某造船廠屋面托架設(shè)計(jì)

徐萬(wàn)芹 陳利英

摘 要 本文對(duì)某30米開間造船廠的屋面托架系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。主要內(nèi)容包括：廠房主體結(jié)構(gòu)概況、屋面結(jié)構(gòu)布置、屋面托架計(jì)算、托架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 大開間 屋面托架

1 工程概況

東北某造船廠分段組裝車間，建筑面積約71500平方米，軸線長(zhǎng)485.5米，軸線寬178米，最高處檐口標(biāo)高42.5米，行車最大噸位300噸，最大開間30米。該車間平面布置分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)，標(biāo)高±0.000以上承重結(jié)構(gòu)全部采用鋼結(jié)構(gòu)，柱為實(shí)腹式H型鋼格構(gòu)柱，吊車梁為焊接H型鋼吊車梁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為輕鋼壓型鋼板，屋面梁采用大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)體系。

下文僅以B區(qū)為例，介紹本工程的屋面托架設(shè)計(jì)。B區(qū)建筑面積約2.5萬(wàn)平方米，為五跨連續(xù)（2x30m+25m+2x30m），行車最大噸位為300t，開間30米，檐口標(biāo)高最高為42.500m。

2 設(shè)計(jì)技術(shù)條件[2，3]

1、恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.50KN/m2（包括屋面板、屋面檁條、屋面支撐系統(tǒng)等）；

2、活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.50KN/m2（不上人屋面）；

3、基本風(fēng)壓：0.65KN/m2，地面粗糙度為A類；

4、基本雪壓：0.40KN/m2；

5、抗震設(shè)防烈度7度，基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防類別為丙類，場(chǎng)地類別為Ⅲ類；

6、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年。

3 B區(qū)屋面結(jié)構(gòu)布置

B區(qū)剛架開間為30米，在每個(gè)開間范圍內(nèi)間距10m設(shè)兩榀抽柱屋架，托架兩側(cè)縱向水平支撐沿托架兩側(cè)通長(zhǎng)布置，橫向水平支撐則按間距60米布置。

根據(jù)托架構(gòu)件的截面形式，托架一般可以分為單壁式托架和雙壁式托架兩種[1]。本工程跨度、恒載、風(fēng)壓均比較大，為了有效抵抗扭轉(zhuǎn)，選用了雙壁式托架。

本工程托架采用上承式，上下弦桿均采用實(shí)腹H型鋼，托架高度取跨度的1/10，為3米。為傳遞風(fēng)荷載，減少托架撓度，增加縱向柱列剛度，托架下面設(shè)置了八字撐。此時(shí)托架除按超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算外，對(duì)吊車梁制動(dòng)結(jié)構(gòu)及連接尚應(yīng)能承受八字撐傳來(lái)的水平拉力，同時(shí)還應(yīng)控制相關(guān)地基差異沉降[1]。

4 托架計(jì)算

托架計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM-STS系列。

4.1 托架截面材質(zhì)采用Q235B，其中上下弦采用熱軋H型鋼，腹桿采用熱軋角鋼，計(jì)算時(shí)凈截面與毛界面的比值取0.85。

托架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

4.2 托架主要承受抽柱屋架傳遞的豎向力，及山墻風(fēng)荷載的縱向力。縱向風(fēng)荷載通過(guò)托架及托架下的八字撐傳遞到下部格構(gòu)柱，因托架水平剛度較大，縱向風(fēng)荷載對(duì)托架的影響很小，因此計(jì)算托架時(shí)采用簡(jiǎn)化模型，不考慮山墻風(fēng)荷載的作用。抽柱屋架風(fēng)荷載傳遞到托架的風(fēng)吸力對(duì)托架而言是有利的，也暫不考慮，但計(jì)算時(shí)上下弦均按受壓桿件控制長(zhǎng)細(xì)比。

抽柱屋架按30米一跨，一端簡(jiǎn)支一端滑動(dòng)計(jì)算，抽柱屋架的軸力即水平力，通過(guò)屋面縱向支撐傳遞到相鄰剛架。根據(jù)計(jì)算查得抽柱屋架傳給托架的反力為：

F恒=113KN，F(xiàn)活=75KN

托架位于屋面中間位置時(shí)，承受兩跨屋面梁荷載，因此托架計(jì)算時(shí)恒活荷載分別按集中力226KN，150KN輸入。

其中上下弦平面外計(jì)算長(zhǎng)度取抽柱屋架的間距，按10米計(jì)算。每榀抽柱屋架下有一根墻架柱，墻架柱下端與吊車輔助桁架連接，通過(guò)吊車制動(dòng)桁架（或制動(dòng)板）傳遞水平風(fēng)荷載，墻架柱上端與抽柱屋架連接，上端風(fēng)荷載直接通過(guò)屋面梁傳遞到縱向水平支撐，在通過(guò)縱向水平支撐傳遞到主剛架柱上。

4.3電算結(jié)果如下：

（1）、正應(yīng)力及平面內(nèi)、平面外穩(wěn)定應(yīng)力均不超過(guò)0.55，有一定的安全儲(chǔ)備，滿足規(guī)范要求[4]。

（2）、桁架受壓桿件長(zhǎng)細(xì)比控制為120，受拉桿件長(zhǎng)細(xì)比控制為350，經(jīng)計(jì)算所有桿件長(zhǎng)細(xì)比均未超過(guò)80，滿足規(guī)范要求[3，4]。

（3）、托架撓度為26.1mm，26.1/30000=1/1150<1/400，滿足規(guī)范要求[4]。

（4）、桁架采用上承式，下弦桿兩端為零桿。

5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

5.1 托架上下弦桿與柱連接節(jié)點(diǎn)

托架上弦桿與柱連接節(jié)點(diǎn)需要承受水平拉力及豎向剪力，為了減小偏心荷載，托架上弦桿與剛架上段柱的連接采用了端板連接方式，直接與柱腹板連接。

這種節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)有三點(diǎn)需要注意：（1）柱頂蓋板需要現(xiàn)場(chǎng)焊接，否則托架現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法安裝；（2）柱腹板需要一定厚度才能滿足抗剪要求；（3）托架兩端端板與柱腹板間需留2～6mm的安裝間隙，安裝時(shí)采用插板塞緊，插板工廠加工時(shí)開與端板對(duì)應(yīng)的孔。

與上弦相比，托架下弦桿端部為零桿，不受力，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不需要特別注意，只要安裝時(shí)不與柱翼緣相碰，方便托架安裝即可。

具體連接可參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（上冊(cè)）（第三版）[1]圖7-140。

5.2 八字撐與托架連接節(jié)點(diǎn)

八字撐主要傳遞縱向風(fēng)荷載，截面通過(guò)縱向支撐體系整體計(jì)算確定。八字撐上端與托架連接，托架700寬，八字撐下端與剛架柱連接，剛架柱有1250、2000兩種寬度，為了使傳力合理，支撐下端不能與上端一樣寬，因此八字撐需要采用變寬度設(shè)計(jì)，采用了上端槽鋼過(guò)渡到下端熱軋H型鋼的方法。

5.3 抽柱屋架與邊托架連接節(jié)點(diǎn)

邊托架僅一側(cè)有屋架，為了不使托架發(fā)生扭轉(zhuǎn)，并達(dá)到減小弦桿平面外計(jì)算長(zhǎng)度的作用，采用了將屋架伸入托架內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)做法，節(jié)點(diǎn)處托架的豎腹桿為分離式（見圖2）。

這種節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)有三點(diǎn)需要注意：（1）當(dāng)抽柱屋架僅一跨，兩側(cè)節(jié)點(diǎn)均采用該節(jié)點(diǎn)連接時(shí)，其中一側(cè)托架上的節(jié)點(diǎn)位置的腹桿需要待托架安裝好后在現(xiàn)場(chǎng)焊接。（2）屋架一端節(jié)點(diǎn)開長(zhǎng)圓孔，使屋架下?lián)袭a(chǎn)生的水平力能有效釋放，托架不承受水平力。（3）托架上弦與屋面梁用隅撐連接起來(lái)，作為托架上弦的平面外支撐。

5.4 抽柱屋架與中間部位托架連接節(jié)點(diǎn)

中間部位托架兩側(cè)均有屋架，受力對(duì)稱，節(jié)點(diǎn)處托架的豎腹桿采用焊接H型鋼短柱，托架的上下弦穿過(guò)鋼短柱的腹板并焊接。鋼短柱截面高度可以與托架兩端的剛架柱高度一樣，使中間屋架的柱頭處屋架坡度統(tǒng)一，方便檁條及天溝的設(shè)計(jì)。抽柱屋架與鋼短柱采用栓焊連接。

5.5 托架現(xiàn)場(chǎng)施工完成后效果見圖7。

圖3

6結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)廠房的要求越來(lái)越高，尤其是重型工業(yè)廠房，大部分車間都有抽柱的情況，本文以東北某造船廠分段組裝車間為例，就托架的設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)單介紹，可以看出托架設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)：

1.首先根據(jù)屋面荷載、跨度及剛架結(jié)構(gòu)形式確定托架截面形式。

2.托架與剛架柱的連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)減小偏心，避免偏心荷載對(duì)剛架柱平面外產(chǎn)生較大的附加彎矩。

3.抽柱屋架與托架連接一般為鉸接，節(jié)點(diǎn)處理應(yīng)避免對(duì)托架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

4.托架計(jì)算時(shí)，弦桿平面外計(jì)算長(zhǎng)度應(yīng)取有效支撐間距，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要保證與計(jì)算模型一致。

5.托架撓度應(yīng)滿足規(guī)范要求，并使撓度盡量小，避免因托架的下?lián)弦鹞菝媪旱淖冃巍?/p>

6.抽柱屋架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)一端滑動(dòng)一端簡(jiǎn)支，以免托架產(chǎn)生水平推力，避免節(jié)點(diǎn)處螺栓受剪破壞，。

7.托架一側(cè)需設(shè)置縱向水平支撐，傳遞水平力。

8.托架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要結(jié)合實(shí)際安裝，避免給現(xiàn)場(chǎng)安裝造成困難。

參考文獻(xiàn)

1.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）（第三版）.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004：243-259.

2.GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.

3.GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范.

4.GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.