冶金業(yè)廠房結(jié)構(gòu)思考

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1鋼結(jié)構(gòu)的特性

（1）施工周期短，制作、安裝機(jī)械化程度高。鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件都是鋼廠成品，施工過(guò)程中焊接工作量小，加工簡(jiǎn)便、快捷，并且材料性能有鋼廠保證，工程質(zhì)量高。適宜于成批大量生產(chǎn)，從構(gòu)件的工廠加工到現(xiàn)場(chǎng)吊裝，工業(yè)化程度大大高于具有勞動(dòng)密集性質(zhì)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）鋼結(jié)構(gòu)的重量輕，機(jī)械性能很好，可以承受較大的荷載，故鋼結(jié)構(gòu)件截面尺寸小，同樣跨度同樣荷載時(shí)，鋼屋架的重量最多不過(guò)鋼筋混凝土屋架的1/4或1/3，鋼結(jié)構(gòu)的重量小，便于運(yùn)輸、吊裝，降低運(yùn)輸成本。

（3）鋼結(jié)構(gòu)與力學(xué)計(jì)算的假定比較符合，鋼材內(nèi)部組織比較均勻，接近于各向同性體，而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此，鋼結(jié)構(gòu)更能清楚的反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力性質(zhì)，傳力更加清晰、明確，能準(zhǔn)確反應(yīng)設(shè)計(jì)意圖。

（4）鋼結(jié)構(gòu)拆、裝簡(jiǎn)便。鋼結(jié)構(gòu)由專業(yè)化金屬構(gòu)件廠生產(chǎn)構(gòu)件(梁、屋架、柱等)，在工地上用電焊或螺栓(或高強(qiáng)螺栓)連接起來(lái)，施工安裝簡(jiǎn)便迅速，而且，螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)便于改造拆遷。廣泛應(yīng)用于各種臨建及展臺(tái)布置、貨位布置中，施工速度快，節(jié)約人力成本，減少施工周期，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

（5）鋼結(jié)構(gòu)在平面布局上的靈活性。

（6）適用于大跨度結(jié)構(gòu)。大跨度對(duì)于鋼筋混凝土來(lái)說(shuō)幾乎不可能，但鋼結(jié)構(gòu)卻能很好解決問(wèn)題，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、橋梁、體育場(chǎng)等。

（7）鋼結(jié)構(gòu)耐火性差、不耐高溫。鋼材雖然是不燃材料，但在高溫作用下，其力學(xué)性能如屈服強(qiáng)度、彈性模量等卻會(huì)隨溫度升高而降低，在550℃左右時(shí)，降低幅度更為明顯，一般在15min左右就會(huì)喪失承重能力而垮塌。2001年9月11日，位于美國(guó)紐約市中心的世貿(mào)大廈遭到恐怖分子的襲擊，在先后遭受兩架民航客機(jī)的撞擊后，僅過(guò)了20min，這幢摩天大樓便轟然倒塌，造成了幾千人的重大傷亡。主要原因就是在高溫作用下，鋼構(gòu)件很快失去強(qiáng)度和承載能力。鋼材就其自身耐火性能來(lái)講，遠(yuǎn)低于磚石和鋼混結(jié)構(gòu)，因而，鋼結(jié)構(gòu)的防火問(wèn)題日益突出。

2工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房的防火措施

2.1工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房的防火分區(qū)

現(xiàn)代工業(yè)要求的廠房常是大空間、大跨度、通透的。為有效地把火災(zāi)控制在較小范圍內(nèi)，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》要求在建筑物內(nèi)劃分防火分區(qū)，并明文規(guī)定了各級(jí)防火分區(qū)的最大允許面積?，F(xiàn)輕鋼廠房的占地面積通常較大，如軋鋼廠主車間的建筑面積一般都超過(guò)5000m2，而規(guī)范允許的分區(qū)面積為3000m2(生產(chǎn)類別為丙類，采取防火涂層保護(hù)后，耐火等級(jí)按三級(jí)考慮)，因此應(yīng)作防火分區(qū)的分隔。因成套設(shè)備生產(chǎn)線的工藝要求，軋鋼車間通常幾公里長(zhǎng)，不可能用防火墻把廠房一分兩半，截?cái)噙B貫的生產(chǎn)線，從生產(chǎn)的角度，這樣的方案不能滿足生產(chǎn)要求，肯定不會(huì)被業(yè)主單位同意。在整個(gè)車間設(shè)自動(dòng)噴水滅火裝置，使允許的防火分區(qū)面積增加一倍，從而滿足規(guī)范要求。但要注意以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）根據(jù)《自動(dòng)噴滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.2條，超過(guò)8m的大空間建筑物，安裝閉式噴頭的作用不大。而工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)車間的高度大多遠(yuǎn)超過(guò)8m。（2）有的丙類三級(jí)單層鋼結(jié)構(gòu)車間面積達(dá)9000m2，需分3個(gè)防火分區(qū)，若全車間安裝自噴，則防火分區(qū)允許面積擴(kuò)大一倍。

2.2噴涂防火涂料法

噴涂防火涂料法是用噴涂機(jī)具將防火涂料直接噴在構(gòu)件表面，形成保護(hù)層。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按所使用的膠粘劑的不同可分為有機(jī)防火涂料和無(wú)機(jī)防火涂料2類，按涂層厚度分為薄涂型和厚涂型2類，薄型涂料涂層較薄，有一定裝飾效果，施工方法可噴可刷，高溫時(shí)涂層膨脹增厚保護(hù)鋼構(gòu)件。具有重量輕、施工較簡(jiǎn)便，適用于隱蔽結(jié)構(gòu)和裸露的鋼梁、斜撐等構(gòu)件。薄涂型鋼結(jié)構(gòu)涂料涂層厚度通常為1～6mm，而耐火極限可達(dá)0.5～1.5h，這種涂料又稱鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料又稱鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱涂料。厚度一般為7～25mm，粒狀表面，導(dǎo)熱系數(shù)低，密度較小，耐火極限可達(dá)0.5～3.5h。

2.3屏蔽法

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置在耐火材料組成的墻體或頂棚內(nèi)，或?qū)?gòu)件包藏在兩片墻之間的空隙里，只要增加少許耐火材料或不增加即能達(dá)到防火的目的。這是一種經(jīng)濟(jì)的防火方法。

2.4澆筑混凝土或砌筑磚塊法

鋼構(gòu)失去穩(wěn)定性的臨界溫度為540℃。在高溫作用下，熱量會(huì)迅速傳導(dǎo)至內(nèi)部，升溫快，科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，裸露鋼構(gòu)的耐火時(shí)間僅15min，當(dāng)結(jié)構(gòu)可能受到熾熱熔化金屬的侵害時(shí)，應(yīng)采用耐火磚或耐熱材料做成的隔熱層加以保護(hù)；當(dāng)結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)期受輻射熱達(dá)150℃以上或在短時(shí)間內(nèi)可能受到火焰作用時(shí)，應(yīng)采取加隔熱層或水套等。用現(xiàn)澆混凝土作外包層時(shí)，可以直接在鋼結(jié)構(gòu)上現(xiàn)澆成型，施工簡(jiǎn)單，效果明顯。

2.5維護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選用

維護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選用很有研究，很多火災(zāi)的案例都是由于材料不合格或不符合使用要求造成的。其中保溫材料不合格引起火災(zāi)占很大比例，因而建材的選用至關(guān)重要，主管單位必須嚴(yán)格把關(guān)，杜絕不合格產(chǎn)品的流通使用。

2.6施工要求

近年來(lái)，某冷軋廠火災(zāi)、廢儲(chǔ)罐火災(zāi)，都造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。究其原因，都是施工方野蠻施工或考慮不周造成的。所以必須精心組織，科學(xué)施工，嚴(yán)格遵守《防火規(guī)范》。

2.7其他

防火方法現(xiàn)在不斷的發(fā)展，鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)既能發(fā)揮鋼材的力學(xué)性能又能發(fā)揮混凝土的防火作用，目前被廣泛應(yīng)用。此外，車間內(nèi)設(shè)置噴淋及獨(dú)立水幕，雖然造價(jià)很高，但防火效果也很顯著。

3鋼結(jié)構(gòu)主材的選用

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件要提供較高的工作可靠度，除了鋼材的強(qiáng)度保證，還應(yīng)有較好的其他工作指標(biāo)和工藝技術(shù)指標(biāo)，如焊接性能、抗脆性和疲勞性能、極限塑性和抗裂紋擴(kuò)展性能等。材質(zhì)對(duì)脆性破壞的影響主要體現(xiàn)在鋼材本身的塑性和韌性，而這又取決于鋼的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)以及冶煉方法。研究表明，低合金鋼的抗冷脆性能比低碳鋼高，而低碳鋼中的鎮(zhèn)定鋼、半鎮(zhèn)定鋼和沸騰鋼，其抗冷脆性能依次降低。研究表明，內(nèi)蒙高原冬季長(zhǎng)、夏季短。而且冬季地表溫度大部分均在0℃以下，在一些高海拔地區(qū)年平均氣溫在-2～-4℃左右，冬季年平均氣溫在-24～-26℃左右。因此在低溫環(huán)境下防止鋼材的脆性破壞，正確選擇結(jié)構(gòu)用鋼材顯得至關(guān)重要。門式剛架結(jié)構(gòu)作為承受靜荷載或者間接動(dòng)荷載的重要承重結(jié)構(gòu)，鋼材選用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的工作環(huán)境溫度選擇。在所處環(huán)境溫度＞－20℃時(shí)，應(yīng)選用Q235B•Z、Q345A（或B）、Q390A（或B）；在所處環(huán)境溫度≤－20℃時(shí)，鋼材可以選用Q235B•Z、Q345A、Q390A等。

4鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題

穩(wěn)定是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的突出問(wèn)題，很多結(jié)構(gòu)的坍塌不是由于強(qiáng)度不滿足造成的，而是由于整體失穩(wěn)造成的，穩(wěn)定問(wèn)題如果不處理好將會(huì)造成不應(yīng)有的損失。（1）局部失穩(wěn)問(wèn)題。為了有效解決局部失穩(wěn)問(wèn)題，建議設(shè)置橫向加勁肋和縱向加勁肋，同時(shí)，嚴(yán)格限制高寬比。（2）整體失穩(wěn)問(wèn)題。當(dāng)梁有鋪板（鋼板或者混凝土板）并與梁的受壓翼緣牢固連接時(shí)可不考慮梁的整體穩(wěn)定。當(dāng)自由長(zhǎng)度與其寬度比超出一定的限值時(shí)考慮整體穩(wěn)定。（3）運(yùn)行過(guò)程中的失穩(wěn)問(wèn)題。不按照規(guī)程操作或者使用不當(dāng)，會(huì)造成局部應(yīng)力集中，或者造成最不利荷載分布，進(jìn)而造成失穩(wěn)的發(fā)生。

5節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

5.1梁柱連接節(jié)點(diǎn)

5.2柱與基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)選擇

柱腳與基礎(chǔ)的連接節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要設(shè)計(jì)成鉸接或者剛接，鉸接節(jié)點(diǎn)對(duì)基礎(chǔ)部直接產(chǎn)生彎矩，決定基礎(chǔ)截面的主要因素是垂直力和剪力，因而基礎(chǔ)截面尺寸較小，鋼結(jié)構(gòu)柱尺寸較大；剛接節(jié)點(diǎn)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生彎矩，垂直力和剪力起的作用不明顯，基礎(chǔ)截面尺寸較大，鋼柱截面較小。

6抗剪鍵的設(shè)置

在地震作用下，廠房的縱向水平力和橫向水平力很大。超出了柱腳螺栓承受的能力，這個(gè)時(shí)候柱腳底板剪力驗(yàn)算不滿足，需要設(shè)抗剪連接件?！堕T式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力。此水平剪力可由底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力（摩擦系數(shù)可取0.4）或設(shè)置抗剪鍵承受。規(guī)范：水平力由摩擦力承受，或由抗剪鍵承受。

7總結(jié)

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)紛繁復(fù)雜，既要考慮經(jīng)濟(jì)因素又要滿足使用要求，往往這里面就會(huì)產(chǎn)生矛盾，同時(shí)規(guī)范的條文不能覆蓋到每一種情況，這就給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員需