钢结构设计中的常见问题分析与应对

杨志强

【摘要】随着社会经济的发展和科技的进步，钢结构在建筑领域扮演着越来越重要的角色。钢结构厂房的产生是现代化发展的需要，其在建筑行业中具有较高的使用度，广泛应用于世界各地。本文简要叙述了钢结构厂房的优势以及在设计过程中的主要特点，阐述了在设计钢结构厂房中的重要内容，说明了钢结构厂房的设计应与实际施工相结合，才能有效减少施工的难度，实现最终预设的效果。

【关键词】钢结构；厂房设计

1.钢结构厂房的优势

应用钢结构建设厂房具有以下几个方面的特点：①在实际施工过程中具有较快的安装速度，而钢结构的组成零件可以进行大批量工业化生产，应用设备实施给料、焊接和开孔等作业，并及时处理好表面结构，有利于实际建设中的拼装施工，在一定程度上可以减少施工周期。②钢结构与混凝土结构相比较，混凝土结构具有较为复杂的建筑工艺，且不具备较强的防震能力，而钢结构因自重轻，不但能够弥补这些缺陷，还可以有效降低了地基承载力。③钢结构系统通常会应用具有较高强度的材料，而钢结构厂房因投资成本不高，且拆迁便利，所以可以反复回收利用，避免了材料的浪费，对环境起到很好的保护作用。

2.钢结构厂房设计的主要特点

钢结构厂房在世界各地均得到普遍使用，尤其是在发达国家应用更为广泛。钢结构厂房通常适用于仓储库房、工业厂房、会馆展厅、净化车间以及超市，其设计的主要特点有以下几个方面：①具有较大的空间和跨度，且建筑质量轻，强度极高；②设计一般选用最先进方法，可充分满足钢材对抗冲击性、变形能力、抗震性以及刚性等多方面要求；③钢结构建筑能够反复利用，且搬动迁移十分便利，避免了大量钢材的浪费，保护环境不受到污染；④钢结构独特且轻巧，实际占用面积小，应用面积广，增加了建筑物内的使用空间；⑤组成零件标准，制作精良，安装方便快速，有效缩短了施工工期，减少投资成本；⑥具有较高的防火性和较强的防腐蚀性。

3 支撑的布置

厂房结构应有完整的支撑体系以形成有效的传力途径，首先，应设置屋面横向水平支撑，屋面横向水平支撑可增强屋面刚度，保证屋面梁的侧向稳定性，将抗风柱作用于屋面梁的风荷载通过支撑传至柱顶。同时在横向交叉支撑之间应设置刚性压杆以形成传递水平力的几何不变体系。

其次应在柱顶，屋脊及刚架转折处设通长系杆。在相应抗风柱与刚架梁连接位置的端跨设置刚性压杆，以传递抗风柱传来的力。屋面横向水平支撑应与柱间支撑相协调，一般应设在同一跨间，形成一个几何不变的支撑体系。屋面纵向支撑应尽可能同横向支撑形成封闭的支撑系统，以增强整个厂房的刚度。对于轻型钢结构厂房、应在刚架梁下翼缘受压处设置隅撑，保证刚架梁的侧向稳定性且作为刚架梁的平面外支撑点。而对于吊车起重量较大的普通钢结构厂房，其刚架梁平面外计算长度宜取屋面交叉支撑间距离，屋面交叉支撑点处设通长系杆，在屋面支撑跨间为刚性系杆，其余跨间为拉杆即可。屋面支撑及柱间支撑杆件宜采用型钢支撑；当吊车起重量小于5t时，屋面支撑也可采用圆钢支撑，但应采用花篮螺栓张紧，保证屋面的刚度。

4 拉条的设置

撑杆必须与斜拉条同时设置，才能形成一个几何不变的传力体系。同理，当屋面开天窗时，在开天窗处的下侧也应设置斜拉条及撑杆，否则拉条的力都传至开孔处的檩条，如果这根檩条不加强，很可能造成这根檩条的强度不足而产生破坏。当墙面开窗时，应在窗洞下设斜拉条及撑杆，把窗下侧的力传至刚架。有时当墙面很高时，仅在墙顶面处设置斜拉条及撑杆就不一定能满足要求，应在墙面一定高度处增设撑杆及斜拉条，可将一部分力传至相邻的刚架柱上。对于墙板，特别是单侧挂板的墙面，宜设置双拉条，外侧拉条的作用作为墙板在竖向自重下的墙梁支撑点，里侧拉条可作为墙梁在水平风荷载下受压翼缘的侧向支点，以提高墙梁在风荷载作用下的整体稳定性。对于屋面檩条，由于屋面板一般为扣合式，屋面板与檩条间可有微小的错动，并不能约束檩条上翼缘，所以在其高度三分点处分别设置拉条。

5 柱脚的形式

一般的外露式柱脚，作为半刚性考虑更合适，它与钢柱根部截面的全截面屈服承载力相比，多数情况由于锚栓屈服所确定的弯矩较小，所以主要由锚栓性能决定。实际的柱脚，在锚栓截面未削弱部分屈服前，螺纹部分就断裂，难有充分塑性发展，所以说螺栓设计应加强，首先螺栓计算应取柱底最不利内力的1.2倍计算，这样可保证强节点弱构件。其次柱脚底板的厚度不宜小于螺栓直径的1.3倍，以保证柱脚的刚度。在有柱间支撑处，可在柱腳中部增设一对螺栓，以承受柱间支撑传来的上拔力产生的竖向分力。

6 基础的设计

6.1 基础受力特点

对于钢结构厂房铰接柱脚，基础仅受轴心荷载作用，设计比较简单；而对于刚接柱脚，基础则要受偏心荷载作用，偏心距为e=（M+Vh）/（N+G），对门式刚架钢结构厂房来说，以下因素决定了基础受力特点

6.1.1 厂房多带吊车，有时吨位较大，刚架横向位移较大，柱脚铰接时，刚架横向位移很难满足要求，所以要求柱脚刚接以增大厂房的抗侧刚度，使刚架横向侧移满足要求。

6.1.2钢结构自重较轻，水平地震作用较小，水平控制荷载多为水平风荷载加吊车荷载。

6.1.3 结构轻，风荷载和吊车荷载大，造成基础偏心距较大，有时达到1.0～1.5 m左右。

6.2 基础设计要求

由于偏心荷载作用下基础底面反力不均匀，偏心距过大，基底压力很不均匀，压力最大值将大幅度增加，可能使基础发生倾斜，影响带吊车厂房的正常的使用，应此对地基土压力做如下限制：

6.2.1 对于fk≤150 kPa，吊车起重量大于75 t的单层厂房柱基础或起重量大于15t的露天栈桥柱基础，要求pm in/pm ax≥0.25，（e

6.2.2 对一般带吊车厂房柱基要求pm in≥0，（e≤b/6）即不出现基础底面与地基脱离的情况。

6.3 基础形式的选择

由于以上受力特点及要求，对于有吊车厂房通常采用刚接柱脚。这样可提高厂房整体刚度，减小刚架侧移。但这样一来基础的弯矩较大，厂房边列柱柱底轴力小而弯矩较大，偏心距较大，一般在1.0～1.5 m左右，甚至更大。

6.3.1 增加基础压重

可保持柱底标高不变，通过增加基础高度（即基础短柱高度）达到增加埋深目的。

6.3.2 采用桩基础

对于偏心距过大的基础，当采用以上办法不能解决时，可以考虑采用桩基础。桩的类型有多种，可采用灌注桩，预制桩等多种桩型，可根据具体情况选取。当偏心距很大时，也可采用抗拔桩抵抗出现的上拔力。对于直接建在基岩上的基础，当岩层整体性较好，裂隙较少时，可采用岩石锚杆基础承受基础出现的拉力。但采用桩基础不仅增加了设计施工的复杂性，而且造价也高，因而是最后采取的方案。

综上所述，在设计钢结构厂房时，应选择与之相关的主要设计标准，真正实现厂房结构的合理化，并实行精确的计算，保证各项资料的准确性，最后将钢结构厂房的设计和实际施工相结合，在不同程度上均可以有效降低施工的难度，以达到最佳的建筑效果。

参考文献：

[1] 闫桂森，陈旭.设计钢结构厂房应注意的问题[J].山西建筑，2010，（04）.

[2]钢结构施工及验收规范GB50011-2010 [S].中国建筑工业出版社，2010.