對工業廠房屋面輕鋼結構設計的探討

摘 要：目前，鋼結構于工業廠房中的應用日趨廣泛，鋼架的合理設計成為鋼結構設計中的重點。對于鋼屋架梁、混凝土柱的單層廠房，鋼屋架普遍采用圓鋼作為下弦桿，而鋼屋架與柱的連接分為鉸接和剛接兩種模式。通過內力分析比較可知：采用圓鋼作為下弦桿在風荷載較大，屋面坡度較緩且大量采用輕質壓型鋼板為屋蓋材料，屋架下弦桿就可能出現壓力。這時屋架應進行軸向力的分析和計算，并按最不利荷載組合所產生的最不利內力，來選擇屋架的下弦桿截面及決定構件的連接方式，不可隨便選用圓鋼作為下弦桿；且剛接比鉸接的方式受力更更能充分發揮鋼材的性能。

關鍵詞：鋼屋架；混凝土柱；風荷載

1 概述

隨著社會生產水平的提高，鋼材產量的增大及鋼構生產工藝的完善，輕鋼結構越來越多的應用于廠房、倉庫等單層建筑屋面中。而輕鋼結構屋面自重輕，強度高，節省結構材料，跨度大，塑性、韌性好，制造簡便，施工周期短，安裝方便等優點也充分體現出來。對于廠房、倉庫等單層建筑來講，屋面的工程造價占了相當一部分，因此，如何合理設計屋面鋼結構，做到安全、經濟，最大限度的節約鋼材料是輕鋼屋面設計需要注意的問題。本地地處我國南方沿海地區，受臺風影響較大，目前，本地區的輕鋼廠房較多使用混凝土柱鋼屋架的形式，而拱屋架又常選用兩根圓鋼作為拉桿， 當屋架與柱頂鉸接，且屋面材料又選用輕質壓型鋼板時，很容易產生屋面永久荷載小于負風壓（吸力）的情況，此時屋架下弦拉桿就會由拉力變為壓力。這時屋架就應進行軸向力的計 算，并按最不利荷載組合所產生的最不利內力，來選擇屋架桿件的截面及決定構件的連接方式。

首先分析拱型屋架下弦拉桿在風荷載影響下的計算與選材問題，再對于此種形式的屋架的兩種計算模式即一種是常用的鋼梁與混凝土柱鉸接的方式，另一種是鋼梁與混凝土柱剛接的方式來探討如何合理確定連接方式及計算模型，做到節約材料，較高的發揮材料的受力性能。

現以16m跨廠房為例，簡述如下：該車間工程數據如下，柱距6m，柱截面350×500，橫梁采用Ｈ型鋼梁，下弦設拉桿，屋架拱高?=1.7m，檁條采用C型鋼，水平間距1.2m，屋面選用輕質長尺壓型鋼板做防水材料，廠房兩端有山墻，現澆鋼筋混凝土基礎和柱，基礎與柱為剛接，柱頂標高為5.500m，基礎面標高為-0.500m，屋面恒載為0.3kN/m2，活載為0.3kN/m2，兩縱墻均設有條形采光與通風用百頁窗，屋面無天窗，無積灰與雪荷載，廠內無吊車，無大型機械振動設備。本地基風壓值ω0=0.6kN/m2。經計算后得荷載。

2 荷載

根據本例所給條件，屋面荷載有永久荷載、施工荷載及風荷載三種，計算時可參考有關資料進行計算。

永久荷載按屋面水平投影的標準值為：

壓型鋼板：

檁條自重：0.1kN/m2

屋架及支撐：0.2kN/m2

合計：0.38kN/m2

施工荷載水平投影標準值為：0.30kN/m2

風荷載：因本廠地處南方，臺風影響較大，故屋架計算時必須予以考慮，按結構荷載規范，風荷載標準值為：ωk=βz μs μz ω0

式中：βz——Ζ高度處風振系數，本例取βz=1

μs——風荷載體型系數，本例依前述條件，取荷載規范體型系數表項次4，

迎風面μs1=-0.9，

背風面μs2=-0.8

μz——風壓高度變化系數，根據本地海平面和地面粗糙度情況取μz=1.0

故求得垂直屋面的風荷載標準值分別為：

迎風面：ωk1=-1×0.9×1.0×0.6=-0.54kN/m2

背風面：ωk2=-1×0.8×1.0×0.6=-0.48kN/m2

3 內力計算

3.1永久荷載與施工荷載組合的內力計算

⑴ 永久荷載與施工荷載組合：q = (1.2×0.38+1.4×0.3)×6=5.256kN/m

⑵ 按整體平衡求支座反力：VA=VB=0.5ql=0.5×5.256×18=47.304kN↑

⑶ 求拉桿內力：=5.256×182/8×1.2=177.39kN

⑷ 拉桿截面選擇：

在永久荷載與施工荷載組合，不考慮風荷載的情況下，本屋架拉桿可選用2Φ25（9.28cm2）或2∠70×45×4（9.11 cm2）

3.2 永久荷載與風荷載組合時的內力計算

⑴ 荷載單獨作用時：永久荷載 q1=1.0×0.38×6=2.28kN/m

迎風面風荷載：q2=1.4×（-0.54）×6=-4.536kN/m

背風面風荷載：q3=1.4×（-0.48）×6=-4.032kN/m

⑵ 荷載組合時：迎風面：qy總1=q1+q2cosα=2.28+（-4.536）×0.9939=-2.228kN/m↑

qx總1=q2sinα=-4.536×0.1104=-0.501kN/m ←

背風面：qy總1=q1+q3cosα=2.28+（-4.032）×0.9939=-1.727kN/m↑

qx總1=q3sinα=-4.032×0.1104=-0.445kN/m ←

⑶支座反力：由Σx=0得XA=-0.056kN Σy=0得 YA=-18.92kN↓

3.3 拉桿內力計算：取屋脊C左邊為隔離體

所以

計算結果為負值，表明該屋架在永久荷載與風荷載共同作用下，下弦拉桿受壓，此時，拉桿應按壓桿的穩定來計算和選擇材料。

4 下弦桿截面選擇

⑴平面內下弦桿的穩定性強度：為保證桿件在風荷載作用時能有一定的支撐作用，故考慮在沿下弦桿的長度方向設置吊桿四根（見圖6），故下弦桿的計算長度可為l01=l/5=3.6m，考慮選用2∠75×5作為下弦桿，A=1482mm2，ix=23.2mm，iy=32.9mm

平面內下弦桿的穩定性：λx=l01/ix=3600/23.2=155.2查b類截面穩定系數：φ1=0.291

此時下弦桿的平面內穩定性強度：N/φ1A=66.649×103/0.291×1482=154.54N/mm2<?=215N/mm2 滿足要求。

⑵平面外：考慮廠房端跨及中間跨設置有垂直與水平支撐和系桿，中間其余各跨，沿廠房通長均設有水平系桿，故平面外的下弦桿計算長度l02，按半跨屋架與上述設有吊桿時的計算長度的近似長度平均值選用，即：l02=(l/2+l/5)/2=(18000/2+18000/5)/2≈6000mm 故λy= l02/iy=6000/32.9=182.4

同樣，查表得φ2=0.219 N/φ2A=66.649×103/0.219×1482=205.35N/mm2<?=215N/mm2滿足要求

5 節點分析

鋼梁與混凝土柱如何連接才能使該連接盡量接近純剛接，且施工方便，是設計的重點，本人根據有關設計資料及工程經驗對鋼梁與混凝土柱剛接作如圖7設計。從圖中看出，首先將錨栓固定在鋼板上，再預埋在混凝土柱頂上，然后與鋼梁的支座鋼板用錨栓連接，為了加強其連接的剛性，將預埋鋼板與鋼梁的支座鋼板焊接。

由于普通錨栓抗拉承載力較低，故采用10.9級高強度錨栓，其理想抗拉承載力設計值為Nt =0.8P。由于鋼構件接頭需考慮附加偏心及溫度作用影響，連接材料強度需乘折減系數。而這里雖然是鋼梁與混凝土柱連接，但其連接材料包括錨栓及連接板等均為鋼材，故參考鋼梁與鋼柱“采用栓-焊并用連接”時情況，取錨栓強度折減系數為0.9，因此錨栓實際抗拉承載力設計值為Nt =0.9×0.8P。

取錨栓直徑為M22，其預拉力設計值為P =190kN，抗拉承載力設計值為：

Nt =0.9×0.8P =0.9×0.8×190=136.8 kN＞118.4kN，滿足要求。

至于連接處的剪力，不考慮用錨栓來承受，而用兩側的角焊縫來承受，計算如下：

剪力V=38.1kN，焊縫厚度hf =10mm，焊縫長度lw =600mm≤60hf=600mm，則

τ=V/(he·lw)=38.1×103/(0.7×10×600)=9.07N／mm2＜0.7ffw=0.7×160=112N/mm2，滿足要求。

另外，鋼梁在荷載作用下對柱頂產生的豎向力相對于柱形心存在偏心距，故在計算柱配筋時應考慮此偏心彎距，本文就不作詳述了。

對于鋼梁跨中連接驗算，由于跨中彎距是假設兩端支座是剛接的情況下計算出來的，實際上由于技術上的原因，梁端支座是達不到完全剛接的，因此計算得出的跨中彎距較實際偏小。為了取得符合實際的跨中彎距，參考鋼筋混凝土框架梁支座彎距調幅的方法，對鋼梁計算彎矩進行調整。由于支座節點處理除采用高強度錨栓連接外，還對連接板進行焊接，其連結的剛性已較大，但出于安全考慮，調整時剛接系數不能取得太大，因此，根據以往的工程經驗，取支座剛接系數為0.7，則

支座彎距為：M支 =169.1×0.7=118.37kN·m

跨中彎距為：M中 =52.3+169.1×0.3=103.03kN·m

為了安全起見，驗算支座時仍采用剛接彎距，即M支 =169.1kN.m，驗算跨中時采用調幅后的彎距，即M中 =103.03kN.m，并且跨中接頭采用局部加大截面的辦法來保證其安全性。跨中接頭經過計算后設計如圖9所示。

當按鋼梁與混凝土柱鉸接設計時，鋼梁與混凝土接頭位置按構造每支座設置4M24普通螺栓。而跨中接頭，經過局部加強、計算后設計如圖7所示。

總結上述兩種計算模式的設計，當鋼梁與混凝土柱鉸接時，鋼梁彎距為由支座到跨中逐漸增大，故鋼梁采用變化范圍較大的變截面Ｈ型鋼，支座位置采用4M24普通螺栓固定，跨中采用加大截面的加強措施，連接采用8.8級高強度螺栓，數量較多。

而當鋼梁與混凝土柱剛接時，由于鋼梁支座及跨中彎距均較大，故鋼梁截面可采用等截面的Ｈ型鋼或變化范圍較小的變截面Ｈ型鋼，在支座驗算時采用剛接時的計算彎距，固接材料采用10.9級高強度錨栓，為了增強支座的剛接性能，可將鋼梁的支座鋼板與混凝土柱的預埋鋼板周邊焊接；跨中亦采用加大截面的加強措施，驗算時采用支座調幅后的跨中增大彎距，連接材料采用8.8級高強度螺栓，但數量較鉸接設計時少。

6 結論

綜上所述，在設計單層廠房屋架時，特別是遇到風荷載較大、屋面坡度較緩、屋蓋采用輕質壓型鋼板的情況，應按實際情況取值進行軸向力的分析和計算，并按最不利荷載組合所產生的最不利內力來選擇屋架下弦桿的截面及決定構件的連接方式，不能隨便選用圓鋼作為下弦桿。而鋼屋架與混凝土柱剛接設計無論從受力、變形還是從節約材料方面都較鉸接設計時好，但由于目前對于剛接設計理論及方法還是不很完善，很多系數也沒有統一標準，如剛性連接節點的強度折減系數，鋼梁跨中彎矩的調整系數等都是根據以往經驗及參考類似工程的標準確定，因此希望能使更多技術人員對這種形式進行研究，創造出更加完美的設計。

參考文獻：

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