谈轻钢结构单层厂房的设计

摘要：随着社会的发展与进步，重视轻钢结构单层厂房的设计对于现实生活具有重要的意义。本文主要介绍轻钢结构单层厂房的设计的有关内容。

关键词 ：轻钢结构；单层厂房；设计；

中图分类号： TU391 文献标识码： A 文章编号：

引言

随着国家经济的快速发展，钢结构在建筑领域起到了举足轻重的作用，扮演着越来越重要的角色，无论在工业还是民用建筑中，钢结构以其突出的特点迅速地占领着越来越广的市场。其特点有：其整体刚度和抗震性能好、施工速度快、自重轻、承载力高，在大跨度及超高层建筑中代替了钢筋混凝土结构，但也存在着防火性能差、易腐蚀等缺点，在设计中根据其特点扬长避短才能更好地发挥钢结构的作用。

一、钢结构厂房空间结构解析

为了使本论文的钢结构厂房分析设计更具有针对性和信服力，这里以实际的炼钢厂房钢结构厂房为具体研究对象进行分析讨论。由于钢铁工业是国民经济的支柱产业，炼钢厂就成了一个重要的生产场所，属于抗震规范中的乙类设防建筑。由于工艺布置的特殊性和生产设备的需要，炼钢厂主厂房往往具有质量、刚度分布严重不均匀的特点。又基于建设周期及抗震性能等的综合考虑，这类厂房大都采用全钢结构建造。本文中以某设计生产能力为50吨的转炉炼钢厂为研究对象。

由于工艺要求的复杂性，该厂房由炉渣跨、加料跨、炉子跨、钢水接收跨、连铸浇铸跨、连铸出坯跨共六跨组成，核心设备布置在炉子跨中部的塔楼内。该转炉炼钢厂房主要由塔楼、散状料上料系统、柱子系统、屋盖系统和吊车梁系统几大部分组成，各部分的结构大都是由型钢和钢板焊接或螺栓连接而成。

二、轻钢结构单层厂房设计的要点

2.1结构体系

1) 门式刚架分为单跨、双跨、多跨以及带挑檐的和带毗屋等多种形式。多跨刚架中柱与刚架梁的连接可采用铰接。

2) 轻型钢结构工业厂房结构体系中，屋面常采用有檩体系，檩条间距为1． 5 m，屋面板为压型钢板或夹芯板，檩条采用冷弯C 型钢或高频焊接薄壁H 型钢; 外墙采用有墙梁体系，墙梁间距为1.5 m ～ 2.1 m，墙面板为压型钢板或夹芯板，墙梁采用冷弯C 型钢或高频焊接薄壁H 型钢。主刚架梁下翼缘和主刚架柱内侧翼缘平面外的稳定性，可通过在刚架梁下翼缘和檩条间或刚架柱内侧翼缘和墙梁之间设置的隅撑来保证。主刚架之间的水平支撑可采用张紧的圆钢或角钢。

3) 根据跨度、高度和荷载不同，门式刚架的梁柱可采用变截面或等截面实腹焊接工字钢或成品H 型钢截面。单层厂房中当设有桥式起重机时，柱截面宜采用等截面构件。

4) 轻钢结构工业厂房刚架柱基础，刚架柱柱脚与钢筋混凝土基础的连接可按铰接或刚接，当厂房内设有桥式起重机时按刚接连接，其他情况按铰接连接。

焊接实腹式工型截面门式刚架承重结构由刚架和基础两部分组成。门式刚架承重结构体系的刚架、檩条( 或墙梁) 以及压型钢板间通过可靠的连接和支撑相互依托，体系受力更趋向于空间化。

2.2 结构布置

1) 屋面结构平面布置

单层厂房轻刚结构房屋伸缩缝的设置: 当房屋纵向长度不小于300 m，横向长度不小于150 m 时需要设置温度伸缩缝。温度伸缩缝的做法有两种: 檩条连接处的螺栓孔采用椭圆孔或设置双排柱，使结构有足够的伸缩空间; 吊车梁与柱的连接处宜采用椭圆孔。

屋面檩条的布置，应考虑天窗、通风屋脊、采光带等因素的影响，屋面压型钢板厚度和檩条间距应按计算确定。

2)墙面墙梁布置

单层厂房轻刚结构房屋墙面墙梁的布置，应根据门窗的位置、大小确定墙梁的位置，另外设有挑檐、雨篷时还应增设墙梁等构件，墙梁的规格尺寸应由计算确定，同时还应考虑墙面板的规格，考虑到厂房的美观，一般墙面梁设在主刚架柱的外侧。

3) 支撑布置

横向水平支撑和竖向柱间支撑可提高刚架的整体刚度，并能承担和传递水平力，防止杆件产生过大的振动，避免压杆的侧向失稳，可保证结构安装时的稳定。

当设有温度伸缩缝时，在每个温度伸缩单元应分别同时设置横向水平支撑和竖向柱间支撑以形成几何不变、稳定的空间结构体系。

横向水平支撑一般设置在温度伸缩单元两端第一开间刚架梁上翼缘，在水平支撑交叉的节点处应设置刚性系杆。横向水平支撑的间距不大于45 m。横向水平支撑既可以采用十字交叉圆钢，又可以采用双角钢作支撑。

当温度伸缩单元长度不超过90 m 时，在温度伸缩单元两端第一开间的上柱处设置上柱柱间支撑，在温度伸缩单元中间的柱开间内分别设置上下柱柱间支撑。上柱柱间支撑为单片角钢，连接在柱腹板的中间，下柱柱间支撑为双片角钢，连接在下柱两侧翼缘。值得注意的是在温度伸缩单元的端部不设下柱柱间支撑。

在刚架转折处应沿房屋全长设置刚性系杆。

三、轻钢结构厂房钢构件的设计

3.1 主要承重构件( 刚架) 内力计算方法

刚架的内力计算方法分弹性分析和塑性分析方法，变截面门式刚架通常采用弹性分析方法，等截面门式刚架通常采用塑性分析方法，同时还应满足现行《钢结构设计规范》的相关要求。

3.2 门式刚架位移( 侧移) 计算

当屋面坡度不大于1 ∶ 5 时，柱顶在水平力H 作用下的位移( 侧移) u，可按下列公式计算:

柱脚铰接刚架:

柱脚刚接刚架:

其中，h，L 分别为刚接柱高度和刚架跨度; Ic，Ib分别为柱和横梁的平均惯性矩; H 为刚架柱顶等效水平力; ζt为刚架柱与刚架梁的线刚度比。

3.3 构件强度计算

工型截面受弯构件在剪力、弯矩共同作用时，强度按下式进行计算:

当

当截面为双轴对称时:

其中，Mf为两翼缘所承担的弯矩; Me为构件有效截面所承担的弯矩，Me = We f，We为构件有效截面最大受压纤维的截面模量;Af为构件翼缘的截面面积; Vd为腹板抗剪承载力设计值，Vd =hw tw fv '。

3.4 构件稳定计算

轴心受压构件( 工型截面) 局部稳定计算:

受压翼缘:

腹板:

其中，b 为受压翼缘自由外伸宽度; t 为受压翼缘的厚度; fy为钢材屈服强度; hw为腹板的计算高度; tw为腹板的厚度。

3.5刚架柱基础的设计

3.5.1基础形式

门式刚架轻型房屋钢结构常用的基础形式有:

1) 钢筋混凝土独立基础，一般用于地基承载力比较大，土质比较均匀的情况。

2) 柱下条形基础多用于加固工程中，在处理新旧建筑物基础时，可以避免对旧建筑物基础造成不利的影响。

3) 桩基础一般用于深基础，地基回填土较多、持力层较深的情况。

3.5.2 基础的设计

1) 轻钢结构厂房门式刚架柱基础通过钢板与钢筋混凝土基础之间连接采用铰接或刚接柱脚。

2) 柱脚锚栓应采用Q235 钢或Q345 钢制作。锚栓的锚固长度应符合GB 50007-2002 建筑地基基础设计规范的规定，为抵抗上拔力锚栓端部设置弯钩或锚板，锚栓的直径不小于24 mm，且应采用双螺母或采取防止螺帽松动的有效措施; 柱脚锚栓按下柱柱间支撑传递的纵向风荷载和吊车刹车力或纵向地震作用的上拔力计算。刚架柱底部的水平力由柱脚底板与钢筋混凝土基础顶面之间的摩擦力来承担，若还不满足须设置槽钢或角钢抗剪键。计算柱脚锚栓的受拉承载力时，应采用螺纹处的有效截面面积。

结束语

轻钢结构具有自重轻、工厂化和商品化程度高、施工周期短、节能环保等明显的优点。轻钢结构门式刚架设计在单层工业厂房中越来越得到人们的青睐，但它毕竟还是一个新生事物，需要我们设计人员在工程设计中不断的探索、改进、回访中积累经验，进而解决在工程设计中遇到的新技术、新问题。新技术、新材料的应用给设计人员提供了锻炼的机会，带来了新的挑战，只要对不断出现的新技术、新材料、新问题勇于探索、勇于创新，就能攻克难关，从而使新技术、新材料得到广泛应用，我们的设计水平也会有较大的提高。

参考文献

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