通風機房鋼屋架改造結構設計實例研究

左奎現

（通用技術集團工程設計研究院有限公司，山東 濟南 250023）

1 工程概況

山西蘭花集團沁裕煤礦有限公司礦井兼并重組整合項目的通風機房為地上一層，建筑高度10.5 m，抗震設防烈度為7 度，基本地震加速度值為0.1 g，設計地震分組為第三組，場地類別為I 類，結構設計使用年限為50 a，抗震等級為二級，結構體系為排架結構、鋼筋混凝土箱型結構。原有屋面結構為雙層網架結構，網架平面尺寸：13 m×15 m，覆蓋面積：195 m2。

為了進一步提高屋面改造工程在設計時的安全性和經濟性，結合已有研究成果及實際所設計的山西蘭花集團沁裕煤礦有限公司礦井兼并重組整合項目-通風機房屋面改造項目，對此類鋼屋面結構設計時的設計要點及難點等方面進行研究[1-6]，研究成果可為此類鋼屋面結構的設計提供重大借鑒意義[7-8]。

1.1 改造范圍及材料選擇

由于鋼結構屋面網架結構的成本較高，現將通風機房鋼屋面網架結構改建為鍍鋅壓型鋼板YX35-125-750（V125），屋面坡度為5%。屋面改造工程在既有的混凝土柱及柱頂預埋件的基礎上進行，本次改建后的材料選擇及平面布置如下：

1）改造后的屋面坡度較小，屬于不上人屋面，屋面荷載較小。因此，通風機房的屋面起坡材料選用冷彎薄壁卷邊槽鋼（C 形）檁條，檁條型號為C200X75X20X2.5，檁條之間通過拉條連接。

2）改造后的屋面結構采用H 型鋼梁，主梁結構為HN500X200X10X16，次梁結構為HN350X175X7X11。

3）原有網架屋面結構的節點用鋼量較大，加工制作費用較高，應項目設計要求，屋面結構改為鍍鋅壓型鋼板。

1.2 方案設計

屋架結構的構件布置如下所述：

1）主梁結構、混凝土柱通過螺栓與原有的預埋件連接在一起，次梁搭接在主梁上。考慮到地震時主梁結構與預埋件會發生錯位等情況，在次梁之間設置水平支撐以保證結構的穩定性。廠房結構平面圖如圖1。

圖1 廠房結構平面圖（mm）

2）檁條的布置、連接。由于檁條跨度L≥6 m，因此，檁條在跨度1/3 處各設置一道圓鋼拉條（拉條直徑為12 mm）；檁條通過檁托與H 型鋼梁連接，以達到屋面起坡的目的；檁條與檁托之間通過螺栓連接。

3）設計難點。受原有預埋件的影響，主梁結構的布置位置與尺寸大小、螺栓的布置與尺寸大小受限；梁—柱節點設計、梁—梁節點設計、檁條的選擇等。

2 設計分析

2.1 檁條、拉條、撐桿設計

2.1.1 截面及材料特性

檁 條 形 式：卷 邊 槽 形 冷 彎 型 鋼C250X75X20X2.5，b=75.000，h=250.000，c=20.000，t=2.500，A=0.1048E-02，Ix=0.9523E-05，Iy=0.7131E-06，It=0.2184E-08，Iw=0.8416E-08，Wx1=0.7619E-04，Wx2=0.7619E-04，Wy1=0.3686E-04，Wy2=0.1281E-04。鋼材鋼號：Q235 鋼。

2.1.2 截面驗算

1）使用階段

① 1.3 恒載+1.5（活載+0.9 積灰+0.6 風載（壓力））組合

截面強度驗算，由公式σ=Mx/Wenx+My/Weny得：σmax= 158.940 N/mm2＜205.000 N/mm2，滿足設計要求。

式中：Mx、My分別為剛度最大主平面和剛度最小主平面的彎矩；Wenx、Weny分別為對主軸x、y的有效截面模量。

② 1.0 恒載+1.5 風載（吸力）組合

截面強度驗算，由公式σ=Mx/Wenx+My/Weny得：σmax= 81.990 N/mm2＜205.000 N/mm2，檁條穩定性；由 公 式σ=Mx/（φbx·Wex）+My/Wey得：σ=189.734 N/mm2＜205.000 N/mm2，滿足設計要求。

式中：Wex、Wey分別為對主軸x、y的有效截面模量；φbx為受彎構件繞強軸的整體穩定系數。

2）施工階段

① 1.3 恒載+1.5 施工荷載組合

由強度計算公式得：σmax=79.840＜205.000，滿足設計要求。

② 荷載標準值作用下，撓度計算

由 公 式v=（5/384）·（pkyl4/EIx）計 算 得：v=14.984＜32.500，滿足設計要求。

式中：pky為沿y軸線荷載的標準值；Ix為對主軸的毛截面慣性矩。

2.1.3 檁條、拉條及撐桿布置

本工程的跨度L＞6 m，在檁條跨度的三分點處各設置一道拉條，在檐口處設置斜拉條和撐桿，拉條規格為Φ14 mm（M12）、撐桿規格為Φ14 mm（M12）+Φ32X3。屋面的起坡高度主要通過檁托和檁條，其中，檁托選用140 mm×140 mm×5 mm的方鋼，檁條、拉條及撐桿的布置如圖2、圖3。

圖2 檁條平面圖（mm）

圖3 屋架結構剖面圖（mm）

2.2 主次梁結構設計

2.2.1 內力分析

采用PKPM 軟件對主次梁結構的內力進行分析，計算得到的受力情況如圖4。根據鋼結構設計規范，對鋼梁結構的安全性進行驗算。

圖4 彎矩圖（kN·m）

1）抗彎強度驗算

由圖4 可知，各鋼梁結構的跨中彎矩值最大，其中，鋼梁型號為HN500X200X10X16 的彎矩最大值為259 kN·m，鋼梁型號為HN375X175X7X11 的彎矩最大值為89 kN·m。

由公式Mmax/γxWx≤f計算各鋼梁的抗彎強度。

滿足設計要求。

2）撓度驗算

由圖5 可知，各鋼梁結構的跨中撓度最大，其中，鋼梁型號為HN500X200X10X16 的撓度最大值為27.86 mm；鋼梁型號為HN375X175X7X11 的撓度最大值為10.35 mm。

圖5 彎矩圖（kN·m）

HN500X200X10X16 鋼梁的撓度：

ω=27.86 mm ＜l/250=52 mm

滿足設計要求。

HN500X200X10X16 鋼梁的撓度：

ω=10.35 mm ＜l1/250=30 mm

滿足設計要求。

2.2.2 節點設計

根據原有屋架原有預埋件的情況，設計壓型鋼板屋面的鋼梁與混凝土柱的連接位置及方式。連接件最小板厚大于等于14 時用對接焊縫，其余用角焊縫滿焊，焊縫高度取被焊件最小厚度減 1～2 mm，且不小于 8 mm。當被焊件厚度小于 6 mm 時，焊縫高度取被焊件厚度，焊縫一律滿焊。焊接連接的構件選用Q235 鋼，對焊接構件鋼材尚須保證碳的極限含量。焊縫質量等級：對接焊縫為二級，角焊縫外觀質量標準應符合三級。梁、柱連接詳圖如圖6、圖7。

圖6 梁、柱連接詳圖（mm）

圖7 柱腳連接詳圖（mm）

由圖可知，鋼梁HN500X200X10X16 通過U 形螺栓和預埋鋼板連接，鋼梁HN375X175X7X11 通過螺栓與鋼梁HN500X200X10X16 連接。其中，受到翼緣寬度的限值，U 形螺栓和鋼梁連接時的邊距超出規范規定的最小容許間距限值2d0，此處采取的處理方式為在鋼梁的兩側對接一塊等厚的鋼板以增加翼緣寬度。鋼梁和鋼梁連接螺栓的選擇根據《鋼結構設計標準》的公式計算結果進行選擇，即：

螺栓的抗剪承載力大于所受剪力5.25 kN，滿足設計要求。

式中：nv為受剪面數目；d為螺栓的直徑，mm；為螺栓的抗剪強度設計值，N/mm2。根據《鋼結構設計標準》的規定，螺栓連接或拼接節點中，每一桿件一端的永久性的螺栓數不宜少于2 個，所以本工程的鋼梁和鋼梁之間的連接選用2 個C 級M20 普通螺栓。

3 結論

1）鍍鋅壓型鋼板屋面結構的節點連接用鋼量較原有網架屋面結構小，費用較低，是較為經濟的改造工程。

2）受到原有柱網布置和柱頂預埋件的影響，鋼梁結構在選擇和節點的連接處置方面較為復雜。

3）鋼結構設計必須根據設計規范、現場條件及使用要求合理選擇屋面坡度方向、材料及節點等，以滿足使用需求。