钢结构厂房设计中需注意的问题

科技方法训练钢结构厂房设计中需注意的问题院系：力学与工程学院班级：工力09—1班成员：崔余岩指导教师：海龙2011年12月31日1钢结构厂房设计中需注意的问题崔余岩(辽宁工程技术大学力学与工程学院,辽宁阜新123000)摘要如今钢结构厂房的采用越来越普遍,本文从防火、温度伸缩、屋盖支撑、结构防腐、立面设计等几方面对钢结构厂房设计的核心问题进行探讨，总结了轻型钢结构厂房的设计要点，提出一些在设计中应注意的问题和建议，指出厂房结构方案的选择主要从工艺流程、建筑节能设计、技术经济分析等方面综合考虑确定。以使钢结构厂房更趋于安全、经济、美观。关键词：钢结构厂房；防火；防锈；屋面设计1.引言由于社会经济的发展和技术进步。在工业厂房的设计中，钢结构已经成为一种重要的结构形式，它由于其自重轻、造价低、度高、塑性韧性好、施工周期短、工厂化程度高、现场工作量小、综合效益高等优点在我国得到了广泛的应用。近百年来得到了快速的发展,尤其是在上世纪下半叶,随着世界钢产量大幅度增加,钢结构也相应更加扩展了应用领域,特别是在大跨度、高耸、超高层、重型、动力荷载结构范围内钢结构大量的被使用。然而钢结构却有一个不容忽视的问题:钢结构的抗火性能、抗锈性能等，这些破坏事故在国内外屡见不鲜。2.钢结构防火设计及相关措施2.1防火设计的原因钢材受热在100℃以上时，随着温度的升高，钢材的抗拉强度降低，塑性增大；温度在250℃左右时，钢材抗拉强度略有提高，而塑性却降低，出现蓝脆现象；当温度超过250℃时钢材出现徐变现象；当温度达500℃时，钢材强度降到很低，以致钢结构塌落。因此，当钢结构表面温度处于150℃以上时，必须做防火设计。22.2防火措施2.2.1有效的防火分区是建筑必须采取的保护措施之一。防火分区可以在厂房内部防止火势向其他区域蔓延、扩散,有效地控制火灾的范围。不过对于现代钢结构厂房的大跨度、大空间及其所需要的生产工艺流程来说,防火分区的设置具有一定难度。常用的分区方法有以下几种:（1）防火墙。在生产工艺流程和生产管理中没有特殊要求的情况下,采取防火墙是简单、有效并且造价低廉的一种方法。（2）防火门。防火卷帘,可用于小跨度分区中。（3）自动喷水灭火系统。在只需分两个分区及厂房高度不超过8m的情况下,可设置自动喷水灭火系统,使所允许的防火分区面积增加一倍,以达到规范要求。（4）独立水幕。这是一个较好的分区方法,不存在跨度问题,水幕喷头防火水幕带宜采用喷雾型喷头,也可采用雨淋式水幕喷头,喷头的排列不应少于3排,防火水幕带形成的水幕宽度不宜小于5m,流量2L∕（s-m）。但存在维护保养困难的问题,为防止误操作,应采取人工、自动两种启动方式。（5）防火带。由于生产工艺流程和生产管理需要而无法设防火墙时,可设防火带进行防火分区。即在有可燃构件的厂房中划出一段区域,这个区域内的构件全部采用不燃性材料,并采取措施防止烟火在分区间流窜,也可起到防火分隔的作用。2.2.2除上述的防火分区外,防止钢结构在火灾中迅速升温发生变形塌落的几种钢结构防火措施如下:1）涂刷防火涂料法、2）发泡防火漆法、3）外包保护层法、4）水冷却法、5）彻底屏蔽法。上述的五种方法被称为主动防火措施。其中涂刷防火涂料是设计首选的一种方法。涂刷在钢结构表面防火涂料,能形成耐火隔热保护层,以提高钢结构耐火极限。而防火漆是由成膜剂、阻燃剂、发泡剂等多种材料制造而成的一种阻燃涂料。一般油漆相比,在物理性能方面基本一样,不同的是它干燥以后,漆膜本身不易燃烧,遇火时,能推迟火焰延烧到涂漆的可燃物上,具有一定的防火性能。水冷却法是在空心钢构件内充水,采用循环水进行冷却是抵御火灾最有效的方法之一。当温度上升时,空心钢构件内的水可带走大量的热,受热的水经冷却降温循环使用或经外部引入冷水引出热水,从而3使钢构件在火灾时保持较低温度。这种技术在国外被广泛地使用在钢柱的防护中。彻底屏蔽法是用耐火材料组成的构件将钢结构彻底屏蔽,是最经济的保护方法。[1～4]3.保温隔热设计钢材具有非常好的导热性能。其导热系数达到50W∕m·℃，对于钢结构建筑，如果不进行保温隔热处理．势必会造成大量能源浪费和消耗．同时还要满足工艺性要求和舒适性要求。针对不同气候区域的工程项目，经过计算采用不同的保温层厚度。3.1保温设计的原理及计算方法：热工学中有如下理论：1）△Q=△T·A∕R。其中，△T为温差，℃；A为表面积，㎡；△Q为热流损失，W=T∕S；R为热阻，㎡·℃∕W。以有生命力的”人”的感知为例：夏天：t1(人体温度)=37℃，t2(环境温度)=35℃，△t=2℃，要求R很小。表现为穿薄的衣服，甚至光胳膊、短裤。冬天：t1’(人体温度)=37℃，t2’(环境温度)=10℃，△t’=27℃，要求R增大。由此导出：热阻R是最关键值。“钢结构建筑”保温隔热就是要获取足够的R值。2）R=LK=1∕λ。其中，L为隔热材料厚度，m；K为隔热材料导热系数，W∕㎡·℃；λ为传热系数，W∕㎡·℃。选择λ和K，确定R。根据《建筑设计热工规范》，可以确定国内5个气候带的不同工况下的传热系数。如青海格尔木(严寒地区)：λ=0.3W∕㎡·℃，玻璃棉K=0.041W∕㎡·℃。L=K*1∕λ=0.041*1∕0.3=135㎜，此为室内有采暖设施房屋或公共建筑的最低厚度。再考虑热桥、窗户的散热，实际厚度一般取：L=136*120%=160㎜。[3、7]4.屋盖支撑系统及屋面设计4.1屋盖支撑屋盖支撑系统的布置应根据厂房跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式、吊车设置及吨位大小、振动设备情况等条件来决定。一般情况下，无论有檩条或无4檩条体系的屋盖结构均应设置垂直支撑，在无檩条体系中，大型屋面板有三点和屋架焊接，可起到上弦支撑的作用，但考虑到施工条件限制和安装需求，无论有檩条或无檩条体系屋盖均应在屋架上弦和天窗架上弦设置上弦横向支撑。对于屋架间距不小于12m的厂房或厂房内设特重量级桥式吊车或厂房内有较大振动设备的均应设置纵向水平支撑。规范第9.1.20条规定，屋盖支撑杆件宜用型钢，目前多数采用圆钢，甚至在8级地震区也有用圆钢的，必须引起高度重视由于人们对震害的感受不深，认为地震发生的概率很小，因此重视不够。作者建议8级地震区应用型钢截面，7级及7级以下视刚架跨度和荷载大小可考虑是否一律采用型钢。4.2钢结构厂房屋面设计的防水问题屋面防水设计涉及屋面坡度、天沟形式、单坡屋面长度等因素。屋面坡度，根据《屋面工程技术规范》的规定，屋面坡度最小为5%。但在实际工程中，一些外资钢结构公司屋面坡度经常做到3%，甚至2%。考虑到同前国内钢结构厂家技术力量、节点的处理、材料性能方面参差不齐，人们将屋面坡度控制在5%。在积雪较大的地区，坡度应适当增大。单坡屋面长度，主要取决于工程所在区域的最大温差以及降雨所形成的最大水头的高度。根据收集的资料和工程设计经验，单坡屋面长度宜控制在70m以内，若超过70m，需做专题研究、特殊处理。经过调研了解，目前市场上常用的钢结构屋面做法如下：1)双层彩色压型钢板内夹保温棉，使用量很大，但温差大，且坡长造成的彩钢板热胀冷缩问题很难解决。2）复合柔性钢屋面系统，由屋面彩钢板内板、隔汽层、保温层、卷材防水层组成。由于最外层铺设柔性卷材，整个屋面为一个密闭系统，也不存在热胀冷缩的问题，造价较国内钢结构厂家稍高。3）地处严寒的地区．冬季气温低，堆积的冰雪反复冻融，容易对普通钢屋面造成破坏，尤其是天沟处，造成渗漏，根据以往的经验，内天沟尚无成功的实例，故确定设计方案全部采用外天沟。另外在积很高的雪时，威胁厂房安全，故确定设计方案采用屋脊双坡屋面。[4～7]5.钢结构建筑的防锈钢结构表面未加保护而暴露在大气中就会锈蚀，当钢结构厂房空气中有侵蚀5性介质或钢构件处在潮湿环境中时，钢结构厂房锈蚀就会更加明显和严重。钢结构的锈蚀不仅使构件截面厚度减薄，而且还会在构件表层产生局部锈坑，当结构构件受力时将引起应力集中现象，使结构过早破坏，因此对钢结构厂房防锈蚀问题应予以足够的重视，并应根据厂房侵蚀介质情况和环境条件在总图布置，车间内部工艺布置结构选型和材料选用等方面采取相应对策和措施，以确保厂房结构安全使用。5.1钢结构建筑的防锈可分为钢构件的防锈和围护系统的防锈两大部分。(1)钢构件的防锈钢构件的防锈处理大部分在工厂制作时完成。北方地区或者比较干燥的环境,也可以增加底漆一道干膜厚度达到70-80微米,取消中间漆。防锈处理可分为除锈→涂底漆→中层漆→面漆几个工序来完成。根据轻钢结构建筑的用途、地理位置、气候条件的不同,来确定防锈方案和各个工序的基本要求。喷砂处理的钢构件表面一般要达到国家标准Sa2.5级以上,最低不低于Sa2级,处理后的构件8小时内要开始涂刷底漆,底漆一般采用红丹醇酸防锈底漆、无机富锌底漆和环氧富锌底漆,防锈能力较好的是富锌底漆,干漆膜中锌粉含量可达到80%以上,起到很好的阴极保护作用,防止电化锈蚀。中间漆多采用鳞片状的中层漆,漆膜颜料呈层状排列,可以提高涂层的屏蔽作用,加大了水汽、二氧化碳渗透阻力,起到了增强防锈蚀效果的作用,而面漆多采用醇酸调合漆、脂肪族聚氨脂漆,或防锈蚀性能更好的环氧面漆和氟碳漆。就目前我们国内的现状来看防腐工艺的要求和材料的选用,大同小异,而防腐涂料本身的质量,却是大相竞庭。同一种油漆不同的生产厂家不同的品牌,甚至同一种品牌的质量和价格相差很大,因为油漆的生产厂家以小、散、低的私营企业占了相当大的比重,而一些不规范的钢结构生产企业,为了降低成本,不惜牺牲质量而选用低档次的防腐涂料,造成了工程质量的低劣。另外,管理部门对防腐涂料的生产企业和相关产品没有严格的质量分级,缺乏强制性的监督机制,也给市场造成了混乱,对规范化生产的企业造成了很大的冲击,至使一大批曾经知名的6涂料生产厂家先后破产、倒闭。现在国内仍保留较大生产规模的企业有:上海开林造漆厂、石家庄市油漆厂、浙江市金华造漆厂。合资及外资企业主要有:深圳海虹、上海国际、广州佐敦等。(2)围护系统的防腐围护系统的防腐,主要是彩板部分,它的表面涂层的处理是在彩板的专业制造厂家完成的。作为轻钢结构建筑的设计和生产厂家,主要是根据不同的建筑用途、不同的地理位置和气候条件选用不同的品牌、型号和表面特性,目前常用的彩板品牌和生产厂家有上海宝钢、澳洲BHP、台湾烨辉、韩国朴相等等。[5～9]6.温度伸缩缝的设置温度变化将引起钢结构厂房变形，使结构产生温度应力，其大小与柱子刚度、吊车轨顶标高和温度有关。当厂房平面尺寸很大时，为避免产生过大的温度力，应在厂房横向或纵向设置温度缝，将平面尺寸很大的厂房分成若干温度区段。温度区段的长度可根据钢结构设计规范执行。温度伸缩缝一般采用设置双柱方法处理，也可采用设置单柱方法处理，对纵向温度伸缩缝可在屋架支座处设置滚动支座，对横向温度伸缩缝可在框架梁与檩条连接处采用椭圆孔滑动方式或槽钢夹板滑动方式。[6、7]7.立面设计轻钢结构的建筑主要有以下4个方面的特征：规模、线条、色彩、变化。钢结构厂房的立面主要由工艺布置来决定，在满足工艺的要求下力求立面简洁恢弘，同时使节点尽量简单统一。彩色压型钢板使得轻钢厂房的建筑表现得体形轻盈、色彩丰富，给人一种明显区别于传统钢筋混凝土建筑的耳目一新的感觉。在轻钢厂房的设计中，厂房的体形受工艺的约束，同时体形变化过于丰富会形成复杂的节点处理，从而提高工程造价。因而在设计中常用手法是采用跳跃性色彩和冷色调，重点突出主要出入口、外天沟、收边泛水等地方，既体现了现代化厂房的恢弘气势，又丰富了立面效果。传统的钢筋混凝土结构厂房，外墙维护为砖砌体，外装修为涂料或面砖，辅以色带，由于混凝土屋面设置采光窗效果不理想，设计时通常在墙面设置大量的采光窗。但对于维护墙体为彩色压型钢板的钢结构厂房来说则不然。线条是表现轻钢结构建筑风格最独特的特征，均匀的线条或横或竖，使得轻钢结构建筑富有7流畅的金属质感，体现了强烈的现代化工业气息。若在墙面上设置大量采光窗，则破坏了墙面的线条造型，同时，轻钢结构屋面可以大量使用屋面采光板，采光均匀，非常适合目前有色金属行业流行的联合