某造船厂屋面托架设计

徐万芹 陈利英

摘 要 本文对某30米开间造船厂的屋面托架系统设计进行了简单介绍。主要内容包括：厂房主体结构概况、屋面结构布置、屋面托架计算、托架节点设计。

关键词 大开间 屋面托架

1 工程概况

东北某造船厂分段组装车间，建筑面积约71500平方米，轴线长485.5米，轴线宽178米，最高处檐口标高42.5米，行车最大吨位300吨，最大开间30米。该车间平面布置分为A、B、C、D四个区，标高±0.000以上承重结构全部采用钢结构，柱为实腹式H型钢格构柱，吊车梁为焊接H型钢吊车梁，围护结构为轻钢压型钢板，屋面梁采用大跨度门式刚架结构体系。

下文仅以B区为例，介绍本工程的屋面托架设计。B区建筑面积约2.5万平方米，为五跨连续（2x30m+25m+2x30m），行车最大吨位为300t，开间30米，檐口标高最高为42.500m。

2 设计技术条件[2，3]

1、恒荷载标准值：0.50KN/m2（包括屋面板、屋面檩条、屋面支撑系统等）；

2、活荷载标准值：0.50KN/m2（不上人屋面）；

3、基本风压：0.65KN/m2，地面粗糙度为A类；

4、基本雪压：0.40KN/m2；

5、抗震设防烈度7度，基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为丙类，场地类别为Ⅲ类；

6、结构安全等级为二级，设计使用年限为50年。

3 B区屋面结构布置

B区刚架开间为30米，在每个开间范围内间距10m设两榀抽柱屋架，托架两侧纵向水平支撑沿托架两侧通长布置，横向水平支撑则按间距60米布置。

根据托架构件的截面形式，托架一般可以分为单壁式托架和双壁式托架两种[1]。本工程跨度、恒载、风压均比较大，为了有效抵抗扭转，选用了双壁式托架。

本工程托架采用上承式，上下弦杆均采用实腹H型钢，托架高度取跨度的1/10，為3米。为传递风荷载，减少托架挠度，增加纵向柱列刚度，托架下面设置了八字撑。此时托架除按超静定结构计算外，对吊车梁制动结构及连接尚应能承受八字撑传来的水平拉力，同时还应控制相关地基差异沉降[1]。

4 托架计算

托架计算采用中国建筑科学研究院PKPM-STS系列。

4.1 托架截面材质采用Q235B，其中上下弦采用热轧H型钢，腹杆采用热轧角钢，计算时净截面与毛界面的比值取0.85。

托架结构图如图1所示。

4.2 托架主要承受抽柱屋架传递的竖向力，及山墙风荷载的纵向力。纵向风荷载通过托架及托架下的八字撑传递到下部格构柱，因托架水平刚度较大，纵向风荷载对托架的影响很小，因此计算托架时采用简化模型，不考虑山墙风荷载的作用。抽柱屋架风荷载传递到托架的风吸力对托架而言是有利的，也暂不考虑，但计算时上下弦均按受压杆件控制长细比。

抽柱屋架按30米一跨，一端简支一端滑动计算，抽柱屋架的轴力即水平力，通过屋面纵向支撑传递到相邻刚架。根据计算查得抽柱屋架传给托架的反力为：

F恒=113KN，F活=75KN

托架位于屋面中间位置时，承受两跨屋面梁荷载，因此托架计算时恒活荷载分别按集中力226KN，150KN输入。

其中上下弦平面外计算长度取抽柱屋架的间距，按10米计算。每榀抽柱屋架下有一根墙架柱，墙架柱下端与吊车辅助桁架连接，通过吊车制动桁架（或制动板）传递水平风荷载，墙架柱上端与抽柱屋架连接，上端风荷载直接通过屋面梁传递到纵向水平支撑，在通过纵向水平支撑传递到主刚架柱上。

4.3电算结果如下：

（1）、正应力及平面内、平面外稳定应力均不超过0.55，有一定的安全储备，满足规范要求[4]。

（2）、桁架受压杆件长细比控制为120，受拉杆件长细比控制为350，经计算所有杆件长细比均未超过80，满足规范要求[3，4]。

（3）、托架挠度为26.1mm，26.1/30000=1/1150<1/400，满足规范要求[4]。

（4）、桁架采用上承式，下弦杆两端为零杆。

5 节点设计

5.1 托架上下弦杆与柱连接节点

托架上弦杆与柱连接节点需要承受水平拉力及竖向剪力，为了减小偏心荷载，托架上弦杆与刚架上段柱的连接采用了端板连接方式，直接与柱腹板连接。

这种节点设计时有三点需要注意：（1）柱顶盖板需要现场焊接，否则托架现场无法安装；（2）柱腹板需要一定厚度才能满足抗剪要求；（3）托架两端端板与柱腹板间需留2～6mm的安装间隙，安装时采用插板塞紧，插板工厂加工时开与端板对应的孔。

与上弦相比，托架下弦杆端部为零杆，不受力，节点设计不需要特别注意，只要安装时不与柱翼缘相碰，方便托架安装即可。

具体连接可参考《钢结构设计手册》（上册）（第三版）[1]图7-140。

5.2 八字撑与托架连接节点

八字撑主要传递纵向风荷载，截面通过纵向支撑体系整体计算确定。八字撑上端与托架连接，托架700宽，八字撑下端与刚架柱连接，刚架柱有1250、2000两种宽度，为了使传力合理，支撑下端不能与上端一样宽，因此八字撑需要采用变宽度设计，采用了上端槽钢过渡到下端热轧H型钢的方法。

5.3 抽柱屋架与边托架连接节点

边托架仅一侧有屋架，为了不使托架发生扭转，并达到减小弦杆平面外计算长度的作用，采用了将屋架伸入托架内部的节点做法，节点处托架的竖腹杆为分离式（见图2）。

这种节点设计时有三点需要注意：（1）当抽柱屋架仅一跨，两侧节点均采用该节点连接时，其中一侧托架上的节点位置的腹杆需要待托架安装好后在现场焊接。（2）屋架一端节点开长圆孔，使屋架下挠产生的水平力能有效释放，托架不承受水平力。（3）托架上弦与屋面梁用隅撑连接起来，作为托架上弦的平面外支撑。

5.4 抽柱屋架与中间部位托架连接节点

中间部位托架两侧均有屋架，受力对称，节点处托架的竖腹杆采用焊接H型钢短柱，托架的上下弦穿过钢短柱的腹板并焊接。钢短柱截面高度可以与托架两端的刚架柱高度一样，使中间屋架的柱头处屋架坡度统一，方便檩条及天沟的设计。抽柱屋架与钢短柱采用栓焊连接。

5.5 托架现场施工完成后效果见图7。

图3

6结语

随着工业技术的发展，工业厂房的要求越来越高，尤其是重型工业厂房，大部分车间都有抽柱的情况，本文以东北某造船厂分段组装车间为例，就托架的设计做了简单介绍，可以看出托架设计需要注意以下几点：

1.首先根据屋面荷载、跨度及刚架结构形式确定托架截面形式。

2.托架与刚架柱的连接节点应减小偏心，避免偏心荷载对刚架柱平面外产生较大的附加弯矩。

3.抽柱屋架与托架连接一般为铰接，节点处理应避免对托架产生扭转。

4.托架计算时，弦杆平面外计算长度应取有效支撑间距，节点设计要保证与计算模型一致。

5.托架挠度应满足规范要求，并使挠度尽量小，避免因托架的下挠引起屋面梁的变形。

6.抽柱屋架设计时应一端滑动一端简支，以免托架产生水平推力，避免节点处螺栓受剪破坏，。

7.托架一侧需设置纵向水平支撑，传递水平力。

8.托架节点设计要结合实际安装，避免给现场安装造成困难。

参考文献

1.《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册（上册）（第三版）.中国建筑工业出版社，2004：243-259.

2.GB 50009-2012 建筑结构荷载规范.

3.GB 50011-2010 建筑抗震设计规范.

4.GB 50017-2003 钢结构设计规范.