工業(yè)廠房桁架式檁條的設(shè)計

陽青 楊春

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

1 概述

工業(yè)廠房的屋面系統(tǒng)的傳統(tǒng)做法是屋面梁+實腹式檁條的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式簡單、傳力明確且施工方便。但我們在鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計中，經(jīng)常出現(xiàn)因為甲方要求大空間布局而采用大柱距布置，或者是工藝設(shè)備布置要求局部抽柱的情況。此時，常規(guī)的考慮是增加托架來支撐屋面梁，減小檁條跨度以便設(shè)置實腹式檁條，這種做法缺點就是耗鋼量較大而且施工安裝較麻煩。為了節(jié)約工程投資，提高施工效率，因此采用新型的結(jié)構(gòu)形式來取代這種常規(guī)的托架做法，成為當今大柱距鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計的一種趨勢。

桁架式檁條是近年來新出現(xiàn)的用于大跨度屋面系統(tǒng)的空腹式結(jié)構(gòu)形式，其主要應用是在民用的大型超市、倉儲中心、物流中心等大空間建筑物上，在工業(yè)廠房領(lǐng)域應用較少。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是經(jīng)濟高效，施工安裝方便，有益于廠房整體結(jié)構(gòu)剛度的均勻完整。

桁架式檁條分為平面桁架式和空間桁架式兩種。

1)平面桁架式又分為兩類:一類由角鋼和圓鋼組成;一類由冷彎薄壁型鋼組成。由角鋼和圓鋼組成的檁條構(gòu)造簡單，受力明確，但側(cè)向剛度較差，需要與屋面材料、支撐等組成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。適用于屋面荷載或檁距較小的屋面。由冷彎薄壁型鋼組成的檁條平面內(nèi)外剛度均較大，適用于大檁距屋面，見圖1。

圖1 平面桁架式檁條

2)空間桁架式檁條:檁條橫截面呈三角形，由3片平面桁架組成一個完整的空間桁架體系。它的特點是結(jié)構(gòu)合理，受力明確，整體剛度大，不需要設(shè)置拉條，安裝方便。但制作費工，用鋼量較大。適用于跨度、荷載及檁距均較大的情況，見圖2。

桁架式檁條的截面高度一般為跨度的1/12～1/20，檁距根據(jù)屋面板的板型及承載最大跨度確定。

2 工程實例

2.1 工程概況

紅鋼新建小型熱軋車間工程，該工程位于云南省紅河州蒙自市紅河鋼廠，為EPC總承包項目。主廠房建筑面積27568 m2，鋼結(jié)構(gòu)廠房。廠房主體結(jié)構(gòu)為鋼排架，主跨一共2跨，局部附加一毗跨形成3跨，跨度為30 m，27 m及18 m。柱子系統(tǒng)為鋼管混凝土格構(gòu)柱，基本柱距15 m，另外在設(shè)備需要大開間布置的區(qū)域，局部抽柱形成18 m及24 m的大柱距。柱頂檐口標高為22 m左右。廠房內(nèi)各跨均布有吊車，起重量32 t～25 t，A6和A5工作制，鋼吊車梁系統(tǒng)。屋面系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)為鋼屋架，次結(jié)構(gòu)為桁架式檁條。墻面系統(tǒng)為墻皮柱+冷彎薄壁C型鋼檁條布置。當?shù)鼗撅L壓0.3 kPa，基本雪壓為 0。

圖2 空間桁架式檁條

2.2 結(jié)構(gòu)計算及方案對比

此項目因土建投資預算較低，因此控制廠房鋼結(jié)構(gòu)含鋼量，降低造價成為重中之重。根據(jù)建筑彩板板型要求，檁條檁距為3 m，檁條荷載計算取值如下:

恒載:屋面彩鋼板 0.12 kN/m2，屋面支撐 0.08 kN/m2，合計0.20 kN/m2。

活載:不上人屋面 0.5 kN/m2，灰荷載 0.2 kN/m2，吊掛荷載0.2 kN/m2，合計 0.9 kN/m2。

風載:計算風壓為 －0.18 kN/m2。

因風壓較小且為負值，其作用效應對結(jié)構(gòu)有利，所以不考慮風荷載的組合。再因活載值大于恒載值，活載起控制作用，所以計算工況取1.2×恒載+1.4×活載的組合。上弦桿長細比按150控制，下弦桿長細比按300控制，計算軟件用PKPM2010的鋼結(jié)構(gòu)桁架模塊計算。

根據(jù)計算結(jié)果，以15 m跨度為例，實腹式檁條每平方米計算含鋼量大約為13 kg/m2，而桁架式檁條只有8 kg/m2，桁架式檁條比實腹式節(jié)約30%以上的鋼材。而且檁條自重的減小，也會使屋架計算時檁條部分的恒載減小，屋架自重比用實腹式檁條時減少10%左右。

綜合對比發(fā)現(xiàn)，采用桁架式檁條，整個屋面系統(tǒng)含鋼量比采用實腹式檁條減少約35%，優(yōu)化效果明顯。

本工程桁架檁條高度取1.3 m，初始方案為上弦采用焊接H型鋼，下弦采用焊接T型鋼，腹桿采用單角鋼。上弦桿上作用荷載為屋面彩板傳來的均布荷載，節(jié)點處有負彎矩，節(jié)間跨中為正彎矩，所以上弦桿為一壓彎構(gòu)件。考慮到這一點，上弦桿最開始先采用H型截面，因為H型對稱截面正負彎矩作用處的抵抗矩相同，比T型截面容易利用桿件強度，節(jié)省鋼材。下弦桿采用焊接T型鋼是因為腹桿與下弦桿焊接時可以直接焊在T型鋼腹板上，可以節(jié)約節(jié)點板的重量。然而最終方案是上弦桿和下弦桿均采用雙角鋼T型組合，原因是桁架檁條上下弦截面太小太薄，市面上沒有成品軋制構(gòu)件，只能焊接加工。而焊接加工時構(gòu)件變形嚴重，導致制作廢品率偏高，只能采用成品角鋼制作。上弦桿采用雙角鋼T型組合比采用H型鋼耗鋼量要大10%，但施工制作方便，節(jié)省加工費用。

2.3 檁條連接節(jié)點構(gòu)造

1)檁條與屋架的連接:為了施工的方便，檁條一般與屋架上弦桿采用搭接構(gòu)造。檁條上弦桿端部設(shè)置T型板支座搭在屋架上弦，支座底板與屋架上弦桿翼緣焊接，見圖3。檁條下弦桿與屋架豎向腹桿平接，見圖4。

圖3 支座底板與屋架上弦桿翼緣焊接示意圖

圖4 檁條下弦桿與屋架豎向腹桿平接示意圖

2)檁條與支撐的連接:檁條的支撐系統(tǒng)與屋架的支撐系統(tǒng)是一樣的，為了保證檁條上下弦桿的穩(wěn)定，桁架上下弦桿平面內(nèi)必須設(shè)置檁間直拉條。檁條上弦桿為壓桿，計算長度為兩個相鄰節(jié)點間的節(jié)間長度，所以上弦桿每個節(jié)點處平面外均設(shè)置支撐桿。支撐桿采用張緊的圓鋼或單角鋼。上弦平面在屋脊和檐口處還應設(shè)置斜支撐，將風傳來的水平荷載傳遞至屋架上，斜支撐通過節(jié)點板與檁條上弦角鋼直接焊接。檁條下弦桿為拉桿，平面外計算長度按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的最大容許長細比來控制，因此拉條的設(shè)置位置可以不需要按照上弦桿那樣每個節(jié)點都設(shè)，僅需要按照容許長細比控制的平面外長度來設(shè)置即可。此外，在屋脊和檐口處，第一、第二根檁條之間，上下弦桿均有直拉條的位置應設(shè)置垂直支撐，以構(gòu)成封閉的支撐系統(tǒng)。同時，在屋面橫向氣樓兩側(cè)支座下方，也需增加檁間垂直支撐。斜支撐采用∠50×5的單角鋼，直支撐采用∠70×6的單角鋼，拉條采用φ14的圓鋼。支撐系統(tǒng)設(shè)置及連接節(jié)點見圖5。

圖5 檁條及支撐布置圖

圖6 檁條連接節(jié)點構(gòu)造

3)檁條兼作屋架平面外支撐時的連接:為了保證屋架平面外的穩(wěn)定，減少屋架弦桿平面外的計算長度，一般屋架上下弦都會設(shè)置垂直支撐和剛性系桿來保證穩(wěn)定。桁架式檁條上弦桿與屋架上弦桿搭接焊接，正好成為屋架上弦的剛性系桿。檁條的下弦桿與屋架腹桿平接，可在檁條下弦第一節(jié)間的節(jié)點處增加一根隅撐與屋架下弦焊接。構(gòu)造詳見圖6。

2.4 桁架式檁條的優(yōu)缺點

2.4.1 桁架式檁條的優(yōu)點

1)經(jīng)濟性好，相比于同跨度的實腹式檁條，耗鋼量能節(jié)省30%左右。2)自身剛度好，承載力高，在結(jié)構(gòu)體系中能身兼數(shù)職。既能當屋面梁的平面外剛性系桿，又能兼作屋架的縱向垂直支撐，使整個屋面體系簡潔明快。普通屋面梁平面外剛性系桿均為圓鋼管，但柱距超過12 m后，圓管由于長細比增大而出現(xiàn)在自重作用下下?lián)献冃危M而承載力降低。假如為抵抗變形而增大圓管截面的話，又非常不經(jīng)濟，此時，采用桁架檁條可以解決這方面的問題。對屋架縱向垂直支撐來說，桁架檁條正好可以兼作此構(gòu)件。只要將檁條下弦桿附加一根隅撐與屋架下弦連接，就可以達到垂直支撐保證屋架下弦桿平面外穩(wěn)定的效果。

2.4.2 桁架式檁條的缺點

1)構(gòu)件平面外剛度較差，需要較多支撐構(gòu)件保證其穩(wěn)定，增加了施工安裝的工作量。2)構(gòu)件較柔，堆放、運輸和吊裝時要注意保護，否則容易產(chǎn)生較大變形而影響安裝和使用。3)構(gòu)件截面高度較高，在有凈空要求的廠房內(nèi)會被動要求提高整個廠房的高度，造成柱子系統(tǒng)及墻皮系統(tǒng)的材料量增加。

3 結(jié)語

桁架式檁條作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，已經(jīng)廣泛應用于各種類型的大跨度建筑。對于大柱距的工業(yè)廠房，通過合理的結(jié)構(gòu)布置，充分利用桁架式檁條的優(yōu)點來簡化結(jié)構(gòu)體系，達到經(jīng)濟高效的目的，已經(jīng)逐漸成為工業(yè)廠房設(shè)計的主流趨勢。

［1］汪一駿，顧泰昌，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊編輯委員會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊(上冊)［M］.第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］唐 潮，唐華英.桁架式檁條在鋼結(jié)構(gòu)廠房中的應用［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2009，24(7):35-36.