大雪載地區的輕鋼廠房結構設計分析

齊彬

(中冶東方工程技術有限公司秦皇島研究設計院,河北秦皇島 066004)

大雪載地區的輕鋼廠房結構設計分析

齊彬

(中冶東方工程技術有限公司秦皇島研究設計院,河北秦皇島 066004)

結合工程實例,針對大雪載地區的輕鋼廠房,從結構選型、荷載取值、結構計算、構造措施等方面為輕鋼結構廠房設計和計算提供參考和建議。東北地區一直是暴雪高發地區,輕鋼結構具有跨度大、施工速度快、質量輕、造價低的優點,因暴雪地區輕鋼結構設計對雪荷載堆積考慮較少,本文以設計的東北某廠區淀粉糖車間為例,從結構選型、荷載取值、結構計算、構造措施等方面進行論證分析。

雪荷載 輕鋼結構 選型 計算 構造

1 結構選型

淀粉糖車間主要用途是淀粉糖生產流程中的糖化和成品灌裝，現場場地較為平整，無不良地質，持力層土層變化均勻。該廠房由伸縮縫分割為幾個結構獨立、工藝連續部分，糖化區和成品灌區分開布置。

糖化區廠房縱向由兩道伸縮縫分割為41m、49m、36m的三部分。伸縮縫處設置雙柱，每個溫度區間設置柱間支撐一道。成品灌區縱向長度38m，設置柱間支撐一道；屋面支撐與柱間支撐對應布置；依據《鋼結構設計規范》5.3.8、5.3.9條長細比取值。

根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》總則1.0.2滿足限定：“單跨或多跨實腹式門式剛架”、“輕型屋蓋和輕型外墻”、“無橋式吊車”、“有小于3T的懸掛式起重機”、“單層鋼結構”；4.2.2條規定：“門式剛架的平均高度采用4.5～9.0m，當有橋式吊車時不宜大于12m”。故成品灌區廠房范圍1～1/7軸線，選用兩聯跨單坡門式剛架，采用插入式柱腳與獨立基礎；糖化區廠房范圍1～24軸線，適用于《鋼結構設計規范》，選用單坡門式剛架，與附近淀粉糖主廠房柱鉸接，采用插入式柱腳與獨立基礎。糖化區廠房東西山墻處設置抗風柱，插入式柱腳，與鋼梁采用螺栓橢圓孔連接。廠房選用Q345B，強度高，節省投資（如圖1）。

2 荷載取值

2.1 荷載

壓型鋼板及配件、保溫層 0.15kN/m2

屋面檁條、支撐 0.15kN/m2

合計 0.30kN/m2

天窗自重： 無天窗

2.2 活荷載

不上人屋面 0.30kN/m2

圖1

依據《鋼結構設計規范》3.2.1條，當僅有一個可變荷載且受荷水平投影面積超過60m2，屋面豎向均布活荷載標準值取為0.30kN/ m2。但《鋼結構設計規范》條文說明3.2.1中指出：當有兩個及以上可變荷載考慮荷載組合值系數參與組合時(如有積灰荷載)，屋面活荷載標準值仍應取為0.5kN/m2。

2.3 雪荷載

(1)基本雪壓。根據《建筑結構荷載規范》7.1.2條：基本雪壓應采用按本規范規定的方法確定的50年重現期的雪壓，對雪荷載敏感的結構，應采用100年重現期的雪壓。輕鋼結構屬于敏感結構，故基本雪壓取值采用So=0.55kN/m2，u=1，S=u×So=0.55kN/m2，n=100年雪載準永久值系數分區是Ⅲ區。(2)雪堆積。女兒墻和高低跨高差變化處常發生雪堆積，因廠房女兒墻較矮，故僅考慮高低跨處雪堆積作用。表7.2.1中第八項，積雪長度為2倍高差，經計算大于8m，故積雪長度最大值取8m，屋面積雪均勻分布系數取最大值為u=2，經計算S=u*So=2×0.55=1.1 kN/m2（如圖2）。

3 結構計算

圖2

圖3

圖4 雪荷載計算簡圖(kN/m)

圖5 雪荷載計算簡圖(kN/m)

淀粉糖車間廠房軸線為A～F高低跨剖面圖如圖3，分別取糖化區與成品灌區一榀剛架計算為例，利用中國建筑科學研究院PKPM (2011年4月版)系列軟件STS模塊進行輔助設計。

3.1 糖化區剛架

(1)設計參數。糖化區剛架跨度19.5m，長度128m，柱距5.5m，6m，7m；檐口標高20.640m，屋面坡度1/15，剛架簡化為平面形式，按照二維方法計算，剛架梁豎向撓度與跨度比限值：無懸掛起重機，[vT]=l/250、 [vQ]=l/300。 (2)計算結果。最大柱距(7+6)/2=6.5m，恒載剛架線性分布值0.3x6.5=1.95kN/m。雪荷載大于活荷載，以雪荷載取值為準，考慮雪荷載堆積，雪荷載剛架線性分布值分兩部分(如下圖)，①0.55x6.5=3.5 kN/m，②2x0.55x6.5=7kN/m。風荷載按照《荷載規范》要求采用，地震作用不考慮。

經計算，剛架柱選用焊接H型鋼H400x250x8x12，剛架梁選用焊接H型鋼H650x220x8x12， 考慮腹板屈曲后強度利用，梁柱各項指標滿足規范要求。以雪荷載計算簡圖(圖4)為例，其余荷載簡圖略。

3.2 成品灌區剛架

(1)設計參數。成品灌區剛架兩聯跨跨度6m、7.5m，長度38m，柱距6.5m，6m；檐口標高8.20m，屋面坡度1/15，剛架簡化為平面形式，按照二維方法計算，剛架梁豎向撓度與跨度比限值：無懸掛起重機， [vT]=l/180。(2)計算結果。最大柱距6.5m，恒載剛架線性分布值0.3x6.5=1.95 kN/m。雪荷載大于活荷載，以雪荷載取值為準，考慮雪荷載堆積，雪荷載剛架線性分布值分為兩部分(如下圖)，①0.55x6.5=3.5 kN/m，②2x0.55x6.5=7kN/m。風荷載按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》要求采用，地震作用不考慮。

經計算，剛架柱選用H型鋼H250x150x6x8，剛架梁選用H型鋼H200x200x6x8， 考慮腹板屈曲后強度利用，梁柱各項指標滿足規范要求。以雪荷載計算簡圖(圖5)為例，其余荷載簡略。

考慮屋面坡度，經濟，制造和安裝方便，檁條和墻梁采用冷彎薄壁卷邊C型鋼，Q235鋼，并考慮雪荷載堆積作用計算。

4 構造措施

適當增大屋面坡度，有利于排雪。高低跨廠房低跨處和女兒墻處加密檁條或增大檁條規格。女兒墻取消或者設計的盡可能低。屋面梁平面外計算長度按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》6.1.6條規定取值，控制平面外應力比小于1，在屋面梁下翼緣受壓區域檁條設置隅撐，與計算的假定相符合。

5 結語

本文對于大雪載地區的同類廠房的設計分析具有參考和借鑒意義，只要合理運用規范，加強概念設計，認真結構計算，針對結構特點和大雪載工況增加構造措施，就可以適應極端環境，滿足工藝與結構的要求。

[1]《鋼結構設計手冊》編輯委員會編.鋼結構設計手冊.北京:中國建筑工業出版社,2003.

[2]國家行業標準.鋼結構設計規范(GB50017-2003).北京:中國計劃出版社,2003.

齊彬(1985—),男,河北秦皇島人,助理工程師,中冶東方工程技術有限公司秦皇島研究設計院。