大开间工业建筑次结构设计研究

【摘 要】以某大开间轻钢结构厂房建筑为例，通过对不同檩条结构系统特点的研究，确定了本工业建筑的次结构设计方案，详述了次结构荷载选用以及高频焊檩条、桁架式檩条（薄壁冷弯构件和角钢构件）建模等简化分析方法。从经济方面对比分析了优化前后设计方案。研究结果表明，优化后的设计方案具有更好的经济效果。研究结果为类似轻钢结构设计提供参考。

【关键词】大开间；轻钢结构；次结构；设计

Study on design of Secondary Structure of Large Bay Industry Building

Wei Ling-ping

（Hebei Jiu Yi Zhuang chen engineering design co.， LTD，Shi jiazhuang，Hebei， 050031）

【Abstract】Taking large-bay Light steel structure factory building for example， through study of purlins structural system to determine the secondary structure of the industrial building design， detailing structural load times and choice of high-frequency welding purlins， truss purlin （thin-walled cold- formed components and angle member） modeling simplified method. Comparative analysis before and after optimization design on the economic aspects .The results show that the optimized design has better economic results. The results provide the reference for the similar light steel design.

【Keywords】large bays， light steel structure， sub-structure， design

前言

随着建筑材料的不断革新，钢结构作为一种新兴的结构形式以其强度高、自重轻、施工方便等优点被工业与民用建筑领域广泛采用。檩条是有檩屋盖体系和墙架结构中的主要构件，并且比重大约占总用钢量的20%左右，是继主钢架后的第二大钢用量构件。钢檩条的种类有实腹式檩条、空腹式檩条等不同的檩条方案用钢量不同。对于目前动辄上万平米甚至可以达到几十万平米的工业厂房来说，科学合理的设计方案能够节约大量的钢铁资源并且带来可观的经济效益[1-3]。

本文就钢结构工业厂房设计中钢檩条选用时类型的选择、荷载的选用以及设计方法的优化等几个相关问题进行分析探讨，为钢结构工业厂房设计提供参考。

1.钢檩条的种类及特点

按照檩条截面形式不同，钢檩条可以划分为分为实腹式、空腹式和桁架式檩条等。不同的檩条体系建筑结构的受力特点和强度特性不同，常用的几种檩条体系的特点如下[4-5]：

常用实腹式檩条的截面形式：

（1）实腹式檩条

实腹式檩条的跨高比，一般取35～50，截面宽度可由截面高度h和所选用的型钢规格确定。常用的有：槽钢檩条、H形钢檩条、卷边槽钢檩条、角钢檩条、组合槽钢檩条等。普通的槽钢檩条较为厚重，在实际应用中钢材的强度特性往往不能发挥，而造成钢材利用效率低；轻型槽钢虽然在上述方面做了改进，但是在应用中效果也不够理想；而卷边槽钢檩条、卷边z形钢檩条和组合槽钢檩条在用钢量方面要优于普通槽钢，并且受力性能也得到了很大提高；高频焊接H形钢是一种轻型型钢，具有腹板薄，抗弯刚度好，两对称轴方向的惯性矩比较接近，翼缘板平直，易于连接等优点。

（2）空腹式檩条

空腹式檩条的上下弦由角钢组成，中间以缀板连接，由于其空腹式构造，截面惯性矩和回转半径大，因而能充分利用钢材的强度，达到节约钢材的目的。空腹式檩条的优点之一是能充分利用小角钢（上、下弦）和薄钢板（缀板），缺点是缀板间距较密，拼接和焊接的工作量较大。另外，该种檩条侧向刚度较差，因此应用受到一定限制。

2.荷载的选用及内力分析

2.1 荷载的选用

一般地作用在檩条上的荷载主要恒荷载、施工或者检修过程中出现的活荷载、屋面均布活载（按投影面积计算）以及风荷载和屋面雪载等。

屋面檩条所承受的恒荷主要包括檩条的自重和屋面板、屋面保温拉条等的重量以及檩条上的悬挂管道吊顶等。这些荷载拉条等结构的自重均以集中荷载传到檩条上面，而某些荷载如屋面自重以均布方式加至檩条的，通常以是以平均面载kN/m2 方式输入。

风荷载对轻型房屋钢结构的作用非常明显。因此，风荷载的正确选取对于檩条的合理设计至关重要。我国现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012）规定风荷载计算中的 乘以1.05采用。对于高度超过10m处的檩条应按相应高度考虑不同的风荷载高度变化系数。

雪荷载在轻钢结构建筑的设计中也同样不能忽视。对于雪荷载较大的地区，考虑到雪荷载有时会远超过轻型屋盖自重，此时仍采用雪荷载分项系数为1.4。对于坡屋面以及屋盖结构的可靠性等方面基本雪压和雪压分布系数都要做相应考虑。

2.2 内力计算

（1）强度计算

根据相关规范，檩条强度需要满足条件为：

（1）

式中： 、 为檩条跨中关于x 轴和y 轴的弯矩设计值； 、 为截面塑性发展系数； 、 为对x 轴和y 轴的净截面抵抗矩； f 为钢材的抗弯强度设计值。

（2）刚度计算

根据相关规范，檩条刚度需要满足条件为：

（2）

式中： 为荷载标准值沿主轴y 方向的分量； l 为檩条的跨度； E 为钢材的弹性模量； 为截面关于x 轴的惯性矩； 受弯构件的挠度限值。

3.工程实例分析

3.1工程概况

本工程位于石家庄市，拟在地块内新建机械工厂，主厂房：总长度为194m，总宽度为170m，由数个结构单体组合而成。建筑面积为36975㎡，占地面积32993㎡，为单层钢结构建筑，厂房外形轴线尺寸为192.3169m，柱距为12m，跨度为24m（多跨），如图1所示。

主体结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计地震分组第一组。

图1 现场照片

3.2 荷载取值

恒载根据《建筑结构荷载规范》附录A中常用材料和构件的自重按对结构最不利情况计算。

基本风压0.40 kN/㎡，地面粗糙度为B类。

基本雪压0.35kN/㎡

3.3 钢檩条设计方案及计算

（1）方案选择

本项目最初屋面檩条设计方案为全部高频焊H型钢檩条（规格见表1），墙架柱为H型钢，如图2所示。由于当地风荷载较大，在方案设计时需要加大构件截面来确保结构稳定，由此造成建筑用钢量增加设计方案不经济。通过对原始设计方案进行优化设计，将高频焊H型钢檩条（除天窗架外）部分进行了欧本桁架式檩条和皮特森桁架檩条设计。优化后的钢檩条布置方案见图3所示，采用的檩条规格见表2。

图2 原檩条设计方案图

图3 优化后檩条设计方案

表1 原方案规格表

编号 型号 材质

LT-1 高频焊接 H350×175×4.5×6.0 Q345B

LT-2 H400×250×8×14 Q345B

LT-3 高频焊接 H350×175×6.0×8.0 Q345B

表2 优化后方案规格表

编号 型号 备注

LT-1 R600K4 桁架檩条

LT-2 H400×250×8×14（Q345） H檩条

LT-3 R600K6 桁架檩条

（2）计算分析

高频焊H型钢檩条简化为连续梁问题，需要对截面的弯矩以及H型梁的稳定性等进行计算控制跨支座最大负弯矩为 ，受压区计算长度0.61l2.计算得出第二跨支座的的最大负弯矩为-110 kN。

欧本钢檩条桁架系统结构较为复杂，一般采用MTS钢结构系列设计软件—Opentool进行计算设计。屋面桁架檩条跨度为12000mm， 高度为600mm， 分段数为16，屋面坡度f/L为0.03，檩条间距为2000mm，上弦侧向支撑间距为4000mm，下弦侧向支撑间距为4000mm。通过Opentool软件计算得出上弦杆件强度σ=108843/933.545+186293/9602.84+ 171568/20275.5=144.452 N/mm2

通过皮特森钢桁架辅助选型设计软件最终跨度=12000mm，高度=600mm，自重15.00Kg/m，极限承载=3.70KN/m，L/360条件下变形承载=2.36KN/m左支座向上最大反力=21.300KN，向下最大反力=0.000KN 右支座向上最大反力=21.300KN，向下最大反力=0.000KN跨内最大弯矩=63.900KN.m，位置=6.000m，跨内最大剪力=21.300KN，位置=0.000m，应力比=0.959，最大挠度=50.1mm，最大挠跨比=1/239，使用状态下挠度=31.1mm，挠跨比=1/386。

由于计算内容很多，这里不详细叙述欧本桁架檩条和皮特森钢桁架檩条端腹杆、直腹杆以及跨中挠度的计算结果。

通过两种方案的用钢量进行对比分析，全部采用高频焊H型钢檩条，每平米用钢量7.36 kg，而采用优化方案最终用钢量为每平米5.21 kg，从经济、美观以及实用的角度出发优化后的方案更为理想。

4.结语

本文对以大开间轻钢结构厂房建筑为例，通过对不同檩条结构系统特点的研究，确定了本工业建筑的次结构设计方案。对大开间钢结构工业建筑何在选取以及结构计算等方面进行了详细分析。并对优化前后设计方案进行了对比分析，体现了优化方案的经济效果。钢结构建筑不仅要考虑建筑本身的强度以及安全，经济指标也是需要综合考虑的因素之一，通过对实际大开间工业厂房设计方案的对比分析表明，采用桁架钢檩条在一定程度上可以节约经济成本并且同时能够提升建筑的空间美感。通过大开间工业建筑此结构体系的合理选用，充分利用桁架式檩条的优点来简化结构体系，是未来高效、经济设计的主流趋势。

参考文献

[1] 唐潮、唐华英.桁架式檩条在钢结构厂房中的应用[J].钢结构，2009，24（ 7） ： 35～36.

[2] 汪一骏、顾泰昌，钢结构设计手册编辑委员会.钢结构设计手册（ 上册）[M].第3 版.北京： 中国建筑工业出版社，2004.

[3] 陈友泉等.轻钢结构中Z 型连续檩条设计问题的探讨[J].建筑结构，2003，33（ 7） ： 16～19.

[4] 黄玲、张少钦. 基于新规程的轻钢结构檩条的截面选取[ J].南昌航空工业学院学报，2005， 19（ 3） ： 65～69.

[5] 宋曼华.钢结构设计与计算[M].北京： 机械工业出版社， 2001.

_____________________

【文章编号】1006-2688（2013）08-0047-03

【作者简介】未丽平（1980-），女，本科，工程师，主要从事建筑结构设计工作。