大跨度工業建筑屋面鋼結構選型與設計

尹美玲

（黑龍江省輕工設計院，黑龍江 哈爾濱150000）

工業建筑廠房具有跨度大、荷載大等特點，一般采用輕質彩鋼屋面，設計出復雜的結構形式，才能滿足工業建筑廠房運行需求。對于大跨度工業建筑來講，屋面鋼結構選型及設計是關鍵步驟，如果選擇的型號不符合工業建筑的實際需求，就會引發新的問題，需要深入現場考察，結合已有資料展開設計，才能得到科學合理的屋面鋼結構設計方案，同時還要展開優化設計，才能為后續的屋面鋼結構施工奠定良好的基礎。

1 項目簡述

某重型裝備制造基地重型鋼結構廠房地處某市新區東南角，廠房長384m，寬114m，占地面積約4×104m2；廠房柱距12m，跨度36m+42m+36m。屋架下弦最低標高為16.20m-27.02m；北跨設雙層吊車（上層為2 臺160t/50t 吊車，軌高22.5m；下層為2 臺75t/20t 吊車，軌高18m），中跨設2 臺100t/32t 橋式吊車（軌高16m），南跨設2臺50t/5t 橋式吊車（軌高12.30m）。項目規劃之初，鑒于建設地日常風力較大、空氣潔凈度較高、年輻射總量高于市區，非常有利于太陽能發電，同時重型工業廠房單體建筑面積大、屋頂高、屋面利用率高，并具有與建筑整體相結合的展示作用，為充分利用清潔能源，降低重裝備制造業的能耗，使重裝備"輕"起來，在重型鋼結構廠房輕型屋頂之上建1MW太陽能光伏電站，通過多次論證，最終確定在本聯合廠房南跨13000m2的屋面上滿鋪太陽能電池板。

2 大跨度工業建筑屋面鋼結構風荷載分析

該廠房為三跨結構，在屋面上安裝大量的太陽能電池板，查找現行規范后，發現廠房可以參考雙坡屋面結構，但是屋面本身設置了大量的太陽能電池板，并且與屋面保持20°左右的夾角，保持架空狀態，在氣流逐漸流過屋面時，會產生一定的風吸力，可能對屋面鋼結構產生負面影響。查閱相關資料發現，在負壓集中的區域，經常出現流動分離現象，特別是外形存在突變現象的位置，如屋檐、屋面邊緣等，更容易出現流動分離、再附等現象。

本次研究的工程采用太陽能電池板，利用轉換層連接屋面及支架結構，風流經屋面時，會被墻體阻隔，導致氣流淤積在電池板下部，與屋面之間產生正壓，與電池板之間產生負壓。該工程位于臺風多發的區域，臺風經過屋面時，會產生強大吸力，引發風振現象，會對屋面結構產生一定的破壞，但是國內這方面的研究相對較少，沒有可以參考的實例，為此應該按照風載最不利的情況研究，展開對管桁架的受力分析，其中吸風作用設置為最大，計算后發現桿件沒有出現任何內力變化，仍然處于安全的狀態。

3 大跨度工業建筑屋面鋼結構選型分析

一般情況下，工業建筑廠房都采用桁架作為屋面結構，還要配合使用大型屋面板，有時也會回用網架結構，近些年開始逐漸采用實腹鋼梁輕質屋面，應用案例越來越多。本次研究的工程擁有以下特點：廠房屋面整體呈現為階梯狀，上面增設了太陽能發電電池板，較普通輕質屋蓋相比，荷載增加1kN/m2，屋面結構由三種選型方案，分別為網架方案、管桁架方案及實腹板方案，具體內容如下：

一是網架方案。這種方案更容易承受豎向荷載，但是該工程的縱橫向跨度較大，如果應用網架方案，需要依據主跨尺寸確定高度，要花費較多的成本費用搭建網架結構，經濟性較低。在外界溫度出現變化時，網架縱向上的附加應力也會隨之上升，很難采用常規手段處理這部分附加應力，為此不考慮網架方案。二是鋼梁方案。該工程的跨度較大，并且設置了太陽能電池板，增加屋面鋼結構荷載，如果采用鋼梁方案，需要采用剛接的方式連接梁柱結構，彎矩會逐漸傳遞給柱子，導致柱子受力不平衡，如果梁端的彎矩達到一定數值，甚至還會增加柱子截面，對后續的吊車設置帶來不便。三是管桁架方案。采用管桁架方案時，首先要連接柱子和管桁架，采用鉸接的方式，柱子可以保持一個均勻受力的狀態，結合工程實際情況，可以采取三角形管桁架，由腹桿與上弦雙支管共同形成穩定的桁架，在運行期間不會出現不穩的問題，接下來還要連接下弦管，保持屋面鋼結構整體的穩定性，不需要額外設置縱向支撐結構，同時還要注意設置垂直支撐，一般都是沿著縱向方向設置，可以更好地傳遞水平力。

在完成屋面該結構選型的技術論證以后，還需要展開經濟性對比，具體數據如下：一是管桁架方案，單價為10000 元/t，造價為1690 萬元。二是鋼梁方案，單價為7000 元/t，造價為2015 萬元。三是網架方案，單價為7500 元/t，造價為2005 萬元。可以看出，管桁架的單價費用相對更高，但是總體造價更低，僅僅占到其他兩種方案造價的75%左右，可以節省大量的成本費用，為此選擇管桁架方案。

4 大跨度工業建筑屋面鋼結構設計方案及優化措施

4.1 管桁架優化設計。管桁架是廠房屋面的重要構件，要結合工程實際情況，對比不同寬度方案的經濟性，本次研究共計選擇兩種寬度方案，一種為4.0m 寬度方案，造價為1690 萬元，另一種為30m寬度方案，造價為1780 萬元。同時還要考慮到兩種寬度方案是否符合施工要求，經過對恒載、活載、風載等不同情況下的模擬測試，發現兩種寬度方案都可以保證廠房屋面鋼結構的穩定性。為此，選擇上弦寬度為4m，該方案不僅擁有更強的經濟性，還可以減少管桁架的自重，縮減檀條的重量，減輕整個屋面鋼結構的負擔。

4.2 屋面檀條的設計。根據上述研究可知，在支撐檀條時，可以選擇管桁架上弦管，同時檀條擁有兩個跨度，分別為4m 和8m，結合工程的實際情況，最終選擇連續檀條，這種方案不但可以滿足屋面鋼結構的設計要求，還可以提高檀條設計的經濟性。

4.3 屋面支架的設計。根據工程簡介可知，屋面上方鋪設大量的太陽能電池板，為此要設置大量的電池板支架，如果每個支架都采取穿透支撐的方式，就會給彩鋼屋面留下大量的孔洞，增加防水設計難度。為此，在屋面支架設計中，在屋面上額外設置一個托梁，整體保持一個加工的狀態，將電池板支架連接到設置好的托架梁上方，同時連接好屋面結構，這樣就可以在屋面范圍內，得到混凝土組合版屋面結構，這處屋面也可以合理利用，設置為參觀區域、檢修區域等，在建設完組合板屋面以后，還要合理設置預埋件，實現對剛托梁的固定處理，通過上述設計方案，不需要多次穿越彩鋼板屋面，為后續的防水設計奠定良好的基礎，消除漏水隱患。此外，在組合板與屋面的交接位置上，還要采用混凝土材料設置出翻口，主要是為后續防水做準備，滿足泛水要求。

4.4 施工安裝設計。在廠房屋面上安裝電池板時，要注意保護彩鋼板及卷材，避免安裝期間尖銳工具產生破壞，為此要合理設計施工安裝步驟：一是要減少焊接工序，主要是焊接容易產生大量的火花，可能損壞電池板，為此要優先選擇螺栓連接的方式，盡可能避免焊接作業。二是要遠離屋面一段距離支設支架，這樣才能給后續的檢修工作預留充足的空間。

5 管桁架施工的注意事項

主要有以下措施：（1）管桁架桿架相對較為特殊，通常采用無縫鋼管，經過合理的調查研究，選擇高頻焊直縫焊接鋼管，這種鋼管不但滿足管桁架桿架支設要求，還可以減少不必要的成本費用，但是在制造該類型的鋼管時，要注意保護桿件直焊縫，避免對鋼管材料產生破壞。（2）在制造管桁架時，需要配備三向相關切割設備，在制造時嚴格按照規章制度操作，才能精確焊接對位，同時還可以提高桿件的焊接質量，滿足后續的施工需求。（3）為了讓屋蓋結構更加美觀自然，在連接桁架和管桁架支撐結構時，可以不適用節點板，同時還可以減少一定的成本費用。

綜上，近些年我國工業經濟迅速發展，涌現出大批工業建筑項目，很多廠房跨度較大，選用鋼結構材料建設屋面，為此要結合實際情況展開屋面鋼結構選型設計，常用的鋼結構方案包括鋼梁方案、網架方案、管桁架方案等，每種方案的優缺點不同，需要結合實際需求合理選擇，再確定具體的鋼結構方案以后，還要展開優化設計，確定施工方案，盡可能選擇經濟性更強的施工方案，才能保證工程建設的經濟效益。本文選擇實例研究的方式，經過合理的選型設計，最終順利完成工業建筑屋面鋼結構設計任務，希望為類似的屋面鋼結構選型設計工程提供幫助。