王海平
（天津大学建筑设计规划研究总院有限公司，天津300073）
摘要：钢结构由于其质量较轻、抗震性能良好以及可以满足大空间需求等诸多优点，尤其在强调装配式的大环境下，钢结构整体施工速度快、无湿作业等优势更加得以发挥，相比传统钢筋混凝土建筑部分钢结构建筑具有一定成本优势，因此，在公民用建筑中得到了广泛应用。但钢结构自身存在一定不足，其整体稳定性及局部稳定性，尤其钢梁平面外稳定性和弱轴受力分析，是钢结构设计中重点要注意的环节。本文重点针对钢结构厂房中常见的设计问题进行分析，并给出相应优化设计建议。
关键词：工业厂房；钢结构设计；稳定性
前言
工业厂房钢结构形式的设计合理性保证了厂房的使用可靠性和稳定性，是安全生产的前提，所以设计人员要根据实际环境和使用要求，对厂房的钢结构设计全方面考虑，使其更高程度的满足现代工业建设对结构设计提出的最新要求，为了进一步明确如何更为科学的应用钢结构设计，特此展开本次研究，希望能够有效推进我国现代工业建设发展，使其更高程度的满足现代经济建设需求。钢结构厂房结构示例如图1所示。
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1——屋架；2——托架：3——上弦横向支撑：4——制动桁架；5——横向平面框架6——吊车梁；7——屋架竖向支撑；8——檀条；9、10——柱间支撑；11——框架柱：12——中间柱：13——墙架梁
图1钢结构厂房结构示例
1钢结构工业厂房应用价值
相比于传统的钢筋混凝土材料，钢材基本上属于各向同性的材料，抗压、抗拉和抗剪强度均很高，并且具有良好的延性。门式刚架的单跨跨度可达到48米。工业厂房采用钢结构设计，在相同的空间内，减少了混凝土和木材等材料的使用，使得空间可利用率更高，加上现代化的设计，使得钢结构工业厂房更加的时尚美观。钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作，然后现场安装，在具体施工的过程中，减少了搭设脚手架和支设模板等传统物力和人力的投入，提高了施工速度，缩短了施工工期。安全性和施工效率显著提高，在以后的维护过程中，也相比于传统的厂房，钢结构厂房更加的简单便捷，对维修人员的要求也比较低。
2工业厂房钢结构应用的优越性
2.1钢结构质量较轻
钢结构与传统的混凝土结构相比较，其质量较轻，在实际工业厂房建设中能够较好地减轻对基础持力层的压力。同时，在实际建设过程中钢结构因其轻质的特征，在运输和升挂方面具有较大的优势，因此，可以有效解决混凝土结构施工工序复杂等难题。除此之外，在地震发生时可避免因质量过大吸收更多的地震能量，具有良好的抗震性能。
2.2钢结构开间较大
通常情况下，在钢结构布置方案相同的环境中，钢结构的开间要比混凝土开间大很多。在进行钢结构的排列工作时，灵活性较强，并且还可以有效满足设计工作的需要。除此之外，钢结构形式的应用还可以通过减少柱的截面面积和使用轻质墙板，提高面积使用率，增加户内有效面积。
2.3有效提升施工效率
在对工业厂房进行设计的过程中，钢结构制造厂家一般会使用机械化生产来制造钢结构构件，这就使得钢结构具有很好的质量和精度。此外，钢结构制造厂家通常会将加工完成的钢结构组件送到施工现场，对钢结构构件进行组合装配的过程也比较简单方便，可节省大量时间，有效促进了工业厂房施工效率的提升。
2.4较高的经济性和便捷性
通过焊接完成相关位置的连接，从而降低耗材的使用。同时，钢结构在单位价格上对于其他材料也具备一定的优势，这也是该结构应用于工业厂房钢结构设计的重要原因。此外，钢结构设计另外一个重要优点就是便捷性，对于设计结构类型来说，利用钢结构设计能够在很大程度上让设计流程得到简化，从而促进了设计工作的顺利进行，有效提升施工效率。
3钢结构工业厂房设计现状
3.1整体布局存在不合理
由于钢结构的强度高、灵活性强，在对钢结构工业厂房设计时，一些设计单纯为了节约钢结构的材料使用，降低成本，从而设计出空间大、跨度大的厂房。但在实际使用过程中，却会存在很多安全隐患，比如厂房建筑物的稳定性，生产设备的安装、内部施工等对房屋安全性的影响。这些安装问题设计未考虑，在后续的施工中，会增加更多的施工成本，对生产造成不可弥补的影响。另外未考虑非结构构件与建筑结构的连接的设计，会使得钢结构建筑在地震中的压力载荷承受力度不同，从而在以后会出现钢结构歪斜、裂缝等问题，严重影响抗震性能。
3.2造价成本控制不良
钢结构的设计和施工是一个复杂和系统性的过程，成本不仅包括钢结构材料本身，还需要考虑人工成本、施工器械、辅助材料等。但是在实际施工过程中，设计者没有结合现场施工条件，对设计方案进行校验，从而出现方案与实际施工不能匹配的优化设计。另外设计没有根据需要进行及时的方案修改和调整，使得钢结构材料和成本的控制力不够。这样的多方面因素，不仅造成了资源的浪费，也延误了施工计划和进度。
4钢结构稳定性设要点
4.1钢结构的稳定性设计
由于钢结构的整体刚度与结构的最大承载力和刚度密切相关，实际设计时需综合考虑钢结构构件内力大小及变化情况，避免整体结构的整体失稳和局部失稳问题。为了提高钢结构设计的稳定性，还必须使用完整的结构展开设计，特别是对于单层或多层框架的设计，通过计算框架柱平面长度系数，即可确定钢构架设计是否具有良好稳定性。需特别注意，结构设计应确保钢节点在传递弯矩时具有良好的刚度和灵活性，确保钢结构构件之间的偏心距离最小。在固定铰支座时，还应保证简单支撑梁的抗弯强度，避免梁纵轴周围的扭转问题。
4.2注重钢结构剪力设计
随着建筑工业的日益发展，建筑工程的形态学越来越复杂，建筑结构中不对称设计的案例屡见不鲜，各类异性项目对结构工程师提出了更高要求。与传统的建筑形式相比，这种新的建筑形式需要在设计稳定性方面付出更大的努力。在钢结构的具体设计过程中，为了简化工作，设计师经常将垂直构件直接标记为柱子，倾斜柱直接标记为斜杆，这种设计方式虽然对建筑的稳定性没有影响，但在进行剪力调整时受到的干扰更大。倾斜的柱子承受着垂直和水平方向的荷载，如果设计人员没有充分考虑垂直荷载，则会产生较大的剪切误差，影响建筑钢结构的整体稳定性。更复杂的是剪切力的具体设计过程，不同项目必须考虑实际施工条件，进行综合分析和调整项目的功能组件的建设条件，以满足承载力要求。
4.3防腐设计
在大气中，受阳光、风沙、雪和温度变化影响，钢结构可能会受到不同程度的腐蚀，影响其使用的强度和持续时间。为提高钢结构构件的抗腐蚀性能，最常用的方式是使用防腐蚀性涂料，或采用混凝土等包裹的方式，用以提供长期防腐保护。设计工作的进行应当从经济方面综合考虑，使维修和保养条件为人所知，并选择易于使用和经济的耐腐蚀涂层方法。设计师必须全面分析工作区域的气候条件、环境条件等因素，并制定有针对性的防腐蚀保护方案，以提高钢结构的防腐性能。在建筑行业，钢结构是一种通用结构体系的一部分，其最大优势是重量相对较轻，工业化程度相对较高，因此在建筑业中广泛使用。
4.4细部设计
钢结构的整体稳定性显然有利于正常施工和长期使用。为了实现这一目标，必须加强节点的细节设计详细的细部节点设计能有效规避项目整体缺陷，大幅度减少项目安全质量问题和潜在风险，在实际设计过程中必须予以重视。首先，设计师必须考虑整个建筑的初始需求，制定相应的设计方案。在整体结构设计过程中，设计师应综合考虑各种不同类型结构体系的优缺点，如钢筋混凝土结构具有相对较高的强度和稳定性，在整体结构设计过程中如果钢结构本身稳定性不足或强度不足时，可以考虑使用钢管混凝土组合结构体系，充分发挥两者的优势。此外，薄壁型材、圆形型材和小角度型材主要用于薄壁轻钢结构。相对大型结构体系，该类结构体系整体刚度较弱，在建筑的设计和施工中，应确保细节节点的连接符合要求，保证连接的稳定性，保证施工和应用的安全性。
4.5对钢结构稳定性进行估算
要对钢结构建筑物的整体稳定性进行分析。钢结构建筑物由多种构件焊接和栓接而成，所以，对建筑物整体结构进行稳定性分析，以便利于建筑物结构的布置和钢材的选型。然后，对钢结构建筑框架整体刚度进行计算，目前，对建筑物的刚度计算主要采取轴心压杆稳定计算法，力保建筑物整体刚度的科学性，才能保证钢结构的稳定性。
4.6对钢结构构件和节点进行科学设计
钢结构设计时应遵从“强柱弱梁、节点更强”的原则，钢结构的构件、节点的稳定性影响着钢结构的整体稳定性，所以，首先要对局部构件截面进行科学的计算，尤其是支撑柱和钢梁，充分考虑钢材的弹性和柔性，例如，对梁腹板抗剪净截面强度进行反复验证、对大跨度钢梁的变形度和承载力度进行反复计算；其次，对栓接构件的连接节点进行科学设计，不仅要选用高强度螺栓，还要科学选用扭剪类型、摩擦类型的螺栓；最后，对焊缝所需要承受的力度和所具有的强度进行科学计算，合理地设计焊缝的长度、宽度等。
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图2 常见钢结构梁柱连接节点
4.7合理选择钢材
钢材具有可塑性强、强度高、韧性好等优良的性能，同时施工相对简单、工期短、安全系数高。但是，由于钢材制作厂家整体水平参差不齐，其质量差异性较大，在建筑工程钢结构设计时，要结合建筑强度标准选择恰当的钢材。
4.8合理设置隅撑
单层钢结构工业厂房的支撑结构设计过程中，针对柱内侧翼缘和梁下翼缘稳定性不好的问题，可以合理设置隅撑，隅撑可以有效避免此种问题的发生。钢架斜梁承受的压力不固定，使得钢结构厂房的稳定性无法得到保证，隅撑的应用也可以在最大限度地确保某稳定性要求。较大的风力影响容易导致下翼缘丧失平面外的支撑力，从而使得结构的稳定性丢失，这种情况下可以将支撑设计在下翼缘位置。如果遭受到比较大的压力时，右翼缘就容易发生屈曲，若不加以重视，还有可能出现钢架倒塌的情况，所以在钢结构设计过程中应加强对斜梁下翼缘支撑结构重要性的认识。
4.9协调整体布局
工业厂房的钢结构设计要与整体的生产模式相匹配，这是保证企业正常生产的必备条件。所以设计者，要充分考虑工业厂房的实际用途，设计经济实用的钢结构工艺。所以在通常情况，设计者要根据生产需求，在满足厂房墙体厚度和高度的条件下，合理分布钢结构支架，保证整个厂区受力均衡，通常情况下，钢支架具体包括框架，索膜，塔桅，空间桁架，平行桁架，网架等多种分布形式。相关工作人员在具体进行项目设计之前，需要充分了解工业厂房生产需求，确保结构布置和生产工艺可以为对方提供一定的便利条件。在设计工艺布置图之前，建设方必须提供工艺图，确保设计师能够充分理解工艺布置和柱间支撑位置的关系，与此同时，还需要确保工业厂房结构能够最大程度满足需求，进而保障整体结构具有更高的合理性和安全性。除此之外，在具体设计过程中，还需要对钢材结构性加强重视，在选择应用钢材时，相关人员必须对其整体工业设计方案全面掌握，基于具体要求进行钢材采购，保障厂房整体性能。
结束语
随着建筑行业的不断发展，钢结构由于其诸多优点使用愈发广泛，但在实际设计过程中必须高度重视钢结构体系本身存在的缺陷，这些缺陷与建筑质量直接相关。因此，在建筑行业的发展中，设计师需加强对钢结构稳定性的关注和研究。一方面，钢结构稳定性的设计者必须加强对专业技能的研究，不断提高设计水平和能力；另一方面，应从建筑方案、建筑材料、施工质量等诸多方面做好把关，提高钢结构建筑的整体质量安全和项目落地性。
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