大型轧钢厂房屋面系统方案分析

摘 要：轧钢厂建筑设计是整个轧钢厂设计中最为重要的组成部分之一，而在建筑结构设计中，屋面系统设计方案的合理与否直接关系到工程项目的经济效益，尤其是对于大型轧钢厂而言屋面系统的合理选择更为重要。基于此点，本文通过对大型钢结构单层多跨厂房在相同的工艺条件下，柱距分别为12 m，18 m，24 m三种方案的屋面结构的单位面积耗钢量进行分析，比较，确定出相对经济，合理的屋面形式。

关键词：钢结构 轧钢厂 屋面系统 经济效益

中图分类号：TU27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）3（b）-0085-02

目前，钢结构厂房以其快捷，轻便、结构形式灵活的多种优势在国内外被广泛应用，特别是对我们钢铁行业更具特殊的意义。钢铁行业厂房因为工艺要求，往往需要大跨度、大柱距的结构形式，钢结构能够最大限度的满足这种需求。设计钢结构时，应选择最优建筑方案。在有条件时，应尽可能考虑结构空间体系作用，当将这种体系分为单个平面结构计算时，应考虑相邻构件的共同作用。

钢屋盖结构在工业厂房中得到普遍应用。按结构体系分，屋盖可分为有檩屋盖和无檩屋盖。有檩屋盖又分为简单式和复杂式，由屋面材料、檩条、支撑、屋架（有时还有托架、天窗架及挡风板支架）等所组成，无檩屋盖则不用檩条等屋面构件，屋面板直接放在屋架上。有檩或无檩屋盖的选用，主要取决与屋面材料的类型。

1 统一技术条件

为了比较不同柱距对厂房单位面积用钢量的影响，首先需对厂房规定相同的技术条件。

（1）根据工艺提出的资料，将厂房划分为A，B，C三个区，选取A，B区进行方案比较，

A区共计五跨，为原料跨，跨度30×3+24+30 m。

B区共计两跨，包括：主轧跨，跨度30 m及主电室跨，跨度24 m。

（2）为了简化计算，对炉料跨，主轧跨均采用跨度为9 m的纵向矩形天窗，天窗设至温度伸缩缝区段端部。

（3）建筑物抗震设计烈度为8度，场地土为Ⅲ类场地土。

（4）各跨吊车均按国产定型吊车样本数据计算，钢材均采用国内标准产品。

（5）厂房建筑面积约为13.5万平方米。屋面板采用W-550型压型钢板。为简化计算不采用保温措施。

（6）屋面系统未考虑屋架间设有检修悬挂吊车，由于厂房吊车为重、中级工作制，吊车两侧设有通长的钢走道板。

2 伸缩缝的设置

由于厂房规模较大，纵，横向尺寸较长，且平面形状不规则，需设置横向伸缩缝，将厂房分为几个温度区段，采用双柱缝方案。厂房横向尺寸虽然超过了规范规定的横向温度区段长度，但不设置纵向伸缩缝。设计时控制上柱刚度，并在做施工图时采取措施以释放温度应力。

3 方案比较分析

屋盖结构构件包括：屋架及托架、檩条、天窗架以及相应的屋盖支撑系统。

作用在屋盖结构上的荷载有恒载（屋面重量及结构自重）、屋面均布活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载、吊车荷载及其他荷载。

（1）屋架屋架外形有三角形、梯形、人字形或其他多边形等，外形的选择主要取决于房屋用途、与柱刚接或铰接，以及需要的屋面坡度。本方案为轧钢工业厂房，屋面为压型钢板屋面，屋架与柱铰接，屋面坡度I=1/20故屋架选用人字型平行弦上承式屋架。上撑式屋架主要支撑点在柱头或托架上，连接简单，安装时较为稳定，施工方便，但排架的计算高度略有增加。具体设置如下。

12 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架，屋架间距同柱距。

18 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架，屋架间距同柱距。

24 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架，在24 m之间设一榀钢托架，故屋面设置同12 m柱距。

（2）屋面檩条形式有实腹钢檩条和撑杆式、桁架式及蜂窝梁式檩条，设计中对上述檩条作了综合分析。压型钢板的檩条间距常为3～6 m，应将檩条放置于屋架节点上。

①实腹型钢檩条。

多采用实腹槽钢、工字钢、耗钢量较大，一般用于屋架间距12 m以下的厂房，其单位面积耗钢量约为20 kg/m2。

②撑杆式檩条。

可由型钢拼成，其构造简单、施工方便，一般多用于小型厂房，国内大型厂房较少采用。此种檩条和不起侧向支撑作用的W550压型钢板屋面相配，侧向刚度较差，除上弦外，一般还需在下弦拐角处设置拉条，这种形式的檩条耗钢量约为13.3 kg/m2。

③桁架式檩条。

多用于大型厂房，具有结构合理、受力明确、刚度较大等优点（一般可不设檩间拉条或撑杆），但平面桁架侧向刚度差，当屋架间距较大时，常做成三角式或空间桁架。其主要缺点是构造较为复杂，施工麻烦，且屋面结构较为凌乱，影响美观。这种形式的檩条耗钢量约为12 kg/m2。

④蜂窝梁式檩条。

用焊接H型钢或轧制型钢割制拼成，国内曾多次采用，上海宝钢的一些大型厂房也使用过，有较成熟的理论、实践经验。蜂窝梁式檩条屋面简洁、美观，构造简单。18m柱距方案屋面檩条在靠近上翼缘处设置拉条，即可保证上翼缘稳定，在刚度最小平面内可按连续梁考虑。当然，当采用焊接H型钢蜂窝梁时，经计算，若侧向稳定、强度有保证，可不设拉条，檩条下设隅撑，隅撑与檩条结点尽量与拉条交点统一，隅撑作为连续梁支点。这样，连续梁式檩条截面总高度可控制在300 mm以内。这种截面形式的檩条单位面积耗钢量最低，一般约为9 kg/m2。

本工程推荐采用型钢割制的蜂窝梁式檩条。

（3）天窗架。

天窗结构包括天窗架、天窗架上的檩条或大型屋面板、天窗架的支撑、窗檩、端壁骨架、挡风板及其支架。天窗架一般采用格构式，按其腹杆体系可分为以下几种。

①多竖杆式：由上弦杆、支于屋架节点上的竖向压杆以及斜腹杆组成。这种屋架制作简单，传递给屋架的荷载较为分散。通常用于天窗高度和宽度不太大的情况，否则，竖向压杆的截面较大，数量较多，不够经济合理。

②三支点式：由天窗架侧柱和三角形桁架组成。

③三铰拱式：由两个三角形桁架组成，这种天窗架与屋架的连接点最少，制作简单，运输方便。本工程采用的就是这种天窗架，具体布置如下。

12 m柱距的天窗架、挡风板支架间距与屋架间距相同。18 m柱距天窗架间距设为6 m，其立柱下设置天窗架托架，兼作屋架垂直支撑，此时，尚需在屋架上弦中央节点处设刚性系杆。

（4）屋面支撑。

包括横向支撑、纵向支撑、垂直支撑及水平系杆。本方案设计中除垂直支撑外，其余支撑全部设在屋架上弦平面内。屋架下弦平面外的稳定借助于屋面檩条的隅撑得以保证。温度伸缩区间端部屋面檩条可用桁架纵梁代替，解决端头屋架下弦平面外失稳的问题。

①纵、横支撑。

12 m柱距屋面横向支撑布满温度区间端部柱间。

18 m柱距的横向支撑布置半个柱距的范围，二者的纵向支撑布置范围对于多跨厂房，靠近边列柱时布满两个檩距，靠近中列柱时，不论厂房是否等高，布置在中柱两侧各占一个檩距的范围内。纵横向支撑与屋面檩条，天窗架托架共同组成空间桁架，以加强屋面整体刚度，且有利于安装施工，节约钢材。

②垂直支撑。

屋架、天窗架垂直支撑与柱间支撑对应设置在同一柱间。12 m柱距需在屋架跨度中央设置一道垂直支撑，18 m柱距由于天窗架立柱下有天窗托架，不必设置垂直支撑，只在跨度中央屋架上弦处设置刚性系杆即可。需要指出的是，由于屋架与柱平接，采用上承式结构，故屋架端部不设置垂直支撑，厂房柱间支撑需设至小柱顶部。

4 计算结果及存在问题

（1）各种柱距方案单位面积耗钢量计算结果详见表2，从表中可以看出12 m柱距方案的耗钢量最少，24 m柱距的耗钢量最多，18 m柱距的耗钢量居中。但12 m柱距方案柱子、基础数量多，施工麻烦，进度慢，用于大型轧钢厂房需要多处抽柱才能满足工艺要求，给厂房设计、施工带来很多困难。

24 m柱距方案可以满足工艺要求，厂房整齐、美观，柱子、基础数量少，施工速度快，克服了上述方案的缺点，但耗钢量较多。

18 m柱距方案经工艺局部调整基本上可以满足要求，其优缺点介于以上两个方案之间。

根据上述分析，推荐采用18 m以上柱距方案。

当然，评价一个柱距方案的优劣，还要将地基条件、施工条件等等综合考虑，本文不再赘述。需要补充说明的是，对于大型钢结构厂房，土建模数应考虑工艺要求，要尽量使柱距统一，同跨内两侧对应的吊车梁跨度力求相同，使排架传力明确合理，计算单元简单，加强空间作用整体刚度，简化设计，加强施工速度。

（2）本方案耗钢量比较仅从土建结构角度进行计算的，未考虑工艺要求抽柱及不同天窗形式等因素，因此，单位面积耗钢量偏低，但也基本上反映出不同柱距方案单位面积耗钢量的差异。

（3）由于时间所限，单体构件方案未作广泛比较。比如：屋架形式的选择，屋架上、下弦杆的双角钢方案与“T”型钢方案的比较，18 m柱距方案中天窗架也可以选为9 m间距进行比较等等。上述因素对计算结果将会产生一定的影响。

（4）厂房轻质封墙设置墙皮柱，墙皮柱与吊车梁辅助桁架联系，承担垂直力，其耗钢量受柱距影响甚微。另外，用厂房面积指标衡量墙皮系统耗钢量意义不大。从表2可以看出，两跨厂房与五跨厂房的墙皮系统耗钢量差异很大，带有一定的片面性，仅供柱距方案对比时参考。

5 工业厂房国内外现状

5.1 国外

经济发达的美国50、60年代已大规模建设钢结构工业厂房。它的优点是显而易见的：施工工期短、见效快，运输、拆迁方便，色彩随意。但钢结构厂房造价偏高。

适用条件：具有一定经济实力，国家钢产量达到一定水平。

5.2 国内

我国80～90年代，随着钢产量的增长，逐渐向钢结构厂房方向发展，尤其是现代化的企业，例如宝钢一、二、三期工程。

屋面网架结构也开始在我国大量使用，网架结构的优点是：跨度大、柱距大，抽柱随意，制作及施工工期短，屋面天窗设计灵活，屋面结构整齐，用钢量小。随着网架厂的增多，网架屋面结构形式被广泛利用，其市场价格已降至6000元/吨左右。

首钢2160工程、邢钢高速线材工程，宣化钢铁厂高速线材工程均大面积地使用了网架屋面，而航天部建设的四机库在网架的大面积运用上更是创下了全国之最。

参考文献

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[4]GB50017-2003，中华人民共和国建设部《钢结构设计规范》[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.