够的滑动能力。

对于横向超长刚架的温度伸缩问题可以考虑以下3种处理方案：

a.在适当的位置设置双柱，将一榀刚架分为两榀刚架，使每榀刚架的长度小于规程要求的横向温度区段的长度;

b.在柱顶或梁中适当的位置设滑动支座，用以消除温度应力;

c.对刚架不做处理，在刚架计算时进行温度应力计算，考虑温度应力对刚架的影响。

对以上3种方案的计算分析比较可知：第一种设置双柱的方法由于双柱的设置大大削弱了刚架的刚度，使得刚架侧移加大，刚架梁柱截面加大，使用钢量增加，基础费用也相应增加。对于第二种设置滑动支座的处理方案考虑了以下两种情况，一种是将支座设置在柱顶，另一种是将支座设置在梁中反弯点处，这两种情况就侧移和用钢量而言比第一种处理方案要好，但是也存在以下不利因素：梁截面变化较大，滑动支座难以实现，需增加大量的屋面支撑。在保证安全可靠的前提下，综合考虑到工期、造价等因素，相对来说还是第三种方案较好，即通过对刚架进行温度应力计算来考虑温度作用。

3)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。梁的平面外计算长度可取隅撑间距。带吊车厂房为确保吊车梁对柱子的支撑效果，在边柱的吊车梁上翼缘设置了隅撑。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。当山墙抗风柱与刚架斜梁下翼缘连接时，连接处的斜梁下翼缘亦设置隅撑。

4)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4 m时，应在檩条跨中设置一道拉条;当檩条跨度大于6 m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lO mm。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上翼缘l/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。

5)梁柱截面及节点的设计

轻钢结构的经济性在于它的变截面，变截面设计也取决于工厂的加工能力。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6 m～11 m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(特别是有柱问支撑的柱脚)，当抗剪不足时，应设置抗剪键。

6)钢结构的防护

建筑钢结构的防护主要包括两个方面，即防腐蚀和防火及隔热。GB 50017.2003钢结构设计规范把钢结构的防护列为强制性条文，要求在设计文件中注明所要求的钢材除锈等级和涂料及涂层厚度;柱脚在地面以下的部分应采用混凝土包裹，受侵蚀作用的柱脚不宜埋入地下;钢结构构件的防火保护层厚度应根据建筑物的耐火等级和构件的不同耐火极限进行设计;受高温作用的结构，应根据不同情况采取相应的隔热防护措施。