对工业厂房屋面轻钢结构设计的探讨

1、对工业厂房屋面轻钢结构设计的探讨摘要：本文以我国某地的工业厂房为例，对轻钢结构设计进行深入 的探讨。关键词：工业厂房，轻钢结构设计，荷载。中图分类号：tu318文献标识码：a文章编号：一、厂房概况木地地处我国南方沿海地区，受台风影响较大，目前，本地区的轻钢 厂房较多使用混凝土柱钢屋架的形式，而拱屋架又常选用两根圆钢作为拉 杆，当屋架与柱顶较接，口屋面材料又选用轻质压型钢板时，很容易产 生屋面永久荷载小于负风压（吸力）的情况，此时屛架下眩拉杆就会由拉 力变为压力。这时屋架就应进行轴向力的计算，并按最不利荷载组合所产 生的最不利内力，来选择屋架杆件的截面及决定构件的连接方式。现以16m跨厂房为例，

2、简述如下：该车间工程数据如下，柱距6m, 柱截面350x500,横梁采用h型钢梁，下弦设拉杆，屋架拱高二1.7m, 標条采用c型钢，水平间距1. 2m,屋面选用轻质长尺压型钢板做防水材料, 厂房两端冇山墙，现浇钢筋混凝土基础和柱，基础与柱为刚接，柱顶标高 为5. 500m,基础面标高为-0. 500m,屋面恒载为0. 3kn/m2,活载为0. 3kn/m2, 两纵墙均设有条形采光与通风用百页窗，屋面无天窗，无积灰与雪荷载， 厂内无吊车，无大型机械振动设备。本地基风压值o0-0. 6kn/m2o经计算后得荷载简图（如图1）。二、荷载根据本例所给条件，屋面荷载冇永久荷载、施工荷载及风荷载三种， 计

3、算时可参考有关资料进行计算。永久荷载按屋面水平投影的标准值为：压型钢板：0. 08/cos a =0. 08kn/m2標条自重:0. lkn/m2屋架及支撑：0. 2kn/m2合计:0. 38kn/m2施工荷载水平投影标准值为：0. 30kn/m2风荷载：因本厂地处南方，台风影响较大，故屋架计算时必须予以考虑，按结构荷载规范，风荷载标准值为：sk二bz m s u z 3。式中：bzz高度处风振系数，本例取p z=lps 风荷载体型系数，本例依前述条件，取荷载规范体型系数表 项次4 （见图2）,迎风面u sl=-0. 9,背风面u s2二-0. 8u z 风压高度变化系数，根据本地海平面和地面

4、粗糙度情况取u z=l. 0故求得垂直屋面的风荷载标准值分别为:迎风面:wkl=-lx0.9x1.0x0. 6=-0. 54kn/m2背风面:3 k2 二-1 x0.8x1.0x0. 6 二-0. 48kn/m2三、内力计算3. 1永久荷载与施工荷载组合的内力计算(见图3)(1) 永久荷载与施工荷载组合：q二(1.2x0. 38+1.4x0. 3) x 6=5. 256kn/m(2) 按整体平衡求支座反力:va=vb=0. 5ql=0. 5x5. 256 x 18=47. 304kn t(3) 求拉杆内力:n=ql2/8f=177. 39kn =5. 256x 182/8x 1. 2=177.

5、 39kn(4) 拉杆截面选择:f1=n/ o =8. 25cm2在永久荷载与施工荷载组合，不考虑风荷载的情况下，本屋架拉杆可 选用 2025 (9. 28cm2)或 2z70x45x4 (9. 11 cm2)3.2永久荷载与风荷载组合时的内力计算(见图4)(1) 荷载单独作用时:永久荷载ql=1.0x0. 38x6=2. 28kn/m迎风面风荷载:q2=1.4x (-0. 54) x6二-4. 536kn/m背风面风荷载:q3=1.4x (-0. 48) x6=4. 032kn/m(2) 荷载组合时:迎风面:qy 总 1 二ql+q2cos a 二2. 28+ (-4.536) x0.993

6、9二-2. 228kn/m fqx 总 l=q2sin a 二-4. 536x0. 1104二-0. 501kn/m 背风面:qy 总 1 二ql+q3cos a 二2. 28+ (-4. 032) x 0. 9939二-1. 727kn/m tqx 总 l=q3sin a =-4. 032x0. 1104二-0. 445kn/m 支座反力:由工 x二0 得 xa二-0. 056kn z y二0 得 ya二一 18. 92kn i 3.3拉杆内力计算：取屋脊c左边为隔离体（见图5）ya?l/2-fxa-qy 总 0. 51?0. 251-n?f二0n二-66. 649kn所以计算结果为负值，表

7、明该屋架在永久荷载与风荷载共同作用下， 下弦拉杆受压，此时，拉杆应按压杆的稳定来计算和选择材料。四、下弦杆截面选择平面内下眩杆的稳定性强度：为保证杆件在风荷载作用时能有一定 的支撑作用，故考虑在沿下弦杆的长度方向设置吊杆四根(见图6),故下 弦杆的计算长度可为101二1/5二3. 6m,考虑选用2z75x5作为下眩杆，a二 1 4 8 2 m m 2, ix=23. 2mm, iy=32. 9min平面内下弦杆的稳定性：入x二101/ix二3600/23. 2=155. 2查b类截面稳 定系数："1二0.291此时下弦杆的平面内稳定性强度:n/4)1a=66. 649 x 103/0

8、. 291 x 1482=154. 54n/mm2<. =215n/mm2 满足要求。平面外：考虑厂房端跨及中间跨设置有垂直与水平支撑和系杆，中 间其余各跨，沿厂房通长均设有水平系杆，故平面外的下弦杆计算长度 102,按半跨屋架与上述设有吊杆时的计算长度的近似长度平均值选用， 即:102=(1/2+1/5)/2= (18000/2+18000/5)/2 6000mm 故 入 y= 102/iy=6000/32. 9=182.4同样，查表得 e 2=0.219 n/ e 2a=66. 649 x 103/0.219 x1482=205. 35n/mm2<. =215n/mm2 满足要

9、求 五、节点分析钢梁与混凝土柱如何连接才能使该连接尽量接近纯刚接，且施工方 便，是设计的重点，本人根据冇关设计资料及工程经验对钢梁与混凝土柱 刚接作如图7设计。从图中看出，首先将锚栓固定在钢板上，再预埋在混 凝土柱顶上，然后与钢梁的支座钢板用锚栓连接，为了加强其连接的刚性, 将预埋钢板与钢梁的支座钢板焊接。在进行接头处锚栓强度验算时，参考钢柱与混凝土基础刚接的计算公 式，结合刚接钢梁连接板反力分布图(如图8),计算如下：轴力 n=52. 4kn,弯矩 m=169. lkn?m,面积 a二0.3x0. 6=0. 18m2,抵抗矩 w=0. 3x0. 62 / 6=0. 018m3,o max(

10、a min)=n / a±m / w=52. 4/0. 18± 169. 1 / 0. 018=9685. 6kn / m2 (-9103. 3kn / m2)o max / l0 =( o max- o min) / ll0 =9685. 6x0. 6 / 9685. 6-(-9103. 3)二0.309ma =l/2-l0/3=0. 6/2-0. 309/3=0. 197mx =l-l0/3-x0=0. 6-0. 309/3-0. 05=0. 447m刚节点一侧锚栓承受拉力为：t= (m-n?a)/x =(169. 1-52. 4x0. 197) / 0. 447=35

11、5. 2n则受拉区每个锚栓承受拉力为：t1 二t/n =355. 2/3=118. 4kn由于普通锚栓抗拉承载力较低，故采用10.9级高强度锚栓，其理想抗拉承载力设计值为nt二0. 8po由于钢构件接头需考虑附加偏心及温度 作用影响，连接材料强度需乘折减系数。而这里虽然是钢梁与混凝土柱连 接，但其连接材料包括锚栓及连接板等均为钢材，故参考钢梁与钢柱“采 用栓-焊并用连接”时情况，取锚栓强度折减系数为0. 9,因此锚栓实际抗 拉承载力设计值为nt二0.9x0.8p。取锚栓直径为m22,其预拉力设计值 为p二190kn,抗拉承载力设计值为：nt =0.9x0. 8p =0.9x0.8x 190=1

12、36.8 kn>118. 4kn,满足要求。至于连接处的剪力，不考虑用锚栓来承受，而用两侧的角焊缝来承受, 计算如下：剪力 v二38. lkn,焊缝厚度 hf 二 10mm,焊缝长度 lw 二600mniw60hf二600mm, 则t 二 v/(he?lw)二 38. 1 x 1 0 3 /( 0. 7 x 10x 6 0 0)=9 0 7 n / mm2<0. 7ffw=0. 7x 160=112n/mm2,满足要求。对于钢梁跨中连接验算，山于跨中弯距是假设两端支座是刚接的情况 下计算出来的，实际上由于技术上的原因，梁端支座是达不到完全刚接的, 因此计算得出的跨中弯距较实际偏小。

13、为了取得符合实际的跨中弯距，参 考钢筋混凝土框架梁支座弯距调幅的方法，对钢梁计算弯矩进行调整。由 于支座节点处理除采用高强度锚栓连接外，还对连接板进行焊接，其连结 的刚性已较大，但出于安全考虑，调整时刚接系数不能取得太大，因此， 根据以往的工程经验，取支座刚接系数为0.7,则支座弯距为:m 支二 169. 1x0. 7=118. 37kn?m 跨中弯距为:m 中=52. 3+169. 1x0. 3=103. 03kn?m为了安全起见，验算支座时仍采用刚接弯距，即m支二169.lkn.ni, 验算跨屮时采用调幅后的弯距，即m屮=103. 03kn. m,并且跨屮接头采用 局部加人截面的办法来保证

14、其安全性。跨中接头经过计算后设计如图9所 示。当按钢梁与混凝土柱饺接设计时，钢梁与混凝土接头位置按构造每支 座设置4m24普通螺栓。而跨中接头，经过局部加强、计算后设计如图10 所示。总结上述两种计算模式的设计，当钢梁与混凝十柱钱接时，钢梁型钢, 支座位置采用4m24普通螺栓固定，跨中采用加大截面的加强措施，连接 采用8. 8级高强度螺栓，数量较多。而当钢梁与混凝土柱刚接时，由于钢梁支座及跨中弯茨均较大，故钢 梁截面可采用等截向的h型钢或变化范围较小的变截ihjh型钢，在支座验 算时采用刚接时的计算弯距，固接材料采用10.9级高强度锚栓，为了增 强支座的刚接性能，可将钢梁的支座钢板与混凝土柱的预埋钢板周边焊 接；跨屮亦采用加大截面的加强措施，验算时采用支座调幅后的跨屮增大 弯距，连接材料采用& 8级高强度螺栓，但数量较较接设计时少。六、结论综上所述，在设计单层厂房屋架时，特别是遇到风荷载较大、屋面坡度较缓、屋盖采用轻质压型钢板的情况，应按实际情况取值进行轴向力的 分析和计算，并按最不利荷载组合所产生的最不利内力来选择屋架下弦杆 的截面及决定构件的连接方式，不能随便选用圆钢作为下弦杆。而钢屋架