轻型钢在工业建筑结构设计中应用分析

【摘要】随着现代工业建筑的发展，轻型钢结构凭借着诸多优势逐渐得到了广泛应用，包括施工便利性、环保性以及经济性等。本文首先针对轻型钢结构建筑概念进行了简要分析，明确了轻型钢在工业建筑的应用优势，其后分析了工业建筑轻型钢结构设计原则，并围绕工程案例探讨了轻型钢在工业建筑结构设计中应用要点，以期可供参考。

【关键词】轻型钢;工业建筑;结构设计;轻型门式刚架厂房           【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.31.029

1、引言

工业建筑是建筑领域的重要组成部分之一，由于承载要求高，自身结构荷载量不断提高，如何在保证结构力学性能的同时合理控制自身荷载量成为一大重要问题。近年来，轻型钢凭借着质轻、强度高、装配简单等诸多优势，在工业建筑中得到了广泛应用，其性价比较高，施工现场操作便利，可有效缩短施工工期，打造优质项目。为保障工业建筑结构整体性能，必须将轻型钢结构设计作为一项重点工作来抓，合理确定各个构件的布置方案，从技术经济性的角度出发落实设计参数的优化工作，本文围绕此展开详细分析。

2、轻型钢结构建筑概念

国外轻型钢发展较早，主要是源于欧洲传统建筑中木结构的影响，小断面型钢、薄壁逐渐发展起来，并逐渐运用于工业建筑工程。传统的重型工业厂房，逐渐被轻型钢结构替代，尤其是门式钢架结构体系的运用较为广泛，其与一般轻型钢结构相比，侧向刚度更大，在抗震、水平承载能力方面具有较大优势。

近年来，我国钢铁行业发展迅猛，从2020年整体产量来看，生铁、粗钢和钢材产量分别为8.88亿吨、10.53亿吨和13.25亿吨，同比分别增长4.3%、5.2%和7.7%。基于如此巨大的钢材产量背景下，推动了我国钢结构建筑的发展，工业建筑中轻型钢结构越加常见。结合相关理论与工程实践分析显示，轻型钢在工业建筑中的运用，可减少约50%混凝土使用量，同时建筑自身质量可减轻3 /4;轻型钢材料施工工期较短，无需现场绑扎钢筋、制作模板，但建筑整体强度有所保障;轻型钢结构减少了砂、石、灰用量，且建筑拆除时多数材料可回收再利用，污染小且整体经济性好。基于上述分析可得，轻型钢在工业建筑中的应用具有诸多优势，施工便利、经济性好、绿色环保，值得推广应用。

3、工业建筑轻型钢结构设计原则

3.1适用性原则

轻型钢在工业建筑领域中的运用，主要适用于低载荷承重的建筑。随着我国钢结构产业的发展与相关技术体系的完善，轻型钢的运用越加广泛，结构体系较为灵活，在抗腐蚀、抗震方面表现较好。轻型钢在工业建筑中需根据实际情况开展设计工作，重视隔音性能、保温隔热性能以及采光性能分析，合理运用轻型钢骨等材料，发挥轻型钢结构高效、节能、环保等优势。

3.2安全性原则

工业建筑轻型钢结构设计过程中，必须重视安全系数问题，既要保证作业人员安全，也要确保建筑材料各方面安全性。根据工业建筑实际运行情况分析显示，工业生产往往对环境要求较高，工业建筑轻型钢结构必须具备良好的抗压、抗震、抗腐蚀以及防火性能，一方面需严格选用轻型钢材料，另一方面需科学开展结构设计与优化工作，保证工业建筑整体结构安全可靠。

3.3经济性原则

轻型钢在工业建筑中的推广运用，主要取决于其重量轻、成本低两大优势。对此，在工业建筑轻型钢结构设计时，必须遵循经济性原则，根据工业建筑环境、使用需求，科学开展结构设计工作，合理确定建筑方案，不得盲目设计，避免不必要的浪费，切实保障工业建筑项目经济效益。

4、輕型钢在工业建筑结构设计中应用要点

本文以常见的门式刚架轻型钢结构工业建筑为例，详细分析了结构设计要点。

4.1工程概况

本项目为某轻型门式刚架厂房，拟建尺寸为220m×130m，主体建筑高度9.7m，地上一层。具体设计参数如下表1所示。

4.2门式刚架轻型钢结构设计要求

（1）构件空间布置：门式刚架轻型钢结构工业建筑，主要构成包括屋面压型钢板、墙面与屋面檩条、支撑系统、吊车梁、钢梁与钢柱，结构设计与优化中必须对各种影响因素的综合分析，包括：建筑高度、吊车吨位、屋面荷载、跨度、柱距、坡度等，合理布置各个构件，如：确定最优柱距，合理控制檩条、吊车梁用钢量与刚架数量，保证结构设计方案的技术经济性。

（2）构件截面优化：确定门式刚架轻型钢结构布局、材料方案的基础上，对各个构件截面尺寸进行优化，在保证的构件内力的前提下，提高厂房整体经济性。钢架主要利用变截面H型钢实现钢材节约，H型钢腹板高度、厚度可根据需要进行变化，兼顾结构安全性与经济性要求。

4.3门式刚架轻型钢结构设计与优化要点

4.3.1跨度确定

结合相关实践经验总结，门式刚架轻型钢结构建筑跨度以15～36m为主，主要影响因素为屋面荷载，当屋面荷载增加时，柱截面尺寸须随之增大，否则用钢量必然增加;若是跨度过大，则梁截面尺寸将进一步增大，用钢量增加。

本工程1跨2台吊车，吊车吨位为5t，屋檐位置高度9. 7m，屋面坡度1 /20（暂定），采用PKPM - STS构建单榀刚架模型，选取三种柱距进行计算，分别为6m、7. 5m、9m;在轻型钢结构用钢量计算时，需根据柱距确定作用在单榀刚架模型上的面荷载、吊车梁荷载。根据实际计算与分析显示，跨度在24～27m时，轻型钢结构经济性最优，通过与甲方沟通最终将跨度取为21m，设置6跨，合计126m。

4.3.2柱距确定

在进行门式刚架轻型钢结构建筑柱距设置时，受到多个因素的影响，包括：跨度、屋面荷载、墙面与屋面檩条形式等。本工程采用PKPM-STS 构建整体刚架模型，对不同跨度下，6m、7. 5m、9m三种柱距的用钢量，根据实际计算与分析显示，当柱距6m的情况下，厂房的用钢量最少，最终将柱距确定为6m。

4.3.3坡度确定

根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》要求，轻型门式刚架坡度最小值为1 /20。从坡屋面的功能来看，以排水为主，由此坡度变化不会对钢架内力产生直接影响，但是坡度一旦变大将导致斜梁长度变化，进而对轻型钢结构的用钢量产生影响。本工程采用PKPM - STS 构建整体刚架模型，将已经确定的跨度（21m）、柱距（6m）导入，并对不同坡度的轻型钢结构用钢量进行计算，分别为1 /20、1 /15、1 /10、1 /8。根据实际计算与分析显示，当坡度取值为1 /20时，整体用钢量最少，适用于厂房跨度不大的情况。

4.3.4构件截面优化

本工程采用变截面刚架斜梁，变截面位置以斜梁反弯点处为宜，1跨主要分为三段，比例控制在1∶2∶1，端部跨度可根据轻型钢结构建筑整体跨度适当减小 0. 5～1m，实际可采用PKPM-STS绘制弯矩分布图，并以此为依据进行调整优化;本工程采用的是5t吊车，刚架梁、柱的应力比最大值以0.9以内为宜;刚架梁、柱H 型钢最小高度以350mm为宜，最小腹板厚度5mm;本工程吊車梁容许挠度限值，建议按下表2取值。

结语：

综上所述，随着我国钢铁产业的发展，以及工业建筑施工速度、成本等方面的要求，轻钢结构逐渐成为一大发展趋势，在工业建筑领域中得到了广泛运用。与钢筋混凝土结构相比，轻钢结构材料具有重量轻、强度高、现场施工便利等特点，有利于缩短施工周期，提高建筑经济效益。为充分发挥轻型钢在工业建筑的应用优势，必须根据项目实际情况科学开展结构设计与优化工作，在保证结构安全性、可靠性的基础上，通过各个构件的合理布置与截面优化，有效控制整体用钢量，由此实现工业建筑成本的合理管控，提高建筑工程综合效益。

参考文献：

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作者简介：

招云杰（1970-），男，广东广州人，工程师，本科，工作方向：工业与民用建筑结构设计与研究。