摘要：我国正处于经济发展的快车道上，各种建筑业拔地而起。与此同时，厂房的结构形式也在不断创新。在这样的背景下，单层钢结构厂房的设计方法也在不停的优化改进。优化设计后的单层钢结构厂房往往能够带有更多的功能，并体现出高质量、低成本的优良特性。本文就将浅显分析对于单层钢结构厂房的设计优化方法，以供参考。

关键词：单层工业厂房;结构设计;钢结构;设计优化

引言

在工业厂房中，钢结构的建筑施工技术已悄然兴起，被大多数企业所接受，并广泛应用于各个相关工程之中。放眼全国，各种形式的钢结构厂房建筑雨后春笋般遍地涌现，钢结构建筑的浪潮正式进入广大国民的视线。钢结构的发展有着更好的前景，关于钢结构厂房建筑的设计分析优化研究，将不断推动行业的发展。

1.钢结构特点及单层工业厂房结构

1.1钢结构特点

钢结构有很多的优点，不仅具有较强的抗震性、抗风性，而且施工速度快，大部分构件可以在工厂加工，现场焊接拼装，施工周期短，正好与绿色环保的理念相吻合，受到外界环境的干扰小。轻钢构件有着良好的抵抗水平抗震力及水平荷载作用的能力，适用于8度及以下的地区。但是，钢结构耐高温耐腐蚀性差，需做额外的防火和防腐蚀设计。

1.2钢结构单层工业厂房结构

单层钢结构厂房横向抗侧力体系，可采用刚接框架、铰接框架、门式刚架或其他结构体系。纵向抗侧力体系可用柱间支撑也可采用刚接框架。钢结构厂房结构通常是由五个部分构成的：第一，屋盖结构。其主要由有檩、无檩两种系统构成，就有檩系统而言，小型面板属于其最重要的组成部分，就无檩系统来说，大型屋面板属于其重要的组成部分，部分厂房的屋盖结构中还具有天窗架和托架，发挥着重要的承重作用，既可以承受屋盖自身的重量，也可以承受屋面或外荷和其他荷载。第二，吊车梁。主要安装在柱子伸出的牛腿上，除了承受吊车自身的重量以外，还承受着吊车刹车冲击力。第三，柱子。最为核心的竖向承重构件，能够承受屋盖、吊车梁的竖向力。第四，基础。通常采用独立式基础，也可以使用基础梁、筏板等基础形式。可以承受柱子荷载与梁上部分的荷载。第五，柱间支撑。保证房屋纵向稳定和空间稳定，确定柱平面外计算长度，承受山墙风载、温度应力、地震作用和吊车纵向刹车力。

1.3单层钢结构设计存在的一些问题

单层钢结构厂房往往以横向刚架作为计算单元进行二维设计，忽略了风荷载、吊车刹车力和纵向地震力对钢柱的影响。屋面荷载取值问题，目前工业厂房中大多数采用的压型钢板屋面，实际重量比设计取值会相对小很多，门式刚架轻型房屋钢结构技术规范规定压型钢板屋面对受荷水平投影面积大于60M2的刚架屋面活荷载取不小于0.3KN/M2计算，荷载取值不合理造成用钢量增加，提高了成本。此外，钢结构防火问题没有引起足够重视。以往的钢结构防火设计部分仅对不同构件的耐火等级和耐火极限进行要求，没有明确的涂层厚度，由涂料厂家确定，造成防火措施的管理不到位，变成一种放任状态。钢结构由于自重轻，在风荷载和地震力作用下，基础面积很大，材料消耗大。

2.单层钢结构厂房的设计优化策略

2.1单层钢结构厂房上部结构设计优化

（1）结构软件分析

实际设计工作中，计算基本都是通过软件来完成，选取正确的设计参数至关重要。区分查看指标的假定情况、计算方法以及适用规范，影响计算结果的判别规范。抗震规范对于钢结构框架和单层钢结构厂房对于柱子的长细比控制、柱间支撑地震作用及验算等要求均不同。并且对于软件提示的计算结果超限问题，也需要自行判别。抗震规范对于行业有特殊要求的工业建筑，在抗震设计时应按有关专门规定执行。很多行业也对其行业内建筑出台了相对应的设计规范，针对一些条款提出特别的规定。就门式刚架单层厂房来说，根据最近的门钢规范对与主刚架翼缘宽厚比和腹板的高厚比在适用范围内要求较钢框架要低。

在取横向框架计算后，还应对纵向风荷载和地震力进行计算。可以建立纵向柱列的二维模型，横向刚架的荷载布置在柱顶节点，利用软件计算分析，如果纵向支撑采用桁架连接的话，两个计算方向刚度接近，接近框架的结构形式，建议采用空间模型计算。

（2）结构布置优化

选择合理的纵向柱距和横向跨度。工业厂房的跨度太大或者太小都会导致造成钢材的浪费。门式刚架的单跨跨度宜为12～48m，柱网纵向间距宜为6～9m。跨度越大，横梁的弯矩越大，相应的柱截面也加大，并且梁的挠度变化率会大过梁弯矩的变化率。超过一定跨度后，变形可能成为更重要的控制因素。

在一定范围内，随着纵向柱距增加，主刚架数量减少，用钢量会减小，檩条、吊车梁和支撑的用钢量增加并不会太多。超过9米时，屋面檩条和墙梁的用钢量会大幅提高。因工艺要求做大柱距时，可通过设置桁架式檩条和增设拉条，考虑屋面板对檩条的稳定性约束等来降低用钢量。

2.2基础设计

在设计的过程中，因为参与设计的人员有着不一样的专业水平与能力，不同的设计思路和设计方法一定程度的影响建筑的经济性，合理的计算方法能达到一定的节材目标。钢结构自重轻，在一些风荷载和地震力较大的地区，在柱脚产生很大的弯矩，但竖向力小，导致基础底面积很大。在无吊车设计时可以采用铰接柱脚，仅由柱脚剪力产生的基底弯矩减小很多，并允许产生不超过基底面积15%的零应力区，大大减小基础混凝土量。同时可以在墙体窗台下段设置一定高度的砖墙，通过拉梁传递给基础，利用砖墙的重量减小基础荷载的偏心距，达到控制基础底面积的目的。

2.3根据构件受力特点选用变截面杆件

在无吊车单层钢结构厂房的设计过程中，分析其弯矩包络图，在门式刚架中可发现钢梁弯矩呈现跨中及支座处大特点。结合此特点，采用变截面梁和柱，可使钢梁、柱的强度得以充分利用同时，节省了材料，优化了用钢量，降低了工程造价。变截面与等截面相比，前者可以适应弯矩变化，但在加工和连接不如等截面方便。

2.4对单层钢结构厂房进行抗震优化设计

地震作用作为建筑结构安全设计的重要影响因素，越来越不可被忽略。钢结构震害往往表现为侧向刚度不足，和连接节点破坏。

抗震规范要求单层钢结构厂房框架柱轴压比小于0.2时长细比不宜大于150，轴压比不小于0.2时，不宜大于120。门刚规范要求地震组合时柱长细比不应大于150。梁柱节点分为刚接和铰接两类。刚接设计时梁腹板宜采用摩擦型高强螺栓与柱连接板连接，梁翼缘与柱翼缘通常采用全熔透坡口焊连接，这种简单，便于施工。抗震设计时，宜采用塑性铰外移的连接形式，如梁上下翼缘处增加盖板，加宽梁翼缘和加腋的方式或采用骨式连接以达到强节点弱构件的设计思想。柱脚节点设计时，宜采用埋入式、外包式，也可采用外露式，抗震设计时优先采用埋入式柱脚。

3.单层钢结构厂房的防火问题及相关设计优化

3.1单层钢结构厂房的防火问题

钢结构的优点很多，但也有它自身的缺点，那就是其耐火性较差，钢材自身不可燃，只是耐高温性能差。举个最简单的例子，我们日常使用的木柱可以耐火达到15分钟以上，而钢材的耐火极限通常在15分钟左右，其主要原因是钢材自身结构强度和稳定性会在火焰的影响下不断被削弱，逐渐失去支撑能力和稳定性。而当火灾发生的时候，温度可能会高达800℃～1000℃，而当温度升至300℃后，没有采取防火保护措施的钢构件开始在高温下变形，强度开始逐渐下降，最终导致房屋倒塌。许多老旧厂房建造比较密集，防火间距不足，并且消防设施也不满足相关防火规范的要求，施工单位在施工时，不做防火涂料或者厚度不达标，使用不符合标准的防火涂料。一旦发生火灾，将会迅速蔓延 ，给人身财产安全造成极大的损失。

3.2单层钢结构厂房的防火防腐设计优化

钢结构要根据工程实际情况，结合工作环境、耐火极限要求等要求采取防火保护措施。一般采取外涂防火涂料的方式。首先要根据建筑特性及采取的消防措施确定建筑的耐火等级，根据不同耐火等级可以确定各构件的耐火极限。一直以来，由于防火计算的复杂，一般工程仅对构件的耐火极限、涂装操作顺序、除锈等一些原则性要求。随着新规范《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017的颁布，PKPM等常用设计软件也加入了防火计算的部分，借助软件分析计算，结构工程师将能完成复杂的耐火验算和防火设计内容。设计图中应当体现出中对防火涂料选择类型，涂料的厚度，以及说明涂料的等效热阻、等效热传导系数，并注明防护材料的施工顺序。另外，在设计文件中注明在选取防火材料时不能选用会与钢材本身发生化学反应的物质，留下安全隐患。

防火设计伴随着防腐设计，一般内层刷防锈漆，外层做防火涂料。钢结构的防腐设计，一般与结构的受力分析无关，但会影响钢结构的后续使用情况，防锈漆要做到满足现行行业标准《建筑用钢结构防腐涂料》JG/T224的要求，同时各层涂料的选择也要相互兼容，并提出相适应的除锈标准。在使用过程中，定期检查防护涂层的状况，及时维护检修。

4.小结

钢结构建筑形式在近年来广泛使用，单层钢结构厂房以其轻质、高强、建设周期短等优点，在常用建筑中占比越来越大。在满足结构安全性的前提下，设计人员应不断探究更加经济和受力合理设计方法。如今，各种优化措施不断得到实践应用，国家相关规范也不断补充完善，各种设计方法和思路也越来越成熟，钢结构的优点不断被发掘出来，推动着建筑行业不断发展。在未来的时间里，对于单层钢结构厂房建筑设计优化的新思路、新方法仍将不会止步，而这就需要设计人员和施工人员的共同努力，才能得以收获成果。

参考文献

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