大跨度工业厂房屋面结构设计

大跨度工业厂房屋面结构设计

段晓伟

中色科技股份有限公司 洛阳市 471039

摘要：在现代化工业厂房建设中，经常会使用钢结构，钢结构设计是否合理就对其工业厂房的使用安全性和寿命有所影响。因为轻钢结构自身有着强度高、自重轻、塑性和韧性良好的特点，在建筑工程中得到广泛应用，可以对其施工难度进行降低，进一步缩短施工的周期。特别是在工业化厂房的屋面中，轻钢结构的应用更为普遍，下面就从作者实际工作经验入手，探究大跨度的工业厂房屋面轻钢结构的设计，希望对有关从业人员带来帮助。

关键词：工业厂房；屋面轻钢结构；设计；探讨

1 工业化厂房的工程概述

以某工业厂房为例，该工业厂房主要为混凝土柱钢屋架结构，柱间距为6米，截面为35cm*50cm，梁为h型钢梁，在梁的下串处设置拉杆。屋架拱高为1.7米，间距为1.2米的c型钢作为檩条。屋面防水材料为轻质长尺度压钢板，屋面恒载、活载0.3kN/㎡，局部基本风压0.6kN/㎡。

2 大跨度工业厂房轻钢屋面结构的设计原则分析

2.1 对结构形式合理选择

工业厂房的轻钢屋面结构主要是应用了钢筋混凝土框架结构、桁架结构等形式，依据实际情况合理选择。通常钢筋混凝土框架结构是一种经济实用的结构形式，其稳定性及其承载力比较强。

2.2 对结构材料合理选择

在混凝土柱的轻钢屋面结构中，混凝土柱选择则是满足其耐久性、稳定性和强度的要求，轻钢屋面选择还需充分考虑材料质量和施工方便的特点。并且注意两种材料连接方法，有效保证结构稳定性及其整体性。

2.3 对结构系统的合理布置

轻钢屋面结构设置应结合其结构稳定性和整体性的特点。横向稳定系统与纵向稳定系统应在考虑范围内。在横向稳定系统钟，应用桁架、加强梁的方法，在纵向稳定系统中，便可应用桁架结构、加强柱方法。

2.4 对结构荷载的合理计算

在计算轻钢结构的屋面结构荷载力的时候，应依据国家标准，考虑工程现场实际情况进行综合计算。荷载计算结果需要考虑其结构承载力、安全性和稳定性。

2.5 对结构节点的合理设计

轻钢屋面结构节点应充分考虑其材料性能、连接方法，节点的设计需对其结构稳定性和整体性要求进行满足，且考虑施工过程便利性，有效确保结构可靠性和可行性。

3 工业化厂房的屋面轻钢结构设计要点分析

3.1 对荷载的计算

在工业化厂房屋面轻钢结构设计环节，还需有效确保轻钢结构承载力较强，对荷载要求进行满足，保证屋面轻钢结构正常使用，还需计算其荷载。

屋面荷载是由永久荷载、风荷载、施工荷载所组成，永久性的荷载包含檩条自重、屋架、支撑自重、压型钢板自重。其标准主要是依据屋面水平的投影标准值进行计算，主要有：0.1kN/㎡、0.2kN/㎡、0.08kN/㎡，合计为0.38kN/㎡。

所以该地区的风力比较大，有台风影响，应对其风荷载进行重点考虑。结合本地实际的情况，选择1.0，所以和屋面垂直风荷载的标准值在迎风面和背风面是-0.54kN/㎡和-0.48kN/㎡，而施工荷载取水平投影的标准值，主要是0.30kN/㎡。

3.2 设计连接方法

屋面钢梁和混凝土柱之间连接方法有下面两种，在屋面跨度比2.4米低的时候，最好是应用铰连接方法。在跨度超出2.4米的时候，最好是应用刚连接方法。两种连接方法中的铰连接方法容易实现，因为混凝土和钢材在材质性能和施工条件方面有着一定差异，刚连接实现难度较大。所以在轻钢结构的设计环节，刚连接的实现方法如下：第一，混凝土柱顶设置短钢柱，在这个节点位置完成刚连接。第二，在混凝土柱的四周进行预埋20毫米的厚度钢板，经过钢筋连接其钢板，进而形成混凝土和钢板统一的整体，钢梁能够直接焊接在钢板上，进而实现刚连接。

3.3 设计受力构件

在工业厂房屋面轻钢结构设计中，应力构件是屋面承载力的决定性因素，屋面轻钢结构的可靠性直接关系到应力构件主要有檩条、支撑和钢梁等，需要做好应力构件的设计工作。

第一，对于檩条的设计，轻钢结构檩条有结构型和实腹型两种，前者常用底撑型、空间桁架型和平面桁架型，适用于跨度大于9m的屋面檩条;后者主要包括槽钢、h型钢、轧制C型或Z型冷弯薄壁钢等，适用于檩条跨度9m以下的屋面。在檩条设计中，通常采取单跨简支构件设计，在檩条长度为4-6m时，需要在中间部分设计支撑或支撑;对于长度超过6米的檩条，平均需要两个杆或支撑;若采用结构型，檩条高度宜为长度1/12-1/20，实腹型，檩条高度宜为长度1/35-1/50。

檩条荷载主要是自重、风荷载、雪荷载和屋面恒活荷载，在活荷载取值范围内，在檩条距离< 1.0m、雪荷载< 0.5kN/㎡的情况下，需要验证檩条承载力;对于实心腹檩条，有必要对其变形、稳定性和强度进行校核。如果顶板维护结构可以阻挡檩条的侧向位移和扭转，则无法检查檩条的整体稳定性。

第二,轻钢结构屋顶,如果使用自攻螺丝连接檩条和屋顶板,侧向位移不会发生,然而,有防水能力差,低温应变能力问题,实用性很低。

在目前的屋面板中，通常采取隐藏式按钮连接，通过支架将面板与檩条连接起来，随着温度的变化，屋面板会自由滑动，防止热胀冷缩造成的变形问题;但也由于屋面板的自由滑动，不可能对檩条的扭转和横向运动施加有效约束，受荷载影响，檩条将承受压力，应设置在檩条高度上1/3处，以保持檩条上翼缘的稳定。另外，如果有强风荷载时，各种荷载的合理受力主要部位是下翼缘，仅靠上翼缘支撑是无法保证下翼缘的稳定性的，因此有必要同时在檩条高度的下1/3处设计拉条，以提高整个檩条的横向稳定性。

第三，对于钢梁的设计，从上面可以看出，钢梁与混凝土柱顶之间有两种连接方式。在不同的连接形式下，钢梁的截面形式和受力情况也不同。因此，在设计钢梁时，有必要根据具体情况设计合理的钢梁。其中，铰连接应按两端小截面、中间大截面设计;对于刚性连接，截面应按1:2:1的比例对称划分，靠近混凝土柱和中间跨距的1/8截面应由大到小制成可变截面，其余部分划分为小截面。

在钢梁设计中，还需要对钢梁的变形、稳定性和强度进行校核，变形校核计算是指《钢结构设计规范》要求的挠度范围;通过加筋、拉杆等结构措施来完成稳定。根据相关公式进行强度校核计算。对于两端刚性连接的钢梁，由于节点处存在剪力和弯矩，还需要对梁腹板高度和边缘应力进行校核。

第四，接缝也是影响受力构件的重要因素，要做好接缝的设计，主要是钢梁、钢梁与混凝土柱之间的连接点。为了便于构件的运输和安装，12m以下的钢梁应在加工现场焊接，并在现场吊装，以减少高空作业的风险。对于12m以上的钢梁，连接方式多采用摩擦型高强度螺栓。在接头设计中，应根据实际情况选择螺栓连接或焊接连接方式，并进行弯剪校核计算。

第五，支撑系统设计中，支撑系统是屋顶上轻钢结构安装使用的重要保证，主要有水平水平支撑、拉杆和角钢支撑，其中，水平支撑设置在温度范围的末端一间和两间房，间隔以30-60cm为宜，使用的材料以交叉角钢、张力圆钢为主;每个房间应设置拉杆，多采用成型钢管;角撑布置在钢梁两侧，对称分布，间距3.0m，采用单角钢。

结束语:

结合以上分析得知，在社会经济迅速发展，市场对工业化产品需求也在明显增加，工业化生产任务的增加，工业厂房建设就成为建筑行业一部分。轻钢结构是建筑行业最为常见的一种，有着安装方便和强度高的优点，在工业厂房的屋面中，其有着重要作用。所以还需深入分析其工业化厂房的屋面结构设计，进而实现对设计水平进行提升。

参考文献：

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