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 本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， 当屋架与柱顶铰接，且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，此时屋架下弦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
2、跨厂房为例， 简述如下：该车间工程数据如下，柱距 6m，柱截面 350500，横梁采用 型钢梁， 下弦设拉杆， 屋架拱高.=1.7m，檩条采用 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，厂房两端有山墙，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 0=0.6kN/m2。经计算后得荷载简图（如图 1） 。 二、荷载 根据本例所给条件，屋面荷载有永久荷载、施工荷载及
3、风荷载三种，计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=0.08KN/m2 檩条自重：0.1kN/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：k=z s z 0 式中：zZ 高度处风振系数，本例取 z=1 s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 s1=-0.9， 背风面 s2=-0.8 z风压高度变化系数，根据本地海平面和地面粗糙度情况取z=
4、1.0 故求得垂直屋面的风荷载标准值分别为： 迎风面：k1=-10.91.00.6=-0.54kN/m2 背风面：k2=-10.81.00.6=-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） 永久荷载与施工荷载组合： q = (1.20.38+1.40.3)6=5.256kN/m 按整体平衡求支座反力：VA=VB=0.5ql=0.55.25618=47.304kN 求拉杆内力：N=ql2/8f=177.39KN =5.256182/81.2=177.39kN 拉杆截面选择：F1=N/=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
5、架拉杆可选用 225（9.28cm2）或 270454（9.11 cm2） 3.2 永久荷载与风荷载组合时的内力计算（见图 4） 荷载单独作用时：永久荷载 q1=1.00.386=2.28kN/m 迎风面风荷载：q2=1.4（-0.54）6=-4.536kN/m 背风面风荷载：q3=1.4（-0.48）6=-4.032kN/m 荷载组合时：迎风面：qy 总 1=q1+q2cos=2.28+（-4.536）0.9939=-2.228kN/m qx 总 1=q2sin=-4.5360.1104=-0.501kN/m 背风面：qy 总 1=q1+q3cos=2.28+（-4.032）0.9939=-
6、1.727kN/m qx 总 1=q3sin=-4.0320.1104=-0.445kN/m 支座反力：由 x=0 得 XA=-0.056kN y=0 得 YA=-18.92kN 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 0.5l?0.25l-N?f=0 N=-66.649kN 所以计算结果为负值，表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 平面内下弦杆的稳定性强度：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
7、的计算长度可为 l01=l/5=3.6m，考虑选用 2755 作为下弦杆，A = 1 4 8 2 m m 2，ix=23.2mm，iy=32.9mm 平面内下弦杆的稳定性：x=l01/ix=3600/23.2=155.2 查 b 类截面稳定系数：1=0.291 此时下弦杆的平面内稳定性强度：N/1A=66.649103/0.2911482=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 l02，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：l02=(l
8、/2+l/5)/2=(18000/2+18000/5)/26000mm 故 y= l02/iy=6000/32.9=182.4 同样，查表得 2=0.219 N/2A=66.649103/0.2191482=205.35N/mm2.=215N/mm2 满足要求 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，本人根据有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
9、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=169.1kN?m， 面积 A=0.30.6=0.18m2， 抵抗矩 W=0.30.626=0.018m3， max(min)=NAMW=52.40.18169.10.018=9685.6kNm2(-9103.3kNm2) maxL0 =(max-min)L L0 =9685.60.69685.6-(-9103.3)=0.309m a =L/2-L0/3=0.6/2-0.309/3=0.197m x =L-L0/3-x0=0.6-0.309/3-0.05=0.447m 刚节点
10、一侧锚栓承受拉力为： T=(M-N?a)/x =(169.1-52.40.197)0.447=355.2N 则受拉区每个锚栓承受拉力为： T1 =Tn =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 =0.8P。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 =0.90.8P。取锚栓直径为 M22，其预拉力设计值
11、为 P =190kN，抗拉承载力设计值为： Nt =0.90.8P =0.90.8190=136.8 kN118.4kN，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=38.1kN，焊缝厚度 hf =10mm，焊缝长度 lw =600mm60hf=600mm，则 = V / ( h e ? l w) = 3 8 . 1 1 0 3 / ( 0 . 7 10 6 0 0 ) = 9 . 0 7 N mm20.7ffw=0.7160=112N/mm2，满足要求。 对于钢梁跨中连接验算，由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
12、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。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 =169.10.7=118.37kN?m 跨中弯距为：M 中 =52.3+169.10.3=103.03kN?m 为了安全起见，验算支座时仍采用刚接弯距，即 M 支 =169.1kN.m，验算跨中时采用调幅后的弯距，即 M 中 =10
13、3.03kN.m，并且跨中接头采用局部加大截面的办法来保证其安全性。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铰接设计时，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，当钢梁与混凝土柱铰接时，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距均较大，故钢梁截面可采用等截面的型钢或变化范围较小的变截面型钢，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
14、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；跨中亦采用加大截面的加强措施，验算时采用支座调幅后的跨中增大弯距，连接材料采用 8.8 级高强度螺栓，但数量较铰接设计时少。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。而钢屋架与混凝土柱刚接设计无论从受力、变形还是从节约材料方面都较铰接设计时好，但由于目前对于刚接设计理论及方法还是不很完善，很多系数也没有统一标准，如刚性连接节点的强度折减系数，钢梁跨中弯矩的调整系数等都是根据以往经验及参考类似工程的标准确定，因此希望能使更多技术人员对这种形式进行研究，创造出更加完美的设计。 参考文献： 1 GB50017-2012钢结构设计规范. 2 GB50009-2001筑结构荷载规范2011 年版. 3 GB50011-2010 建筑抗震设计规范.
