某造船廠屋面托架設計

徐萬芹 陳利英

摘 要 本文對某30米開間造船廠的屋面托架系統設計進行了簡單介紹。主要內容包括：廠房主體結構概況、屋面結構布置、屋面托架計算、托架節點設計。

關鍵詞 大開間 屋面托架

1 工程概況

東北某造船廠分段組裝車間，建筑面積約71500平方米，軸線長485.5米，軸線寬178米，最高處檐口標高42.5米，行車最大噸位300噸，最大開間30米。該車間平面布置分為A、B、C、D四個區，標高±0.000以上承重結構全部采用鋼結構，柱為實腹式H型鋼格構柱，吊車梁為焊接H型鋼吊車梁，圍護結構為輕鋼壓型鋼板，屋面梁采用大跨度門式剛架結構體系。

下文僅以B區為例，介紹本工程的屋面托架設計。B區建筑面積約2.5萬平方米，為五跨連續（2x30m+25m+2x30m），行車最大噸位為300t，開間30米，檐口標高最高為42.500m。

2 設計技術條件[2，3]

1、恒荷載標準值：0.50KN/m2（包括屋面板、屋面檁條、屋面支撐系統等）；

2、活荷載標準值：0.50KN/m2（不上人屋面）；

3、基本風壓：0.65KN/m2，地面粗糙度為A類；

4、基本雪壓：0.40KN/m2；

5、抗震設防烈度7度，基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第一組，抗震設防類別為丙類，場地類別為Ⅲ類；

6、結構安全等級為二級，設計使用年限為50年。

3 B區屋面結構布置

B區剛架開間為30米，在每個開間范圍內間距10m設兩榀抽柱屋架，托架兩側縱向水平支撐沿托架兩側通長布置，橫向水平支撐則按間距60米布置。

根據托架構件的截面形式，托架一般可以分為單壁式托架和雙壁式托架兩種[1]。本工程跨度、恒載、風壓均比較大，為了有效抵抗扭轉，選用了雙壁式托架。

本工程托架采用上承式，上下弦桿均采用實腹H型鋼，托架高度取跨度的1/10，為3米。為傳遞風荷載，減少托架撓度，增加縱向柱列剛度，托架下面設置了八字撐。此時托架除按超靜定結構計算外，對吊車梁制動結構及連接尚應能承受八字撐傳來的水平拉力，同時還應控制相關地基差異沉降[1]。

4 托架計算

托架計算采用中國建筑科學研究院PKPM-STS系列。

4.1 托架截面材質采用Q235B，其中上下弦采用熱軋H型鋼，腹桿采用熱軋角鋼，計算時凈截面與毛界面的比值取0.85。

托架結構圖如圖1所示。

4.2 托架主要承受抽柱屋架傳遞的豎向力，及山墻風荷載的縱向力。縱向風荷載通過托架及托架下的八字撐傳遞到下部格構柱，因托架水平剛度較大，縱向風荷載對托架的影響很小，因此計算托架時采用簡化模型，不考慮山墻風荷載的作用。抽柱屋架風荷載傳遞到托架的風吸力對托架而言是有利的，也暫不考慮，但計算時上下弦均按受壓桿件控制長細比。

抽柱屋架按30米一跨，一端簡支一端滑動計算，抽柱屋架的軸力即水平力，通過屋面縱向支撐傳遞到相鄰剛架。根據計算查得抽柱屋架傳給托架的反力為：

F恒=113KN，F活=75KN

托架位于屋面中間位置時，承受兩跨屋面梁荷載，因此托架計算時恒活荷載分別按集中力226KN，150KN輸入。

其中上下弦平面外計算長度取抽柱屋架的間距，按10米計算。每榀抽柱屋架下有一根墻架柱，墻架柱下端與吊車輔助桁架連接，通過吊車制動桁架（或制動板）傳遞水平風荷載，墻架柱上端與抽柱屋架連接，上端風荷載直接通過屋面梁傳遞到縱向水平支撐，在通過縱向水平支撐傳遞到主剛架柱上。

4.3電算結果如下：

（1）、正應力及平面內、平面外穩定應力均不超過0.55，有一定的安全儲備，滿足規范要求[4]。

（2）、桁架受壓桿件長細比控制為120，受拉桿件長細比控制為350，經計算所有桿件長細比均未超過80，滿足規范要求[3，4]。

（3）、托架撓度為26.1mm，26.1/30000=1/1150<1/400，滿足規范要求[4]。

（4）、桁架采用上承式，下弦桿兩端為零桿。

5 節點設計

5.1 托架上下弦桿與柱連接節點

托架上弦桿與柱連接節點需要承受水平拉力及豎向剪力，為了減小偏心荷載，托架上弦桿與剛架上段柱的連接采用了端板連接方式，直接與柱腹板連接。

這種節點設計時有三點需要注意：（1）柱頂蓋板需要現場焊接，否則托架現場無法安裝；（2）柱腹板需要一定厚度才能滿足抗剪要求；（3）托架兩端端板與柱腹板間需留2～6mm的安裝間隙，安裝時采用插板塞緊，插板工廠加工時開與端板對應的孔。

與上弦相比，托架下弦桿端部為零桿，不受力，節點設計不需要特別注意，只要安裝時不與柱翼緣相碰，方便托架安裝即可。

具體連接可參考《鋼結構設計手冊》（上冊）（第三版）[1]圖7-140。

5.2 八字撐與托架連接節點

八字撐主要傳遞縱向風荷載，截面通過縱向支撐體系整體計算確定。八字撐上端與托架連接，托架700寬，八字撐下端與剛架柱連接，剛架柱有1250、2000兩種寬度，為了使傳力合理，支撐下端不能與上端一樣寬，因此八字撐需要采用變寬度設計，采用了上端槽鋼過渡到下端熱軋H型鋼的方法。

5.3 抽柱屋架與邊托架連接節點

邊托架僅一側有屋架，為了不使托架發生扭轉，并達到減小弦桿平面外計算長度的作用，采用了將屋架伸入托架內部的節點做法，節點處托架的豎腹桿為分離式（見圖2）。

這種節點設計時有三點需要注意：（1）當抽柱屋架僅一跨，兩側節點均采用該節點連接時，其中一側托架上的節點位置的腹桿需要待托架安裝好后在現場焊接。（2）屋架一端節點開長圓孔，使屋架下撓產生的水平力能有效釋放，托架不承受水平力。（3）托架上弦與屋面梁用隅撐連接起來，作為托架上弦的平面外支撐。

5.4 抽柱屋架與中間部位托架連接節點

中間部位托架兩側均有屋架，受力對稱，節點處托架的豎腹桿采用焊接H型鋼短柱，托架的上下弦穿過鋼短柱的腹板并焊接。鋼短柱截面高度可以與托架兩端的剛架柱高度一樣，使中間屋架的柱頭處屋架坡度統一，方便檁條及天溝的設計。抽柱屋架與鋼短柱采用栓焊連接。

5.5 托架現場施工完成后效果見圖7。

圖3

6結語

隨著工業技術的發展，工業廠房的要求越來越高，尤其是重型工業廠房，大部分車間都有抽柱的情況，本文以東北某造船廠分段組裝車間為例，就托架的設計做了簡單介紹，可以看出托架設計需要注意以下幾點：

1.首先根據屋面荷載、跨度及剛架結構形式確定托架截面形式。

2.托架與剛架柱的連接節點應減小偏心，避免偏心荷載對剛架柱平面外產生較大的附加彎矩。

3.抽柱屋架與托架連接一般為鉸接，節點處理應避免對托架產生扭轉。

4.托架計算時，弦桿平面外計算長度應取有效支撐間距，節點設計要保證與計算模型一致。

5.托架撓度應滿足規范要求，并使撓度盡量小，避免因托架的下撓引起屋面梁的變形。

6.抽柱屋架設計時應一端滑動一端簡支，以免托架產生水平推力，避免節點處螺栓受剪破壞，。

7.托架一側需設置縱向水平支撐，傳遞水平力。

8.托架節點設計要結合實際安裝，避免給現場安裝造成困難。

參考文獻

1.《鋼結構設計手冊》編輯委員會.鋼結構設計手冊（上冊）（第三版）.中國建筑工業出版社，2004：243-259.

2.GB 50009-2012 建筑結構荷載規范.

3.GB 50011-2010 建筑抗震設計規范.

4.GB 50017-2003 鋼結構設計規范.