工业厂房钢结构设计的优化

工业厂房钢结构设计的优化

崔志跃

天津市轻工业设计院有限公司   天津  300193

摘要：目前越来越多的工业厂房采用钢结构，钢结构的设计优化具有重要意义。钢结构优化设计应采用更合理的方案，在进一步提高厂房的安全性和可靠性的同时，节省工程造价。设计人员需要深入了解业主需求，对厂房的基本设计条件进行全方位了解，结合钢结构体系受力特点进行优化设计，同时需要更新原有的设计理念，借助计算软件辅助开展设计工作，预防各层面的风险，提高结构方案的可行性、合理性，为后期实际建设工作提供科学指导，尽可能规避设计变更问题。

关键词：工业厂房；钢结构设计;优化

引言

现在，无论是国内还是国外，都在不断地开发技术，使得防腐涂料、防火涂料、高强度钢材等都大规模的投入使用。钢结构厂房具有施工速度快、容易标准化生产等优点被广泛地应用于工业的建设中，而且其发展的速度也越来越快。工业厂房在进行结构设计时，由于每个设计者的设计经验不同，对规范的了解程度也会有差异，故在结构设计时，所选择的结构方案也会有所不同，下面对工业厂房钢结构的优化设计进行了浅析。

1钢结构的应用优势

1)轻量化。相比传统混凝土结构，钢结构的自重较小，可以在保证强度的条件下减轻建筑物荷载，使建筑的总重量大大降低，避免对地基造成过度压力等问题。2)节省时间、成本。钢结构构件可在工厂中加工，现场直接拼装，省去了传统混凝土结构施工方式的烦琐流程，节约了施工时间和人力物力成本。3)具有良好抗震性能和抗风能力。钢结构房屋整体性高，抗变形能力强，具有较高的抗震承载能力，适合地震多发地区和荷载较大的场合，能够为建筑提供更好的安全保护。5）空间利用率高，钢结构房屋相对于传统的混凝土结构，适用跨度较大，一定程度上提高了空间利用率。另外，钢结构材料能够回收再利用，钢材在回收时不会失去任何冶金性能，在一定程度上推动可持续发展和环保事业。

2工业厂房钢结构设计的优化

2.1提高方案布局合理性

在设计结构方案布局的过程中，需要设计人员充分了解工业厂房的实际用途，选择经济适用的设计方案。在具体设计环节，设计人员需要根据生产需求合理规划钢结构受力体系，确保整个结构实现受力合理、均衡。钢结构支撑包含种类和形式较多，设计人员在进行结构设计之前，应充分了解厂房生产工艺特点和结构构件的布置规定，以此作为依据选择合理的支撑体系。设计人员应结合接收到设计资料、工艺布置图等、对支撑体系位置进行合理布置，要在保障钢结构受力体系的完整性、合理性的同时，满足工业生产的使用需求。必要时，设计人员还需要对已有类似的厂房进行考察，了解内部区域相关情况，设计方案需要与现场实际情况相符，降低设计变更等问题出现的概率，积极推进结构整体性能的优化，确保结构具有安全性、适用性。

2.2合理优化受力分析

在钢结构厂房的结构设计中，一般采用电算软件进行辅助计算，计算中应当依照国家现行规范规程，使用合理的计算参数，同时考虑各种不利工况下的荷载组合，从合理安全的角度对其进行受力分析。在荷载录入时应当以实际受力情况为准，对于较高大的设备，应考虑其在地震作用下对结构的不利影响。在进行受力分析时，应依照规范相关要求进行荷载组合，举例说明：活荷载、雪荷载设计中通常选取二者间较大的荷载作为活荷载，这种做法往往偏于保守，不上人的屋面局部活荷载可与雪荷载分别考虑。在进行结构分析时，应将雪荷载和积灰荷载同时考虑。钢结构厂房的屋面施工、检修过程中的荷载应单独考虑。按荷载规范，当有多台吊车竖向荷载同时存在时，厂房的单跨排架,参与组合的吊车台数不宜多于2台，而多跨排架不宜多于4台。一般情况下，结构设计不考虑风荷载与地震作用同时组合。对于结构计算结果中安全储备较高的构件，应视具体情况对其截面进行优化，同时应考虑结构整体的概念设计，对于关键构建进行加强。

2.3厂房的工艺布局和钢结构设计要相互协调

生产设备的布置对钢结构的优化起着至关重要的作用。工艺流程布置是能否提高结构的可靠度、节省用钢量的关键。比如：尽量不将荷载较大的设备布置于悬挑部位；对于有足够使用空间的部位，采用格构式结构；按照工艺流程设定合理的楼层层高等。结构设计中结合钢结构厂房实际使用需求，选用适当的钢结构体系也至关重要，如网架、索膜、轻型钢、平面桁架、空间桁架等，都可以降低建筑物的自重荷载。另外，钢管和圆钢等与焊接H型钢相比，具有更轻的重量，也可在满足受力的前提下用于工业厂房结构。

2.4 结构构件的细部优化

单一构件的细部优化也是工业厂房钢结构优化的重要环节。比如：1)混凝土楼面下的钢结构次梁，可以按照按钢-砼组合次梁计算；2）钢框架主梁可做成变截面且塑性区和非塑性区别对待（如变截面塑性区适当延长），由此主梁可以取得较大优化空间；3）大跨次梁可根据弯矩和变形情况做成变截面梁，腹板不足可设置加劲肋；4）建筑物边部梁弯矩较大，在需要较大的抗弯能力的位置，方形截面不理想（面积大、抗弯能力小、回转半径小长、细比大)，设置成矩形可减小主梁净跨、增大柱抗弯刚度；5）对于钢结构厂房大跨度抽柱的顶层可考虑性能设计，可以在满足安全的前提下，可较大程度上节约用钢量。

2.5合理优化防火设计

任何施工与建设材料都是优缺点共存的，钢结构材料也是如此，尽管钢结构具有重量轻、空间大、防震性能好等有点，但是保温隔热与防火耐热能力较差，与混凝土结构的性能存在差异。在外部温度过高时，钢结构材料的内部性能受温度的影响，材料强度与使用效果会大幅度下降，从而影响钢结构的稳定性与抗震性能，无法为工业各项工作的有序开展提供保证。如果当温度达到250℃时，钢材的强度和弹性模量会下降，延长率和线膨胀系数增大，导致工业厂房内部结构出现变形甚至失效。因此，在进行钢结构工业厂房结构设计工作时，设计人员应充分认识到钢结构材料缺乏防火耐热能力这一弊端，提高对防火设计工作的关注度，严格依照《建筑钢结构防火技术规范》进行钢结构设计。钢结构构件的设计耐火极限应根据建筑物的耐火等级，按现行国家标准中的规定确定不同构件的耐火等级及对应的耐火时间。计算火灾下构件的承载力时,计算构件的抗力时宜考虑温度的不均匀性,取最不利部件进行验算。对于变截面构件,则应不同部位，对各不利截面进行耐火验算。严格依照规范设计，才能保证人员的生命安全和建筑物的可靠使用。与此同时，设计工作中还可以选用耐火性能较高的包裹材料或在钢材料表面涂抹高效防火涂料，来提高钢结构的保温隔热与防火耐热能力，降低高温对钢材料性能的影响与破坏，从而设计出性能优越且结构稳定的工业厂房，为促进工业企业的标准化与现代化发展贡献力量。

结语

综上所述，目前钢结构在工业厂房的应用方面具有一定优势，如果在安全可靠和满足生产使用需求的前提下，对其整体和细节进行有效优化，便能充分发挥其自身优势，减少成本支出。在优化设计中，采用优选的结构方案、合理的工艺布局、精心的细部设计，加之新材料的应用，才能将工业厂房设计工作稳步推进。当前，钢结构在建筑领域被广泛应用，有效的工业厂房钢结构设计优化将促进未来建筑行业稳步发展。

参考文献

[1]吴波,梅世强,李碧远,等.钢结构优化设计探索[J].建筑结构,2022,52(S1):1173-1178.

[2]高政重.工业厂房建筑结构设计优化研究:以造纸厂为例[J].造纸装备及材料,2022,51(6):193-195.