工业厂房桁架式檩条的设计

2012-04-12阳青杨春

山西建筑 2012年19期

阳青杨春

(中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉 430223)

1 概述

工业厂房的屋面系统的传统做法是屋面梁+实腹式檩条的结构形式，这种结构形式简单、传力明确且施工方便。但我们在钢结构厂房设计中，经常出现因为甲方要求大空间布局而采用大柱距布置，或者是工艺设备布置要求局部抽柱的情况。此时，常规的考虑是增加托架来支撑屋面梁，减小檩条跨度以便设置实腹式檩条，这种做法缺点就是耗钢量较大而且施工安装较麻烦。为了节约工程投资，提高施工效率，因此采用新型的结构形式来取代这种常规的托架做法，成为当今大柱距钢结构厂房设计的一种趋势。

桁架式檩条是近年来新出现的用于大跨度屋面系统的空腹式结构形式，其主要应用是在民用的大型超市、仓储中心、物流中心等大空间建筑物上，在工业厂房领域应用较少。这种结构形式的优点是经济高效，施工安装方便，有益于厂房整体结构刚度的均匀完整。

桁架式檩条分为平面桁架式和空间桁架式两种。

1)平面桁架式又分为两类:一类由角钢和圆钢组成;一类由冷弯薄壁型钢组成。由角钢和圆钢组成的檩条构造简单，受力明确，但侧向刚度较差，需要与屋面材料、支撑等组成稳定的空间结构。适用于屋面荷载或檩距较小的屋面。由冷弯薄壁型钢组成的檩条平面内外刚度均较大，适用于大檩距屋面，见图1。

图1 平面桁架式檩条

2)空间桁架式檩条:檩条横截面呈三角形，由3片平面桁架组成一个完整的空间桁架体系。它的特点是结构合理，受力明确，整体刚度大，不需要设置拉条，安装方便。但制作费工，用钢量较大。适用于跨度、荷载及檩距均较大的情况，见图2。

桁架式檩条的截面高度一般为跨度的1/12～1/20，檩距根据屋面板的板型及承载最大跨度确定。

2 工程实例

2.1 工程概况

红钢新建小型热轧车间工程，该工程位于云南省红河州蒙自市红河钢厂，为EPC总承包项目。主厂房建筑面积27568 m2，钢结构厂房。厂房主体结构为钢排架，主跨一共2跨，局部附加一毗跨形成3跨，跨度为30 m，27 m及18 m。柱子系统为钢管混凝土格构柱，基本柱距15 m，另外在设备需要大开间布置的区域，局部抽柱形成18 m及24 m的大柱距。柱顶檐口标高为22 m左右。厂房内各跨均布有吊车，起重量32 t～25 t，A6和A5工作制，钢吊车梁系统。屋面系统主结构为钢屋架，次结构为桁架式檩条。墙面系统为墙皮柱+冷弯薄壁C型钢檩条布置。当地基本风压0.3 kPa，基本雪压为 0。

图2 空间桁架式檩条

2.2 结构计算及方案对比

此项目因土建投资预算较低，因此控制厂房钢结构含钢量，降低造价成为重中之重。根据建筑彩板板型要求，檩条檩距为3 m，檩条荷载计算取值如下:

恒载:屋面彩钢板 0.12 kN/m2，屋面支撑 0.08 kN/m2，合计0.20 kN/m2。

活载:不上人屋面 0.5 kN/m2，灰荷载 0.2 kN/m2，吊挂荷载0.2 kN/m2，合计 0.9 kN/m2。

风载:计算风压为－0.18 kN/m2。

因风压较小且为负值，其作用效应对结构有利，所以不考虑风荷载的组合。再因活载值大于恒载值，活载起控制作用，所以计算工况取1.2×恒载+1.4×活载的组合。上弦杆长细比按150控制，下弦杆长细比按300控制，计算软件用PKPM2010的钢结构桁架模块计算。

根据计算结果，以15 m跨度为例，实腹式檩条每平方米计算含钢量大约为13 kg/m2，而桁架式檩条只有8 kg/m2，桁架式檩条比实腹式节约30%以上的钢材。而且檩条自重的减小，也会使屋架计算时檩条部分的恒载减小，屋架自重比用实腹式檩条时减少10%左右。

综合对比发现，采用桁架式檩条，整个屋面系统含钢量比采用实腹式檩条减少约35%，优化效果明显。

本工程桁架檩条高度取1.3 m，初始方案为上弦采用焊接H型钢，下弦采用焊接T型钢，腹杆采用单角钢。上弦杆上作用荷载为屋面彩板传来的均布荷载，节点处有负弯矩，节间跨中为正弯矩，所以上弦杆为一压弯构件。考虑到这一点，上弦杆最开始先采用H型截面，因为H型对称截面正负弯矩作用处的抵抗矩相同，比T型截面容易利用杆件强度，节省钢材。下弦杆采用焊接T型钢是因为腹杆与下弦杆焊接时可以直接焊在T型钢腹板上，可以节约节点板的重量。然而最终方案是上弦杆和下弦杆均采用双角钢T型组合，原因是桁架檩条上下弦截面太小太薄，市面上没有成品轧制构件，只能焊接加工。而焊接加工时构件变形严重，导致制作废品率偏高，只能采用成品角钢制作。上弦杆采用双角钢T型组合比采用H型钢耗钢量要大10%，但施工制作方便，节省加工费用。

2.3 檩条连接节点构造

1)檩条与屋架的连接:为了施工的方便，檩条一般与屋架上弦杆采用搭接构造。檩条上弦杆端部设置T型板支座搭在屋架上弦，支座底板与屋架上弦杆翼缘焊接，见图3。檩条下弦杆与屋架竖向腹杆平接，见图4。

图3 支座底板与屋架上弦杆翼缘焊接示意图

图4 檩条下弦杆与屋架竖向腹杆平接示意图

2)檩条与支撑的连接:檩条的支撑系统与屋架的支撑系统是一样的，为了保证檩条上下弦杆的稳定，桁架上下弦杆平面内必须设置檩间直拉条。檩条上弦杆为压杆，计算长度为两个相邻节点间的节间长度，所以上弦杆每个节点处平面外均设置支撑杆。支撑杆采用张紧的圆钢或单角钢。上弦平面在屋脊和檐口处还应设置斜支撑，将风传来的水平荷载传递至屋架上，斜支撑通过节点板与檩条上弦角钢直接焊接。檩条下弦杆为拉杆，平面外计算长度按钢结构规范中的最大容许长细比来控制，因此拉条的设置位置可以不需要按照上弦杆那样每个节点都设，仅需要按照容许长细比控制的平面外长度来设置即可。此外，在屋脊和檐口处，第一、第二根檩条之间，上下弦杆均有直拉条的位置应设置垂直支撑，以构成封闭的支撑系统。同时，在屋面横向气楼两侧支座下方，也需增加檩间垂直支撑。斜支撑采用∠50×5的单角钢，直支撑采用∠70×6的单角钢，拉条采用φ14的圆钢。支撑系统设置及连接节点见图5。

图5 檩条及支撑布置图

图6 檩条连接节点构造

3)檩条兼作屋架平面外支撑时的连接:为了保证屋架平面外的稳定，减少屋架弦杆平面外的计算长度，一般屋架上下弦都会设置垂直支撑和刚性系杆来保证稳定。桁架式檩条上弦杆与屋架上弦杆搭接焊接，正好成为屋架上弦的刚性系杆。檩条的下弦杆与屋架腹杆平接，可在檩条下弦第一节间的节点处增加一根隅撑与屋架下弦焊接。构造详见图6。

2.4 桁架式檩条的优缺点

2.4.1 桁架式檩条的优点

1)经济性好，相比于同跨度的实腹式檩条，耗钢量能节省30%左右。2)自身刚度好，承载力高，在结构体系中能身兼数职。既能当屋面梁的平面外刚性系杆，又能兼作屋架的纵向垂直支撑，使整个屋面体系简洁明快。普通屋面梁平面外刚性系杆均为圆钢管，但柱距超过12 m后，圆管由于长细比增大而出现在自重作用下下挠变形，进而承载力降低。假如为抵抗变形而增大圆管截面的话，又非常不经济，此时，采用桁架檩条可以解决这方面的问题。对屋架纵向垂直支撑来说，桁架檩条正好可以兼作此构件。只要将檩条下弦杆附加一根隅撑与屋架下弦连接，就可以达到垂直支撑保证屋架下弦杆平面外稳定的效果。

2.4.2 桁架式檩条的缺点

1)构件平面外刚度较差，需要较多支撑构件保证其稳定，增加了施工安装的工作量。2)构件较柔，堆放、运输和吊装时要注意保护，否则容易产生较大变形而影响安装和使用。3)构件截面高度较高，在有净空要求的厂房内会被动要求提高整个厂房的高度，造成柱子系统及墙皮系统的材料量增加。