探究轻钢结构厂房设计方法：提升使用效果的关键

一、前言

钢结构产业是绿色、环保、可持续的新兴产业。钢结构具有强度高、重量轻、抗震性能好、工业化程度高、施工周期短、环境污染少、可塑性强等综合优点。其应用领域非常广泛，可用于工业厂房、高层及超高层建筑等，广泛应用于民用住宅、大型公共建筑、航站楼、主要火力发电厂和锅炉框架、公路和铁路桥梁、海上石油平台。

目前，我国钢结构工厂的数量已经开始增加，尤其是轻型钢结构工厂，越来越受到人们的认可。轻钢结构厂房如果不进行科学的设计，就不可能有良好的使用效果。因此，对轻钢结构厂房的设计方法进行分析和研究是非常有必要的。

2、轻钢结构的概念及结构特点

2.1.轻钢结构概念

通常，轻钢结构是指由热轧H型钢、焊接H型钢、高频焊钢、冷弯薄壁型钢、薄壁钢管和焊接薄钢板组成的结构。梁和柱的横截面。它与普通钢结构有很大不同。普通钢结构通常由组合柱、钢屋架和大吨位吊车梁等组成，比较适合荷载较大或吊车起重能力较大的结构。随着我国产业结构的调整，普通钢结构的数量不断减少，但轻型钢结构的数量正在逐渐增加。

2.2.轻钢结构的特点

轻钢结构具有以下特点：

2.2.1经济指标好，节省投资，用钢少，结构轻。其中，单层轻钢仓库用钢量为16~30k/m3，低于同等条件下钢筋混凝土结构用钢量。还可以减少大量水泥、木材等建筑材料的使用。同时，轻质钢结构可以大大降低自身重力，节省建设资金。

2.2.2 一般情况下无需打桩，施工周期短，投资小。由于轻钢结构厂房自重轻，工艺荷载小，通常只需柱下的天然基础即可满足承重要求。因此，可以大大缩短施工周期。

2.2.3同时，轻钢结构具有普通钢结构抗震性能好的优点。钢材是一种延性材料，因此具有良好的抗震性能。另外，钢结构杆材大部分在工厂制造加工，检测手段齐全，加工质量有保证。

2.2.4结构布局灵活，能满足不同功能的要求。

3、轻钢结构厂房设计实例

3.1.项目概况

某厂区总建筑面积19600m2，长144m，宽（34×4）m。为四跨双坡对称门式结构。主跨34m，檐高8m，厂内无吊车。屋顶活荷载0.3kN/m2，恒荷载0.3kN/m2，基本风压0.55kN/m2，基本雪压0.3kN/m2，墙体恒荷载0.3kN/m2。本工程采用焊接H型钢和圆钢管作为主要承重构件。外防护采用彩色复合钢板压制而成。高强度螺栓用于梁与梁、梁与柱的连接。主框架为工厂加工而成，焊缝采用二次钢。焊缝等级，其他为Ⅲ级。

3.2.柱网布置及结构立面图

刚架间距对主体结构用钢量影响较大。当柱距增大时，主体结构用钢量减少，但屋顶和墙体用钢量会增加。综合考虑这两个因素以及施工的方便性，最终柱距为8m。门式刚架轻钢结构不设伸缩缝的要求是纵向温度段不应大于300m，横向温度段不应大于150m，因此无需设置分隔缝。屋顶采用轻质彩板代替传统重型预制钢筋混凝土屋面板，并采用浅色板墙体，使结构轻巧、简洁、美观。刚架立面图如图1所示。

由于梁跨度大、弯矩值大，对钢材强度要求高，故采用Q345钢材，比Q235钢材节省15%～20%。

3.3.内力计算与设计

门式刚架的参数控制和计算按钢结构设计规范及其他规范进行。

3.3.1 变形控制

本项目轻钢结构门式刚架采用轻质墙板作为围护结构。由于没有吊车，柱顶水平位移和柱高限制为L/60；门式刚架仅支撑压型钢板屋面。而冷弯薄壁型钢檩条，允许挠度极限为L/180。主要构件的长细比限值为180。

3.3.2 立柱设计

根据边柱内力包络图，选择边柱为焊接楔形H形柱。由于檐口较高，无法克服边柱的面外应力。在不影响功能的情况下，在柱上加设两个角撑，解决了单纯增加柱截面来满足面外应力的问题，并且节省了资金。很多钢材。

由于中心柱太高且无面外支撑，面外稳定性难以满足，加大柱截面也不经济。因此，选择了各方向应力相对均匀的圆柱。

3.3.3 梁设计

当门式刚架构件截面变化率大于60mm/m时，与剪屈屈曲后截面强度无关，控制截面高厚比；当这种情况导致高厚比不满足时，可以采用以下任意一种方式进行调整：

(1)调整断面高度变化，使断面高度变化率满足不大于60mm的要求；

(2)增加腹板厚度，以满足方案不考虑屈曲后强度的腹板高厚比极限要求；

(3)设置横向加强筋。

本工程第一跨与第二跨梁的楔形变化率过大。加厚纸幅或调整变化率是不经济的。因此，采用腹板加设横向加劲肋的方法；另外，由于跨度较大，梁的挠度变形也较大。如果设计时只考虑挠度变形的条件，则强度不会得到充分利用。最后选择每跨中间起拱的方法来解决梁的挠度变形。体积太大，节省材料。

3.3.4 屋面檩条设计

采用直角卷边冷弯Z型钢，规格为Z180×70×20×2.0镀锌连续檩条。与简支檩条相比，每延米可节省约 2.5 公斤钢材。轴承具有弯矩来调节振幅，同时防止檩条的横向不稳定和扭转。由于檩条跨度为8m，所以在三分之三处设置支撑，采用Φ12圆钢。此外，为了增强整体稳定性，防止檩条下弦在吸风作用下失稳，在屋面后部、檐口和中部均设置了斜撑和斜撑。

3.3.5 节点设计

节点设计时必须考虑到传力清晰、结构合理、梁有必要的延性，避免应力集中和约束应力过大，同时还要考虑生产安装的方便性、安置的方便性和调整。螺栓端板连接是在一个部件的端部焊接一块平板，并用螺栓将其与另一个部件的端板或法兰连接的形式。由于其上述优点，被广泛应用于轻钢结构门式刚架的节点应用。

设计步骤为：

1）根据受力和结构要求选择连接形式并布置螺栓；

2）计算螺栓上的拉力，确定螺栓直径和端板厚度；

3）检查构件腹板的局部强度；

4）焊缝设计。

四、轻钢结构厂房设计与施工需要注意的问题

4.1.柱脚设计与安装

4.1.1 预埋地脚螺栓与混凝土基础边缘距离过近时，容易损坏基础。因此，设计时应满足该距离的结构要求。同时，混凝土基础必须保证达到设计强度，才能组织刚架吊装工作。

4.1.2 设计时应注意剪力键和剪力槽的设置。如果不留剪力键和剪力槽，则柱脚锚栓将被动承受剪力。柱脚地脚螺栓一般设计为承受拉力，计算时不考虑地脚螺栓承受的水平力。如果不设置剪力键，则侧向风荷载、水平地震荷载、吊车水平荷载等产生的柱底剪力几乎全部由柱脚锚杆承受，从而破坏柱脚锚杆。

4.1.3 柱脚板与混凝土基础间隙过小，将导致灌浆材料难以填满或填充。一般应预留50mm间隙进行二次填充。

4.2.梁柱连接设计与安装

4.2.1 法兰板与加厚或加宽连接板对接焊时，未按要求做坡度过渡。对接焊缝连接处，若焊件宽度或厚度不同且同侧相差大于4mm时，其一侧或两侧的坡度应不大于1：2.5（1：4）宽度或厚度方向。的斜角。

4.2.2 端板连接面制作粗糙，切割不平整，或与梁、柱翼缘板焊接控制不当，造成端板翘曲变形，造成端板间接触面不匹配，连接螺栓不牢固，达不到要求。结构特性，例如接头弯曲、拉伸和剪切阻力。

4.3.檩条、支撑和其他部件的设计和安装

4.3.1 为了安装方便，檩条或檩条支撑板的螺栓孔直径不能随意增大或加长。檩条不仅是支撑屋面板或悬墙板的构件，而且是刚架梁、柱、角撑的支撑。设置一定数量的角撑可以减少刚架平面外的计算长度，有效保证刚架平面外长度的整体稳定性。如果檩条或檩条支撑板的孔径太大或太长，角撑就会失去应有的功能。

4.3.2 角撑角钢与钢梁腹板直接连接并不容易。当刚架受到侧向力时，腹板局部受到侧向水平力，极易导致钢梁局部侧向失稳。

4.3.3 部分工程使用的檩条不注意防锈，导致工程未完工檩条已生锈。因此，檩条作为厂房的次要构件，也应进行防锈处理。