大型軋鋼廠房屋面系統方案分析

李濤

摘 要：軋鋼廠建筑設計是整個軋鋼廠設計中最為重要的組成部分之一，而在建筑結構設計中，屋面系統設計方案的合理與否直接關系到工程項目的經濟效益，尤其是對于大型軋鋼廠而言屋面系統的合理選擇更為重要?；诖它c，本文通過對大型鋼結構單層多跨廠房在相同的工藝條件下，柱距分別為12 m，18 m，24 m三種方案的屋面結構的單位面積耗鋼量進行分析，比較，確定出相對經濟，合理的屋面形式。

關鍵詞：鋼結構 軋鋼廠 屋面系統 經濟效益

中圖分類號：TU27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）3（b）-0085-02

目前，鋼結構廠房以其快捷，輕便、結構形式靈活的多種優勢在國內外被廣泛應用，特別是對我們鋼鐵行業更具特殊的意義。鋼鐵行業廠房因為工藝要求，往往需要大跨度、大柱距的結構形式，鋼結構能夠最大限度的滿足這種需求。設計鋼結構時，應選擇最優建筑方案。在有條件時，應盡可能考慮結構空間體系作用，當將這種體系分為單個平面結構計算時，應考慮相鄰構件的共同作用。

鋼屋蓋結構在工業廠房中得到普遍應用。按結構體系分，屋蓋可分為有檁屋蓋和無檁屋蓋。有檁屋蓋又分為簡單式和復雜式，由屋面材料、檁條、支撐、屋架（有時還有托架、天窗架及擋風板支架）等所組成，無檁屋蓋則不用檁條等屋面構件，屋面板直接放在屋架上。有檁或無檁屋蓋的選用，主要取決與屋面材料的類型。

1 統一技術條件

為了比較不同柱距對廠房單位面積用鋼量的影響，首先需對廠房規定相同的技術條件。

（1）根據工藝提出的資料，將廠房劃分為A，B，C三個區，選取A，B區進行方案比較，

A區共計五跨，為原料跨，跨度30×3+24+30 m。

B區共計兩跨，包括：主軋跨，跨度30 m及主電室跨，跨度24 m。

（2）為了簡化計算，對爐料跨，主軋跨均采用跨度為9 m的縱向矩形天窗，天窗設至溫度伸縮縫區段端部。

（3）建筑物抗震設計烈度為8度，場地土為Ⅲ類場地土。

（4）各跨吊車均按國產定型吊車樣本數據計算，鋼材均采用國內標準產品。

（5）廠房建筑面積約為13.5萬平方米。屋面板采用W-550型壓型鋼板。為簡化計算不采用保溫措施。

（6）屋面系統未考慮屋架間設有檢修懸掛吊車，由于廠房吊車為重、中級工作制，吊車兩側設有通長的鋼走道板。

2 伸縮縫的設置

由于廠房規模較大，縱，橫向尺寸較長，且平面形狀不規則，需設置橫向伸縮縫，將廠房分為幾個溫度區段，采用雙柱縫方案。廠房橫向尺寸雖然超過了規范規定的橫向溫度區段長度，但不設置縱向伸縮縫。設計時控制上柱剛度，并在做施工圖時采取措施以釋放溫度應力。

3 方案比較分析

屋蓋結構構件包括：屋架及托架、檁條、天窗架以及相應的屋蓋支撐系統。

作用在屋蓋結構上的荷載有恒載（屋面重量及結構自重）、屋面均布活荷載、雪荷載、風荷載、積灰荷載、吊車荷載及其他荷載。

（1）屋架屋架外形有三角形、梯形、人字形或其他多邊形等，外形的選擇主要取決于房屋用途、與柱剛接或鉸接，以及需要的屋面坡度。本方案為軋鋼工業廠房，屋面為壓型鋼板屋面，屋架與柱鉸接，屋面坡度I=1/20故屋架選用人字型平行弦上承式屋架。上撐式屋架主要支撐點在柱頭或托架上，連接簡單，安裝時較為穩定，施工方便，但排架的計算高度略有增加。具體設置如下。

12 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架，屋架間距同柱距。

18 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架，屋架間距同柱距。

24 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架，在24 m之間設一榀鋼托架，故屋面設置同12 m柱距。

（2）屋面檁條形式有實腹鋼檁條和撐桿式、桁架式及蜂窩梁式檁條，設計中對上述檁條作了綜合分析。壓型鋼板的檁條間距常為3～6 m，應將檁條放置于屋架節點上。

①實腹型鋼檁條。

多采用實腹槽鋼、工字鋼、耗鋼量較大，一般用于屋架間距12 m以下的廠房，其單位面積耗鋼量約為20 kg/m2。

②撐桿式檁條。

可由型鋼拼成，其構造簡單、施工方便，一般多用于小型廠房，國內大型廠房較少采用。此種檁條和不起側向支撐作用的W550壓型鋼板屋面相配，側向剛度較差，除上弦外，一般還需在下弦拐角處設置拉條，這種形式的檁條耗鋼量約為13.3 kg/m2。

③桁架式檁條。

多用于大型廠房，具有結構合理、受力明確、剛度較大等優點（一般可不設檁間拉條或撐桿），但平面桁架側向剛度差，當屋架間距較大時，常做成三角式或空間桁架。其主要缺點是構造較為復雜，施工麻煩，且屋面結構較為凌亂，影響美觀。這種形式的檁條耗鋼量約為12 kg/m2。

④蜂窩梁式檁條。

用焊接H型鋼或軋制型鋼割制拼成，國內曾多次采用，上海寶鋼的一些大型廠房也使用過，有較成熟的理論、實踐經驗。蜂窩梁式檁條屋面簡潔、美觀，構造簡單。18m柱距方案屋面檁條在靠近上翼緣處設置拉條，即可保證上翼緣穩定，在剛度最小平面內可按連續梁考慮。當然，當采用焊接H型鋼蜂窩梁時，經計算，若側向穩定、強度有保證，可不設拉條，檁條下設隅撐，隅撐與檁條結點盡量與拉條交點統一，隅撐作為連續梁支點。這樣，連續梁式檁條截面總高度可控制在300 mm以內。這種截面形式的檁條單位面積耗鋼量最低，一般約為9 kg/m2。

本工程推薦采用型鋼割制的蜂窩梁式檁條。

（3）天窗架。

天窗結構包括天窗架、天窗架上的檁條或大型屋面板、天窗架的支撐、窗檁、端壁骨架、擋風板及其支架。天窗架一般采用格構式，按其腹桿體系可分為以下幾種。

①多豎桿式：由上弦桿、支于屋架節點上的豎向壓桿以及斜腹桿組成。這種屋架制作簡單，傳遞給屋架的荷載較為分散。通常用于天窗高度和寬度不太大的情況，否則，豎向壓桿的截面較大，數量較多，不夠經濟合理。

②三支點式：由天窗架側柱和三角形桁架組成。

③三鉸拱式：由兩個三角形桁架組成，這種天窗架與屋架的連接點最少，制作簡單，運輸方便。本工程采用的就是這種天窗架，具體布置如下。

12 m柱距的天窗架、擋風板支架間距與屋架間距相同。18 m柱距天窗架間距設為6 m，其立柱下設置天窗架托架，兼作屋架垂直支撐，此時，尚需在屋架上弦中央節點處設剛性系桿。

（4）屋面支撐。

包括橫向支撐、縱向支撐、垂直支撐及水平系桿。本方案設計中除垂直支撐外，其余支撐全部設在屋架上弦平面內。屋架下弦平面外的穩定借助于屋面檁條的隅撐得以保證。溫度伸縮區間端部屋面檁條可用桁架縱梁代替，解決端頭屋架下弦平面外失穩的問題。

①縱、橫支撐。

12 m柱距屋面橫向支撐布滿溫度區間端部柱間。

18 m柱距的橫向支撐布置半個柱距的范圍，二者的縱向支撐布置范圍對于多跨廠房，靠近邊列柱時布滿兩個檁距，靠近中列柱時，不論廠房是否等高，布置在中柱兩側各占一個檁距的范圍內?？v橫向支撐與屋面檁條，天窗架托架共同組成空間桁架，以加強屋面整體剛度，且有利于安裝施工，節約鋼材。

②垂直支撐。

屋架、天窗架垂直支撐與柱間支撐對應設置在同一柱間。12 m柱距需在屋架跨度中央設置一道垂直支撐，18 m柱距由于天窗架立柱下有天窗托架，不必設置垂直支撐，只在跨度中央屋架上弦處設置剛性系桿即可。需要指出的是，由于屋架與柱平接，采用上承式結構，故屋架端部不設置垂直支撐，廠房柱間支撐需設至小柱頂部。

4 計算結果及存在問題

（1）各種柱距方案單位面積耗鋼量計算結果詳見表2，從表中可以看出12 m柱距方案的耗鋼量最少，24 m柱距的耗鋼量最多，18 m柱距的耗鋼量居中。但12 m柱距方案柱子、基礎數量多，施工麻煩，進度慢，用于大型軋鋼廠房需要多處抽柱才能滿足工藝要求，給廠房設計、施工帶來很多困難。

24 m柱距方案可以滿足工藝要求，廠房整齊、美觀，柱子、基礎數量少，施工速度快，克服了上述方案的缺點，但耗鋼量較多。

18 m柱距方案經工藝局部調整基本上可以滿足要求，其優缺點介于以上兩個方案之間。

根據上述分析，推薦采用18 m以上柱距方案。

當然，評價一個柱距方案的優劣，還要將地基條件、施工條件等等綜合考慮，本文不再贅述。需要補充說明的是，對于大型鋼結構廠房，土建模數應考慮工藝要求，要盡量使柱距統一，同跨內兩側對應的吊車梁跨度力求相同，使排架傳力明確合理，計算單元簡單，加強空間作用整體剛度，簡化設計，加強施工速度。

（2）本方案耗鋼量比較僅從土建結構角度進行計算的，未考慮工藝要求抽柱及不同天窗形式等因素，因此，單位面積耗鋼量偏低，但也基本上反映出不同柱距方案單位面積耗鋼量的差異。

（3）由于時間所限，單體構件方案未作廣泛比較。比如：屋架形式的選擇，屋架上、下弦桿的雙角鋼方案與“T”型鋼方案的比較，18 m柱距方案中天窗架也可以選為9 m間距進行比較等等。上述因素對計算結果將會產生一定的影響。

（4）廠房輕質封墻設置墻皮柱，墻皮柱與吊車梁輔助桁架聯系，承擔垂直力，其耗鋼量受柱距影響甚微。另外，用廠房面積指標衡量墻皮系統耗鋼量意義不大。從表2可以看出，兩跨廠房與五跨廠房的墻皮系統耗鋼量差異很大，帶有一定的片面性，僅供柱距方案對比時參考。

5 工業廠房國內外現狀

5.1 國外

經濟發達的美國50、60年代已大規模建設鋼結構工業廠房。它的優點是顯而易見的：施工工期短、見效快，運輸、拆遷方便，色彩隨意。但鋼結構廠房造價偏高。

適用條件：具有一定經濟實力，國家鋼產量達到一定水平。

5.2 國內

我國80～90年代，隨著鋼產量的增長，逐漸向鋼結構廠房方向發展，尤其是現代化的企業，例如寶鋼一、二、三期工程。

屋面網架結構也開始在我國大量使用，網架結構的優點是：跨度大、柱距大，抽柱隨意，制作及施工工期短，屋面天窗設計靈活，屋面結構整齊，用鋼量小。隨著網架廠的增多，網架屋面結構形式被廣泛利用，其市場價格已降至6000元/噸左右。

首鋼2160工程、邢鋼高速線材工程，宣化鋼鐵廠高速線材工程均大面積地使用了網架屋面，而航天部建設的四機庫在網架的大面積運用上更是創下了全國之最。

參考文獻

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