门式刚架轻钢结构在化工厂房中的设计与应用

周博文

湖北省缘达化工工程有限公司 湖北 武汉 430073

摘要：单层门式刚架轻钢结构具有工业标准化的特点，建设工作效率高而且施工成本低，能推进绿色低碳发展，在厂房和库房领域有着广泛的应用。化工行业的不少建筑处于有害介质中环境，设计时必须考虑耐久性，同时对于建筑防火有着更高的要求。本文对单层门式刚架轻钢结构在化学工业厂房设计与施工的应用进行探析。

关键词：单层门式刚架；化工厂房；防腐蚀；防火。

1 概述

门式刚架轻钢结构采用工业化装配式建造，快速便捷。轻钢结构的材料本身结构的重量小，并且有着良好的稳定性以及均匀性。随着钢铁产量增加，建筑钢材市场的各种钢材从品种和性能等各个方面上都得到很大的提高。尽管钢结构厂房降低了施工成本，并在原有的基础上缩短了施工周期，但它也有很多缺点，例如易锈蚀、防火性能差等。

大量调查显示，化工工业厂房中门刚结构及其混凝土基础容易受所处特殊环境影响，导致构件腐蚀、开裂变形甚至破坏。其中常见的劣化因素有：钢材锈蚀作用，水溶蚀作用，盐类侵蚀作用，碱集料反应，、酸碱、气态物质腐蚀，高温作用等。如何预防和抵抗这些破坏力，是解决门式刚架结构耐久性设计的关键。

2 门式刚架轻钢结构工业厂房设计

2.1 门式钢架结构体系布置及设计

门式轻钢，多用于生产车间、仓库、厂房钢结构。图一为常见的厂房效果图。设计时，首先规按确定适用范围，不能一概而论所有门式钢结构就都是轻钢。一些大吨位吊车，格构柱等的门式结构为重（普）钢结构，需按《钢结构设计标准》来采用。

图一 常见的厂房效果图

门式轻钢厂房结构体系的构成：主结构、次结构、围护结构、其他附属结构。横向主钢架是结构中最主要的部分，也是主受力部分，在门刚中为平面结构，面外稳定需要依靠其他系统来辅助达成，在设计时，要充分考虑到钢架的面外稳定问题。刚架主要包括实腹钢梁、 钢柱，在轻钢中多用楔形載面，有效利用构件截面特性。支撑系统在整个结构体系中的用钢量并不大,但却是非常重要。对比主钢架来说，虽然其重要程度不如主钢架，但是支撑系统承担着整个结构纵向传力及整体稳定的重要作用。因现在的设计均为计算机辅助设计，主钢架可以利用设计软件准确的计算，但支撑系统的布置，截面选择等却需要有一定的人为因素参与，所以支撑显得更为重要。所以在选型前期，就该有整个体系的稳定概念，这样才能从大方向上把握住整个结构的安全性和选型的合理性。

门式刚架轻钢结构在化工厂房中的设计与应用中，应特别注意保持一定结构冗余度。钢材板厚和焊缝厚度也应有一定的基本保证。常规设计中，设计强度、挠度、变形指标都卡得比较紧，这样对于长期处在腐蚀环境中的工业厂房是非常不利的。

2.2 防腐蚀设计和防火设计

钢结构防火措施与构件的受力形式和应力比有关，且热膨胀效应参与设计值组合，所以钢结构防火设计很难与结构设计分开。防腐蚀设计与受力状态无关，只与环境条件、防腐蚀水准、防腐材料性能有关。防腐蚀设计不当，不会在短期内影响结构安全，但经常在工程验收和造价方面引起争议。

环境的腐蚀性是钢结构腐蚀的主因，首先要确定环境的腐蚀性分类。对于化工轻钢厂房来说，水中和土中的钢结构一般均有混凝土包裹（型钢混凝土），属于混凝土的防腐蚀，按《工业建筑防腐蚀设计规范》GB50046执行。工业废气的腐蚀性取决于有害气体的浓度和工艺条件，建议进行专项设计。其次，确定防腐蚀涂层的使用年限。要综合考虑构件的重要性、长效和短效防腐蚀措施的综合经济性、维护的便捷性、大众的维护检修意识。从目前的实际情况来看，不少化工项目业主认为建成以后就完事了，检修意识淡泊，使用过程中的检修维护是跟不上的。再者，结构设计时钢结构表面初始锈蚀等级应从严要求。主要承重构件和薄壁构件（厚度不大于6mm）的初始锈蚀等级不应低于B级，其它构件不应低于C级。新建工程重要构件的除锈等级不应低于Sa2.5。承重结构一般不应采用手工除锈。最后，确定防腐蚀涂料品种和漆膜厚度。现用于钢结构的防腐蚀涂层可分为普通防腐蚀涂料类涂层和喷镀金属涂层上加防腐涂料的复合涂层。钢结构防腐蚀涂料品种和漆膜厚度是根据腐蚀环境分类和涂层使用寿命确定的。

根据《工业建筑防腐蚀设计标准》GB50046-2018，腐蚀性等级为强腐蚀时，重要受力构件不应采用格构柱，也不应采用冷弯薄壁型钢。《工业防腐标准》对钢构件截面形式、厚度有对应规定。同时对钢结构连接处和节点防腐蚀做了对应要求。譬如，要求连接处的缝隙，应嵌刮耐腐蚀密封膏。

钢构件防火材料及防火涂料做法根据构件耐火极限要求选用，其燃烧性能、耐火极限及构造详见建施图。防火涂料的性能、涂层厚度及质量要求应符合现行国家标准《钢结构防火涂料》（GB14907）和钢结构防护涂装通用技术条件》GB/T28699。

3 门式刚架轻钢结构工业厂房施工控制要点

厂房施工之前，施工人员应对该厂房的情况进行全面详细分析，详细了解工业厂房设计方案，针对吊装、安装工艺等重点环节做好详细的施工组织设计。

2.1 门式刚架吊装

钢结构吊装是门式钢架工业厂房施工的重要组成部分，开始施工前，操作人员应当结合实际情况针对基础及场坪进行优化调整，确保施工吊装范围的安全、规范。在吊装的过程中，相关工作人员应对基础轴线、定位轴线以及钢柱标高展开检查验收工作，并且要对钢柱的螺孔位置、中心线以及外形尺寸进行详细复核并标识出来。应充分结合安装现场的条件对吊装液压汽车起重机设备进行合理选择，并要基于具体的位置和方向要求，确保钢架的合理起吊。

钢结构厂房安装，现今实际操作的安装顺序和理论上合理的吊装顺序是一定区别的。门式刚架属于平面框架结构，其面外刚度较差，只有在支撑、系杆及標条隅撑到位的情况下，其空间稳定才能得到保证。。不少现场更多的考虑吊装机械的有效利用，却不是特别在意安装过程中结构的空间稳定性，因此安装过程中钢架倒塌的工程事故时有发生。在吊装过程中，应从有支撑开间做起，第一榀主要依靠揽风绳和固定撑固定。在第二榀完成后，应马上调整刚架达到要求（垂直度、水平度、标高 等）并用采取措施固定，用双螺母螺栓调平扭紧，之后上系杆和支撑构件，并架设一些檩条和隅撑结构，使其成为一组空间稳定单元，之后以此空间稳定单元为基础，依次吊装其他各榀，并及时连接各相连构件（系杆、標条、隅撑）。要注意的是，在校正的时候需要综合考虑温度和风力等因素产生的影响。

2.2 防腐蚀涂层与防火涂层施工

钢构防腐蚀涂装施工前应制定严格的安全劳保操作规程和环境卫生措施，确保安全、文明施工。参加涂装作业的操作和管理人员，应持证上岗。施工前必须进行安全技术培训。施工人员必须穿戴防护用品，并按规定佩戴防毒用品。需要特别注意的地方，《防腐规程》4.3.8中要求：对于露天环境或中等腐蚀环境，摩擦面宜涂无机富锌底漆或锌加底漆，涂层厚度不应小于70um。露天环境和中等腐蚀环境下的高强螺栓摩擦面的涂装宜在工厂进行涂装。同时做好防潮防锈防沾染脏物等措施,保护接触摩擦面。

防腐蚀涂层与防火涂层的施工顺序，各种说法不尽相同，是一个很让人困惑的问题，现参照《工业建筑涂装设计规范GB/T51082-2015：

1.   采用膨胀型防火涂层体系时，施工顺序为：（1）   防腐蚀底涂层；（2）   防腐蚀中间涂层；（3）   防火涂层；（4）   防腐蚀面涂层。当膨胀型防火涂料在弱、微腐蚀环境下时，如防火涂层能够满足耐久性要求，可不设面涂层。

2.   采用非膨胀型防火涂层体系时，施工顺序为：（1）   防腐蚀底涂层；（2）   防腐蚀中间涂层；（3）   防火涂层。

3 结论

门式刚架轻钢结构的科学设计和有效施工可以提高工程质量，并且对于其经济成本的控制以及应用效率的提升有着积极的作用。同时，化学工业门式轻钢厂房应特别注意钢构的腐蚀设计和防火设计，相关专业人员应强化对设计应用和施工技术各个环节的把控。钢结构应按设计规定的用途使用，并应定期检查结构状况和防腐蚀状况，及时进行维护和维修。

参考文献

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