某热轧厂屋面系统设计

某热轧厂屋面系统设计

摘要：单层工业厂房屋面系统一直是传统的课题，随着时代的发展和技术手段的改进，对结构设计的要求也越来越高。本文结合某热轧厂工程，浅谈厂房屋面系统的设计。

关键词：屋面系统 天窗 屋架

前言

随着我国经济建设的迅猛发展，钢结构具有制造简便、施工安装快、强度高、材料用量低、精确度高、节能环保等优点，被广泛应用于工业生产。本工程厂房建筑面积较大，屋面做法会直接影响到总耗钢量。因此，对本工程的屋面系统进行结构方案优化分析就非常必要。

1 项目概况

新建主厂房结构为原热处理厂房钢板成品库延长。在新旧厂房之间设置伸缩缝。原热处理厂房始建于1985年，厂房横向宽度为150m ，分为4跨，跨度分别为42m、42m、24m和42m，最大跨度42m，最小跨度24m，纵向长度为312m，柱距24m，新建主厂与原有厂房相连接，结构形式宜协调一致。新建厂房纵向为6个柱距，最小柱距21m，最大柱距28.5m，总长136.5m;横向为单跨42m。新厂房内设3台桥式起重机，吊车分别为2台12.5+12.5t的A6工作制桥式软钩吊车和1台45t的A5工作制桥式软钩吊车。厂房结构采用排架体系。厂房柱子为单阶柱，下柱为格构式双肢柱，上柱为实腹式焊接组合工字型钢柱。在每个柱列中部设置柱间支撑，在两端柱间增设上柱支撑。柱顶设置通长柱顶压杆。吊车梁系统：吊车梁采用焊接组合工字型实腹式简支吊车梁，吊车梁采用平板式支座，与柱子连接采用板铰。屋盖系统：屋架采用桁架形式。屋面设置封闭的水平支撑保证其刚度。墙架系统：墙面檩条采用冷弯薄壁C型钢，山墙设置抗风桁架并兼作走道。

2 方案的选定

屋面系统设计方案应根据生产工艺和建筑选型的要求综合考虑材料供应、施工能力、生产维修诸因素以获取较好的经济效益。其具体形式主要取决于屋面材料、天窗形式、钢材供应情况以及施工吊装能力等因素。

屋盖系统按结构体系可划分为无檩屋盖和有檩屋盖两大类。无檩体系方案一般采用屋架上设置刚性屋屋面，屋面板一般采用大型预应力混凝土屋面板或者太空板，有檩体体系方案一般采用屋架上设置钢檩条，屋面板采用压型钢板。有檩体体系的特点为构件重量轻、用料省、运输安装较轻便。一般情况下，轻屋

面采用有檩体系，重屋面采用无檩体系。因此，本工程采用有檩屋盖。

从天窗形式来看，横向天窗布置有上承式和下沉式之分。上承式横向天窗设置于屋架之上，由窗架、挡风板、挡雨片组成;横向下沉式天窗取消了天窗架，充分利用屋架高度高度的空间，间错地将屋面板放置于屋架的上弦和下弦，构成具有通风口的天窗，综合地解决热车间的通风、采光问题。

横向下沉式天窗具有以下优点：

1，排风效率高。横向下沉式天窗与同跨度、屋架间距和排风面积情况下的天井式天窗或纵向矩形天窗（CJ836）相比，天窗的阻力系数较小，排风能力提高18～42帕。

2 采光效果好。横向下沉式天窗孔口为均匀连续布置，厂房内无阴暗死角，采光均匀性好（B=0.87），它的最低照度比纵向矩形天窗（CJ836）的最低照度提高70～80勒克斯。

3，厂房纵向刚度良好。

4，厂房屋盖耗钢量低。

由于利用平行弦起拱屋架间错布置屋面板形成横向天窗，取消了天窗架、挡风板，利用屋架上部拉杆檩条支撑挡雨片，这样原来，充分利用结构构件作为实现建筑功能的载体，减少了部分建筑功能需要的构件，在钢材用量方面有优势。另外，考虑到新厂房与原有厂房相接，在建筑外形、结构形式上宜协调统一，因此，本工程设计采用横向下沉式天窗。

3 结构方案的设计

3.1屋架形式的确定

屋架形式的选择与屋面坡度、天窗形式、与柱子的连接方式、经济指标以及运输和施工等因素有关。本工程屋面坡度为1/20，天窗为横向下沉式天窗。采用下承式钢屋架，见图1。屋架与柱子的连接采用铰接。由于柱子间距分别为21m，24m，28.5m，均大于12m，屋架间距分别为柱间距的一半，采用托架支承中间屋架。

图1 屋架

3.2 檩条形式的确定

屋面檩条形式有实腹式和桁架式两种，实腹式檩条包括：热轧工字钢、槽钢檩条、高频焊接H型钢檩条、冷弯薄壁C型或Z形檩条、蜂窝檩条等。桁架式檩条包括：平面桁架式檩条和空间桁架式檩条等。屋面檩条的布置中，由于冷弯薄壁C型或Z型檩条自身截面特性的，檩条的跨度不宜太大，一般都在12m以内，檩条间距1.5m左右，当檩条的跨度不大于12m时，须通过布置双檩条、加密檩距或增加屋架密度来实现，这样做都不经济。对于柱距≥12m的厂房，现屋面檩条的布置一般采用3～4m的檩距，檩条采用高频焊接H型钢。桁架式样檩条由于制作较费工，且较占空间，不常用。檩条采用高频焊接H型钢实腹构件，檩距及跨度较大时也可以采用空腹式或格构式构件。檩条设计成单跨简支构件，实腹式檩条也可以设计成连续构件。

原有厂房屋面采用的是二合一檩条，檩条侧梁采用蜂窝梁，二合一檩条为将檩条和支撑合在一起组成一个安装部件，可以同时起到檩条与水平支撑的作用，侧梁（檩条）均垂直于屋面。与其他檩条相比，安装速度快，侧向刚度好但是经济指标差。本工程跨度分别为11.5m、12m和14.25m，屋面维护采用压型钢板，故采用高频焊H型钢檩条，构造简单，制作方便，油漆，维护方便。

3.3 支撑的布置厂房的柱网布置、厂房的跨度和高度、屋面材料、屋盖形式、屋架间距、吊车起重量及其工作制、有无悬挂起重运输设备或其它振动设备、地震设防烈度等具体情况综合考虑。

屋盖支撑的作用：

1）、保证屋盖结构的几何稳定性。支撑应将相邻的屋架（或天窗架）构件组成稳定的空间体系，再用檩条以及上、下弦平面内的系杆将其他各屋架与此空间体系相连接，形成几何不变的屋盖结构体系。

2）、保证屋盖结构在水平面内整体刚度和空间整体性。

3）、为弦杆提供侧向支撑，减小弦杆平面外计算长度，保证受压弦杆的侧向稳定和受拉弦杆的足够侧向刚度。

4）、保证结构安装时的稳定。

屋盖支撑的布置，应能保证结构在施工和使用期间的刚度和稳定性，满足使用要求，并能传递风力和地震荷载以及其他水平荷载。屋盖支撑的布置，过去常规的做法是根据厂房的跨度、高度、跨数、吊车吨位等条件，相应布置屋面上弦水平支撑、下弦水平支撑、水平系杆，垂直支撑等。随着厂房柱距的增大，屋面支撑的用钢量也随之增大。合理的屋面支撑布置可有效地减少屋面系统的耗钢量。

屋架的横向支撑为布置在屋架上、下弦及天窗上弦平面，是沿屋架方向布置的支撑。横向支撑一般设在厂房每一个温度区段两端第一个屋架区间内，在有檩屋盖体系中，上弦横向支撑中的受压杆可采用檩条代替。屋架的主要横向支撑应设置在传递排架横梁支座反力的平面内，即屋架为上承式时，应以上弦横向支撑为主;当屋架为下承式时，则以下弦横向支撑为主。同时，屋盖应设置上弦横向支撑以确保屋架上弦的侧向稳定。因次，本工程同时设置上、下弦横向支撑。

屋架纵向支撑为布置在屋架上弦或下弦，是垂直屋架方向布置的支撑。纵向支撑应设在传递排架横梁支座反力的平面内，与横向支撑组成封闭型的支撑框架，以增强厂房骨架的空间刚度。本工程在上、下弦均设置纵向支撑，与横向支撑形成封闭支撑体系。

屋架垂直支撑为布置在屋架间或天窗间（尚应包括挡风架立柱间）竖向布置的支撑。在设有横向支撑的区间内均应设置垂直支撑以形成屋盖结构的空间稳定体。屋架应在端部平面设置垂直支撑。根据垂直支撑布置原则，因为屋架跨度大于30米，所以需要在中部设置2道垂直支撑。

系杆分为刚性系杆（压杆）和柔性系杆（拉杆）两种，布置在屋架上、下弦及天窗架上弦平面内。为保证温度区段内所有屋架受压弦杆在安装和使用阶段的稳定或减少受拉弦杆的长细比，应在厂房两端屋架横向支撑桁架节点间沿纵向设置通长的水平系杆。

当为下沉式横向天窗时，因上屋面是间断的，故每一个天窗单元均应设置上弦横向支撑和垂直支撑以形成各自的稳定体系，否则必须在每个天窗架单元之间设置连系梁，将所有天窗架（即屋架）固定在厂房两端和中部天窗架的上弦横向支撑和垂直支撑上。当有挡雨片时，可利用挡雨片支承梁作为连系梁。

根据以上原则，本工程的上、下弦檩条及水平支撑布置图见图1和图2，剖面图见图3。

从图1和图2可以看出，上、下弦屋面水平支撑均形成封闭支撑体系。与原有厂房相比，改善了结构传力条件，使结构形式更加合理。

图2 上屋面檩条及上弦水平支撑布置图

图3下屋面檩条及下弦水平支撑布置图

图4 剖面图

结语

综上所述，对于此类屋面设计，上、下弦支撑应形成封闭支撑体系，以增加厂房空间刚度和整体性，使结构受力更加合理。同时，经过计算，横向下沉式天窗厂房屋盖耗钢量为60kg/m2，与上承式天窗节约钢材15 kg/m2 ;与横向天窗采用通风器的屋盖系统相比，耗钢量高出约4～6 kg/m2，按目前钢材价格7500元/t来算，折合造价高出30～45元/m2，通风器造价折合250元/ m2，因此，横向下沉式天窗厂房屋盖在整体造价上有优势。另外，本工程在安装过程中发现设计在细节上还有需要改进的地方，如屋架的竖杆，将平行于地面改为平行于弦杆，这样下层屋面檩条的连接将更简便流畅。

横向下沉式天窗厂房屋盖体系传力路径明确，施工简便，用钢量少，因而可以进一步加以推广和应用。