空間抗風桁架在鋼結構廠房中的設計及應用探究

肖長江

（中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054）

1 工程概況

某煤礦機修車間為鋼結構廠房，縱向長度150m，橫向寬度114m，建筑面積17100m2，橫向為5跨連續（18＋25＋28+25+18）鋼結構，縱向柱距7.5m。廠房內設Q=75/20t橋式起重機2臺、Q=32/5t橋式起重機3臺、Q=20/5t橋式起重機2臺、Q=50/10t橋式起重機2臺，另設Q=5t半門式起重機4臺。其中28m露天跨（有屋面圍護，兩端山墻無圍護）屋面為弧形，屋頂最高點21.6m。

機修車間廠房主體施工完成后，建設單位考慮到附近電廠粉煤灰粉塵較大，廠房內設備均為精密型且智能化程度較高，設備檢修對環境要求高，要求對露天跨的山墻進行封閉以降低車間內粉塵。

2 結構選型對比分析

2.1 現狀分析

根據該廠房的實際情況，本設計應該著重考慮的問題主要有：

（1）原設計未考慮露天跨封閉，為保證安全，本設計的第一要務就是校核露天跨封閉后山墻增加的風荷載對廠房縱向支撐結構體系的影響。

（2）由于廠房主體已經施工完成，露天跨室內外場地已回填完畢，因此本次設計的抗風構件應盡量減少基礎和地基處理的工程量，考慮施工快捷的方案。

（3）本次設計應該盡可能減小對原結構的依賴，減輕原結構的受力，避免對原構件的破壞。

2.2 結構選型

山墻主要承受豎向自重荷載、垂直于山墻平面的風荷載，一般不承受外加的豎向荷載。常見的山墻抗風構件結構型式如圖1所示。

圖1 抗風構件結構型式示意圖

(1)懸臂式。此類山墻承受的風荷載傳力路徑為：墻面→墻梁→抗風柱及結構柱→基礎。此類山墻結構抗風柱柱腳承受較大的彎矩，對基礎的要求高。露天跨最高處21.6m,若采用懸臂式抗風柱，抗風柱柱腳彎矩很大，所需的基礎平面尺寸超過4m,基礎開挖及地基處理工程量大，故采取此類山墻型式不可取，且懸臂抗風柱的柱頂位移大，會影響屋架系統。

(2)下端固定上端簡支式。此類山墻承受的風荷載傳力路徑為：墻面→墻梁→抗風柱→屋面梁及結構柱→基礎。同樣此類山墻抗風柱基礎較大，基礎開挖及地基處理工程量也大，且上部簡支點位置不能與屋蓋支撐和剛性系桿位置重合，傳力不直接，不可取。

(3)上下端均為簡支。此類山墻承受的風荷載傳力路徑為：墻面→墻梁→抗風柱→屋面梁及結構柱→基礎。此類山墻抗風柱基礎相對較小，但抗風柱截面尺寸較大，上部簡支點位置不能與屋蓋支撐和剛性系桿位置重合，傳力不直接，所以此類結構型式也不可取。

(4)豎向抗風桁架式。此類山墻承受的風荷載傳力路徑為：墻面→墻梁→豎向抗風桁架→屋面梁及結構柱→基礎。此類山墻抗風桁架基礎相對較小，但抗風桁架向室內凸出，平面外需設2～3道水平系桿以保證抗風桁架的平面外穩定，影響室內空間使用，且上部簡支點位置同樣不能與屋蓋支撐和剛性系桿位置重合，傳力不直接，所以此類結構型式亦不可取。

(5)水平抗風桁架式。采用空間水平抗風桁架，將山墻面所承受的水平力直接傳遞給縱向柱列。此類山墻承受的風荷載傳力路徑為：墻面→豎向抗風柱→水平抗風桁架→縱向結構柱列→基礎。此類山墻抗風桁架無需進行基礎施工和地基處理，傳力直接，結構型式滿足要求，且施工快捷，因此本次露天跨封閉采用該結構型式。

3 荷載及工況組合

3.1 荷載標準值

（2）風荷載。本工程地面粗糙度類別為B類，《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）8.1.1-2式，式中基本風壓 0w取，風振系數根據表8.6.1取1.7，風荷載局部體型系數μs1根據8.3.3條1款迎風面取1.0，背風面取-0.6，風壓高度變化系數zμ根據表8.2.1取為1.23。由上式計算得出（風壓力）、（風吸力）。

3.2 工況組合

工況組合考慮恒荷載、風荷載。

工況一：1.3恒+1.5風壓；工況二：1.3恒+1.5風吸。

4 抗風桁架結構設計

4.1 抗風桁架布置

沿露天跨山墻高度方向水平設置2道三角形空間抗風桁架，第1道抗風桁架設在大門上方，大門上雨篷的挑梁設在桁架下弦上，計算時考慮挑梁對下弦產生的豎向力和附加扭矩。第2道抗風桁架設在窗戶上方且位于低跨屋面與露天跨交接處的屋面剛性系桿附近，風荷載直接傳力至縱向支撐系統；抗風桁架兩端與縱向柱列鋼柱鉸接相連，只傳力不傳彎矩。

4.2 廠房柱間支撐驗算

露天跨山墻封閉后，墻面新增的風荷載將通過抗風桁架傳至兩側的縱向柱列上，最后由縱向柱列的所有柱間支撐分擔。本廠房上柱柱間支撐共有5道，分擔上部抗風桁架產生的集中風荷載 1W及其他情況產生的水平力H；下柱柱間支撐共有3道，除承擔吊車縱向水平荷載dT及下部抗風桁架產生的集中風荷載 2W外，還要承擔上柱柱間支撐傳來的水平荷載。十字交叉支撐一般按受拉桿設計，即僅考慮其中一根桿受拉，計算簡圖見圖2。柱頂系桿上柱支撐斜桿下柱支撐斜

圖2 柱間支撐計算簡圖

本廠房柱頂系桿采用2，125×8，上柱柱間支撐采用單片十字支撐2，90×6，下柱柱間支撐采用雙片十字支撐2，140×90×10，鋼材為Q345B，經驗算后強度均小于0.85f。

4.3 廠房鋼柱基礎校核

山墻墻板、抗風柱及抗風桁架的自重約15t，大部分由抗風桁架傳至兩側鋼柱的基礎，原兩側鋼柱的獨立基礎尺寸3.7×4.2m，根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）5.2.1條，軸心荷載增加，原鋼柱基礎軸心荷載軸心荷載下地基承載力滿足要求。山墻墻板、抗風柱及抗風桁架的重心基本與原鋼柱的基礎中心重合，無偏心荷載增加，無需再校核偏載作用下的地基承載力。

4.4 抗風柱設計

山墻墻板采用雙層壓型鋼板復合保溫板，壓型鋼板內外板固定在抗風柱上，抗風柱豎向每間距2m左右設一道，抗風柱只承受山墻較輕的自重和較小范圍的風荷載。每根抗風柱沿高度方向設縫分成獨立3段，下段抗風柱與上段抗風柱均為單跨帶一端懸挑梁，中段抗風柱為單跨帶兩端懸挑梁，抗風柱的支點為下部基礎、水平抗風桁架的上下弦、屋面弧形鋼梁。經計算抗風柱采用H150×150×4.5×6，鋼材為Q345B。

4.5 抗風桁架設計

（1）空間抗風桁架建模計算。利用PKPM軟件中的spas+PMSAP集成設計模塊進行空間整體建模。三角形空間抗風桁架的上下弦桿均采用218a,迎風面豎腹桿采用110mm×12mm，迎風面斜腹桿采用90mm×8mm，背風面斜腹桿采用90mm×8mm，背風面十字交叉腹桿采用45mm×6mm，背風面腹桿連接的橫桿采用110mm×10mm，鋼材為Q345B。桁架截面尺寸見圖3。

圖3 抗風桁架截面尺寸（mm）

（2）結構分析設計結果。分析2種荷載組合下桁架計算結果，桿件截面主要由風荷載決定，工況一（風壓）起控制作用。桁架采用Q345B鋼，在工況一（風壓）工況下，桿件最大應力比0.78，桁架最大水平位移25.4mm；在工況二（風吸）工況下，桿件最大應力比0.54，桁架最大水平位移15.1mm。根據《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）附錄B，抗風桁架的撓度容許值為，位移滿足規范要求?？癸L桁架位移計算時風荷載不考慮陣風系數。

（3）鋼柱加固。對抗風桁架與兩端鋼柱鉸接的鋼柱腹板區域進行加固以提高剛度，在上柱的腹板兩側間隔一定距離焊接橫向加勁板，在下柱的腹板兩側增設豎向加勁板和橫向加勁板，以確保桁架傳來的水平力不致使鋼柱發生局部變形或屈曲，而是直接傳向兩側縱向柱列的支撐系統。

5 結語

該抗風桁架目前已于2020年4月建設完成并投入使用，使用效果良好。設計過程中嚴格按照規范要求，注重概念設計，充分做到與現場實際結合，為建設方解決了問題，對以后類似工程的設計具有指導和借鑒意義。