工業廠房桁架式檁條的設計

陽青 楊春

(中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

1 概述

工業廠房的屋面系統的傳統做法是屋面梁+實腹式檁條的結構形式，這種結構形式簡單、傳力明確且施工方便。但我們在鋼結構廠房設計中，經常出現因為甲方要求大空間布局而采用大柱距布置，或者是工藝設備布置要求局部抽柱的情況。此時，常規的考慮是增加托架來支撐屋面梁，減小檁條跨度以便設置實腹式檁條，這種做法缺點就是耗鋼量較大而且施工安裝較麻煩。為了節約工程投資，提高施工效率，因此采用新型的結構形式來取代這種常規的托架做法，成為當今大柱距鋼結構廠房設計的一種趨勢。

桁架式檁條是近年來新出現的用于大跨度屋面系統的空腹式結構形式，其主要應用是在民用的大型超市、倉儲中心、物流中心等大空間建筑物上，在工業廠房領域應用較少。這種結構形式的優點是經濟高效，施工安裝方便，有益于廠房整體結構剛度的均勻完整。

桁架式檁條分為平面桁架式和空間桁架式兩種。

1)平面桁架式又分為兩類:一類由角鋼和圓鋼組成;一類由冷彎薄壁型鋼組成。由角鋼和圓鋼組成的檁條構造簡單，受力明確，但側向剛度較差，需要與屋面材料、支撐等組成穩定的空間結構。適用于屋面荷載或檁距較小的屋面。由冷彎薄壁型鋼組成的檁條平面內外剛度均較大，適用于大檁距屋面，見圖1。

圖1 平面桁架式檁條

2)空間桁架式檁條:檁條橫截面呈三角形，由3片平面桁架組成一個完整的空間桁架體系。它的特點是結構合理，受力明確，整體剛度大，不需要設置拉條，安裝方便。但制作費工，用鋼量較大。適用于跨度、荷載及檁距均較大的情況，見圖2。

桁架式檁條的截面高度一般為跨度的1/12～1/20，檁距根據屋面板的板型及承載最大跨度確定。

2 工程實例

2.1 工程概況

紅鋼新建小型熱軋車間工程，該工程位于云南省紅河州蒙自市紅河鋼廠，為EPC總承包項目。主廠房建筑面積27568 m2，鋼結構廠房。廠房主體結構為鋼排架，主跨一共2跨，局部附加一毗跨形成3跨，跨度為30 m，27 m及18 m。柱子系統為鋼管混凝土格構柱，基本柱距15 m，另外在設備需要大開間布置的區域，局部抽柱形成18 m及24 m的大柱距。柱頂檐口標高為22 m左右。廠房內各跨均布有吊車，起重量32 t～25 t，A6和A5工作制，鋼吊車梁系統。屋面系統主結構為鋼屋架，次結構為桁架式檁條。墻面系統為墻皮柱+冷彎薄壁C型鋼檁條布置。當地基本風壓0.3 kPa，基本雪壓為 0。

圖2 空間桁架式檁條

2.2 結構計算及方案對比

此項目因土建投資預算較低，因此控制廠房鋼結構含鋼量，降低造價成為重中之重。根據建筑彩板板型要求，檁條檁距為3 m，檁條荷載計算取值如下:

恒載:屋面彩鋼板 0.12 kN/m2，屋面支撐 0.08 kN/m2，合計0.20 kN/m2。

活載:不上人屋面 0.5 kN/m2，灰荷載 0.2 kN/m2，吊掛荷載0.2 kN/m2，合計 0.9 kN/m2。

風載:計算風壓為 －0.18 kN/m2。

因風壓較小且為負值，其作用效應對結構有利，所以不考慮風荷載的組合。再因活載值大于恒載值，活載起控制作用，所以計算工況取1.2×恒載+1.4×活載的組合。上弦桿長細比按150控制，下弦桿長細比按300控制，計算軟件用PKPM2010的鋼結構桁架模塊計算。

根據計算結果，以15 m跨度為例，實腹式檁條每平方米計算含鋼量大約為13 kg/m2，而桁架式檁條只有8 kg/m2，桁架式檁條比實腹式節約30%以上的鋼材。而且檁條自重的減小，也會使屋架計算時檁條部分的恒載減小，屋架自重比用實腹式檁條時減少10%左右。

綜合對比發現，采用桁架式檁條，整個屋面系統含鋼量比采用實腹式檁條減少約35%，優化效果明顯。

本工程桁架檁條高度取1.3 m，初始方案為上弦采用焊接H型鋼，下弦采用焊接T型鋼，腹桿采用單角鋼。上弦桿上作用荷載為屋面彩板傳來的均布荷載，節點處有負彎矩，節間跨中為正彎矩，所以上弦桿為一壓彎構件。考慮到這一點，上弦桿最開始先采用H型截面，因為H型對稱截面正負彎矩作用處的抵抗矩相同，比T型截面容易利用桿件強度，節省鋼材。下弦桿采用焊接T型鋼是因為腹桿與下弦桿焊接時可以直接焊在T型鋼腹板上，可以節約節點板的重量。然而最終方案是上弦桿和下弦桿均采用雙角鋼T型組合，原因是桁架檁條上下弦截面太小太薄，市面上沒有成品軋制構件，只能焊接加工。而焊接加工時構件變形嚴重，導致制作廢品率偏高，只能采用成品角鋼制作。上弦桿采用雙角鋼T型組合比采用H型鋼耗鋼量要大10%，但施工制作方便，節省加工費用。

2.3 檁條連接節點構造

1)檁條與屋架的連接:為了施工的方便，檁條一般與屋架上弦桿采用搭接構造。檁條上弦桿端部設置T型板支座搭在屋架上弦，支座底板與屋架上弦桿翼緣焊接，見圖3。檁條下弦桿與屋架豎向腹桿平接，見圖4。

圖3 支座底板與屋架上弦桿翼緣焊接示意圖

圖4 檁條下弦桿與屋架豎向腹桿平接示意圖

2)檁條與支撐的連接:檁條的支撐系統與屋架的支撐系統是一樣的，為了保證檁條上下弦桿的穩定，桁架上下弦桿平面內必須設置檁間直拉條。檁條上弦桿為壓桿，計算長度為兩個相鄰節點間的節間長度，所以上弦桿每個節點處平面外均設置支撐桿。支撐桿采用張緊的圓鋼或單角鋼。上弦平面在屋脊和檐口處還應設置斜支撐，將風傳來的水平荷載傳遞至屋架上，斜支撐通過節點板與檁條上弦角鋼直接焊接。檁條下弦桿為拉桿，平面外計算長度按鋼結構規范中的最大容許長細比來控制，因此拉條的設置位置可以不需要按照上弦桿那樣每個節點都設，僅需要按照容許長細比控制的平面外長度來設置即可。此外，在屋脊和檐口處，第一、第二根檁條之間，上下弦桿均有直拉條的位置應設置垂直支撐，以構成封閉的支撐系統。同時，在屋面橫向氣樓兩側支座下方，也需增加檁間垂直支撐。斜支撐采用∠50×5的單角鋼，直支撐采用∠70×6的單角鋼，拉條采用φ14的圓鋼。支撐系統設置及連接節點見圖5。

圖5 檁條及支撐布置圖

圖6 檁條連接節點構造

3)檁條兼作屋架平面外支撐時的連接:為了保證屋架平面外的穩定，減少屋架弦桿平面外的計算長度，一般屋架上下弦都會設置垂直支撐和剛性系桿來保證穩定。桁架式檁條上弦桿與屋架上弦桿搭接焊接，正好成為屋架上弦的剛性系桿。檁條的下弦桿與屋架腹桿平接，可在檁條下弦第一節間的節點處增加一根隅撐與屋架下弦焊接。構造詳見圖6。

2.4 桁架式檁條的優缺點

2.4.1 桁架式檁條的優點

1)經濟性好，相比于同跨度的實腹式檁條，耗鋼量能節省30%左右。2)自身剛度好，承載力高，在結構體系中能身兼數職。既能當屋面梁的平面外剛性系桿，又能兼作屋架的縱向垂直支撐，使整個屋面體系簡潔明快。普通屋面梁平面外剛性系桿均為圓鋼管，但柱距超過12 m后，圓管由于長細比增大而出現在自重作用下下撓變形，進而承載力降低。假如為抵抗變形而增大圓管截面的話，又非常不經濟，此時，采用桁架檁條可以解決這方面的問題。對屋架縱向垂直支撐來說，桁架檁條正好可以兼作此構件。只要將檁條下弦桿附加一根隅撐與屋架下弦連接，就可以達到垂直支撐保證屋架下弦桿平面外穩定的效果。

2.4.2 桁架式檁條的缺點

1)構件平面外剛度較差，需要較多支撐構件保證其穩定，增加了施工安裝的工作量。2)構件較柔，堆放、運輸和吊裝時要注意保護，否則容易產生較大變形而影響安裝和使用。3)構件截面高度較高，在有凈空要求的廠房內會被動要求提高整個廠房的高度，造成柱子系統及墻皮系統的材料量增加。

3 結語

桁架式檁條作為一種新型的結構形式，已經廣泛應用于各種類型的大跨度建筑。對于大柱距的工業廠房，通過合理的結構布置，充分利用桁架式檁條的優點來簡化結構體系，達到經濟高效的目的，已經逐漸成為工業廠房設計的主流趨勢。

［1］汪一駿，顧泰昌，鋼結構設計手冊編輯委員會.鋼結構設計手冊(上冊)［M］.第3版.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［2］唐 潮，唐華英.桁架式檁條在鋼結構廠房中的應用［J］.鋼結構，2009，24(7):35-36.