陽(yáng)青 楊春

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

1 概述

工業(yè)廠房的屋面系統(tǒng)的傳統(tǒng)做法是屋面梁+實(shí)腹式檁條的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、傳力明確且施工方便。但我們?cè)阡摻Y(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中，經(jīng)常出現(xiàn)因?yàn)榧追揭蟠罂臻g布局而采用大柱距布置，或者是工藝設(shè)備布置要求局部抽柱的情況。此時(shí)，常規(guī)的考慮是增加托架來(lái)支撐屋面梁，減小檁條跨度以便設(shè)置實(shí)腹式檁條，這種做法缺點(diǎn)就是耗鋼量較大而且施工安裝較麻煩。為了節(jié)約工程投資，提高施工效率，因此采用新型的結(jié)構(gòu)形式來(lái)取代這種常規(guī)的托架做法，成為當(dāng)今大柱距鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)的一種趨勢(shì)。

桁架式檁條是近年來(lái)新出現(xiàn)的用于大跨度屋面系統(tǒng)的空腹式結(jié)構(gòu)形式，其主要應(yīng)用是在民用的大型超市、倉(cāng)儲(chǔ)中心、物流中心等大空間建筑物上，在工業(yè)廠房領(lǐng)域應(yīng)用較少。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)高效，施工安裝方便，有益于廠房整體結(jié)構(gòu)剛度的均勻完整。

桁架式檁條分為平面桁架式和空間桁架式兩種。

1)平面桁架式又分為兩類(lèi):一類(lèi)由角鋼和圓鋼組成;一類(lèi)由冷彎薄壁型鋼組成。由角鋼和圓鋼組成的檁條構(gòu)造簡(jiǎn)單，受力明確，但側(cè)向剛度較差，需要與屋面材料、支撐等組成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。適用于屋面荷載或檁距較小的屋面。由冷彎薄壁型鋼組成的檁條平面內(nèi)外剛度均較大，適用于大檁距屋面，見(jiàn)圖1。

圖1 平面桁架式檁條

2)空間桁架式檁條:檁條橫截面呈三角形，由3片平面桁架組成一個(gè)完整的空間桁架體系。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)合理，受力明確，整體剛度大，不需要設(shè)置拉條，安裝方便。但制作費(fèi)工，用鋼量較大。適用于跨度、荷載及檁距均較大的情況，見(jiàn)圖2。

桁架式檁條的截面高度一般為跨度的1/12～1/20，檁距根據(jù)屋面板的板型及承載最大跨度確定。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

紅鋼新建小型熱軋車(chē)間工程，該工程位于云南省紅河州蒙自市紅河鋼廠，為EPC總承包項(xiàng)目。主廠房建筑面積27568 m2，鋼結(jié)構(gòu)廠房。廠房主體結(jié)構(gòu)為鋼排架，主跨一共2跨，局部附加一毗跨形成3跨，跨度為30 m，27 m及18 m。柱子系統(tǒng)為鋼管混凝土格構(gòu)柱，基本柱距15 m，另外在設(shè)備需要大開(kāi)間布置的區(qū)域，局部抽柱形成18 m及24 m的大柱距。柱頂檐口標(biāo)高為22 m左右。廠房?jī)?nèi)各跨均布有吊車(chē)，起重量32 t～25 t，A6和A5工作制，鋼吊車(chē)梁系統(tǒng)。屋面系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)為鋼屋架，次結(jié)構(gòu)為桁架式檁條。墻面系統(tǒng)為墻皮柱+冷彎薄壁C型鋼檁條布置。當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓0.3 kPa，基本雪壓為 0。

圖2 空間桁架式檁條

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算及方案對(duì)比

此項(xiàng)目因土建投資預(yù)算較低，因此控制廠房鋼結(jié)構(gòu)含鋼量，降低造價(jià)成為重中之重。根據(jù)建筑彩板板型要求，檁條檁距為3 m，檁條荷載計(jì)算取值如下:

恒載:屋面彩鋼板 0.12 kN/m2，屋面支撐 0.08 kN/m2，合計(jì)0.20 kN/m2。

活載:不上人屋面 0.5 kN/m2，灰荷載 0.2 kN/m2，吊掛荷載0.2 kN/m2，合計(jì) 0.9 kN/m2。

風(fēng)載:計(jì)算風(fēng)壓為 －0.18 kN/m2。

因風(fēng)壓較小且為負(fù)值，其作用效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利，所以不考慮風(fēng)荷載的組合。再因活載值大于恒載值，活載起控制作用，所以計(jì)算工況取1.2×恒載+1.4×活載的組合。上弦桿長(zhǎng)細(xì)比按150控制，下弦桿長(zhǎng)細(xì)比按300控制，計(jì)算軟件用PKPM2010的鋼結(jié)構(gòu)桁架模塊計(jì)算。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，以15 m跨度為例，實(shí)腹式檁條每平方米計(jì)算含鋼量大約為13 kg/m2，而桁架式檁條只有8 kg/m2，桁架式檁條比實(shí)腹式節(jié)約30%以上的鋼材。而且檁條自重的減小，也會(huì)使屋架計(jì)算時(shí)檁條部分的恒載減小，屋架自重比用實(shí)腹式檁條時(shí)減少10%左右。

綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用桁架式檁條，整個(gè)屋面系統(tǒng)含鋼量比采用實(shí)腹式檁條減少約35%，優(yōu)化效果明顯。

本工程桁架檁條高度取1.3 m，初始方案為上弦采用焊接H型鋼，下弦采用焊接T型鋼，腹桿采用單角鋼。上弦桿上作用荷載為屋面彩板傳來(lái)的均布荷載，節(jié)點(diǎn)處有負(fù)彎矩，節(jié)間跨中為正彎矩，所以上弦桿為一壓彎構(gòu)件?？紤]到這一點(diǎn)，上弦桿最開(kāi)始先采用H型截面，因?yàn)镠型對(duì)稱(chēng)截面正負(fù)彎矩作用處的抵抗矩相同，比T型截面容易利用桿件強(qiáng)度，節(jié)省鋼材。下弦桿采用焊接T型鋼是因?yàn)楦箺U與下弦桿焊接時(shí)可以直接焊在T型鋼腹板上，可以節(jié)約節(jié)點(diǎn)板的重量。然而最終方案是上弦桿和下弦桿均采用雙角鋼T型組合，原因是桁架檁條上下弦截面太小太薄，市面上沒(méi)有成品軋制構(gòu)件，只能焊接加工。而焊接加工時(shí)構(gòu)件變形嚴(yán)重，導(dǎo)致制作廢品率偏高，只能采用成品角鋼制作。上弦桿采用雙角鋼T型組合比采用H型鋼耗鋼量要大10%，但施工制作方便，節(jié)省加工費(fèi)用。

2.3 檁條連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

1)檁條與屋架的連接:為了施工的方便，檁條一般與屋架上弦桿采用搭接構(gòu)造。檁條上弦桿端部設(shè)置T型板支座搭在屋架上弦，支座底板與屋架上弦桿翼緣焊接，見(jiàn)圖3。檁條下弦桿與屋架豎向腹桿平接，見(jiàn)圖4。

圖3 支座底板與屋架上弦桿翼緣焊接示意圖

圖4 檁條下弦桿與屋架豎向腹桿平接示意圖

2)檁條與支撐的連接:檁條的支撐系統(tǒng)與屋架的支撐系統(tǒng)是一樣的，為了保證檁條上下弦桿的穩(wěn)定，桁架上下弦桿平面內(nèi)必須設(shè)置檁間直拉條。檁條上弦桿為壓桿，計(jì)算長(zhǎng)度為兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間的節(jié)間長(zhǎng)度，所以上弦桿每個(gè)節(jié)點(diǎn)處平面外均設(shè)置支撐桿。支撐桿采用張緊的圓鋼或單角鋼。上弦平面在屋脊和檐口處還應(yīng)設(shè)置斜支撐，將風(fēng)傳來(lái)的水平荷載傳遞至屋架上，斜支撐通過(guò)節(jié)點(diǎn)板與檁條上弦角鋼直接焊接。檁條下弦桿為拉桿，平面外計(jì)算長(zhǎng)度按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的最大容許長(zhǎng)細(xì)比來(lái)控制，因此拉條的設(shè)置位置可以不需要按照上弦桿那樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)，僅需要按照容許長(zhǎng)細(xì)比控制的平面外長(zhǎng)度來(lái)設(shè)置即可。此外，在屋脊和檐口處，第一、第二根檁條之間，上下弦桿均有直拉條的位置應(yīng)設(shè)置垂直支撐，以構(gòu)成封閉的支撐系統(tǒng)。同時(shí)，在屋面橫向氣樓兩側(cè)支座下方，也需增加檁間垂直支撐。斜支撐采用∠50×5的單角鋼，直支撐采用∠70×6的單角鋼，拉條采用φ14的圓鋼。支撐系統(tǒng)設(shè)置及連接節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖5。

圖5 檁條及支撐布置圖

圖6 檁條連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

3)檁條兼作屋架平面外支撐時(shí)的連接:為了保證屋架平面外的穩(wěn)定，減少屋架弦桿平面外的計(jì)算長(zhǎng)度，一般屋架上下弦都會(huì)設(shè)置垂直支撐和剛性系桿來(lái)保證穩(wěn)定。桁架式檁條上弦桿與屋架上弦桿搭接焊接，正好成為屋架上弦的剛性系桿。檁條的下弦桿與屋架腹桿平接，可在檁條下弦第一節(jié)間的節(jié)點(diǎn)處增加一根隅撐與屋架下弦焊接。構(gòu)造詳見(jiàn)圖6。

2.4 桁架式檁條的優(yōu)缺點(diǎn)

2.4.1 桁架式檁條的優(yōu)點(diǎn)

1)經(jīng)濟(jì)性好，相比于同跨度的實(shí)腹式檁條，耗鋼量能節(jié)省30%左右。2)自身剛度好，承載力高，在結(jié)構(gòu)體系中能身兼數(shù)職。既能當(dāng)屋面梁的平面外剛性系桿，又能兼作屋架的縱向垂直支撐，使整個(gè)屋面體系簡(jiǎn)潔明快。普通屋面梁平面外剛性系桿均為圓鋼管，但柱距超過(guò)12 m后，圓管由于長(zhǎng)細(xì)比增大而出現(xiàn)在自重作用下下?lián)献冃危M(jìn)而承載力降低。假如為抵抗變形而增大圓管截面的話，又非常不經(jīng)濟(jì)，此時(shí)，采用桁架檁條可以解決這方面的問(wèn)題。對(duì)屋架縱向垂直支撐來(lái)說(shuō)，桁架檁條正好可以兼作此構(gòu)件。只要將檁條下弦桿附加一根隅撐與屋架下弦連接，就可以達(dá)到垂直支撐保證屋架下弦桿平面外穩(wěn)定的效果。

2.4.2 桁架式檁條的缺點(diǎn)

1)構(gòu)件平面外剛度較差，需要較多支撐構(gòu)件保證其穩(wěn)定，增加了施工安裝的工作量。2)構(gòu)件較柔，堆放、運(yùn)輸和吊裝時(shí)要注意保護(hù)，否則容易產(chǎn)生較大變形而影響安裝和使用。3)構(gòu)件截面高度較高，在有凈空要求的廠房?jī)?nèi)會(huì)被動(dòng)要求提高整個(gè)廠房的高度，造成柱子系統(tǒng)及墻皮系統(tǒng)的材料量增加。

3 結(jié)語(yǔ)

桁架式檁條作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種類(lèi)型的大跨度建筑。對(duì)于大柱距的工業(yè)廠房，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布置，充分利用桁架式檁條的優(yōu)點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)體系，達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目的，已經(jīng)逐漸成為工業(yè)廠房設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)。

［1］汪一駿，顧泰昌，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))［M］.第3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］唐 潮，唐華英.桁架式檁條在鋼結(jié)構(gòu)廠房中的應(yīng)用［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2009，24(7):35-36.