大跨度工業(yè)建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)

龍顯國

【摘要】為滿足工業(yè)建筑廠房的運(yùn)行需求，讓工業(yè)建筑廠房具有跨度大、 層高高、建筑空間大、荷載大等特點(diǎn)，從而對于工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜多樣，且具有相當(dāng)難度。特別是大跨度工業(yè)建筑的屋面鋼結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)是重中之重，如果選擇的型號不符合工業(yè)建筑的實(shí)際需求，就會引發(fā)新的問題，需要深入現(xiàn)場考察，結(jié)合已有資料展開設(shè)計(jì)，才能得到科學(xué)合理的屋面鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，同時還要展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能為后續(xù)的屋面鋼結(jié)構(gòu)施工奠定良好的基礎(chǔ)。本文以某項(xiàng)目為例，對大跨度工業(yè)建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】大跨度;工業(yè)建筑;屋面;鋼結(jié)構(gòu);選型設(shè)計(jì)

1、項(xiàng)目簡述

某重型裝備制造基地重型鋼結(jié)構(gòu)廠房地處某市新區(qū)東南角，廠房長384m，寬114m，占地面積約4×104m2;廠房柱距12m，跨度36m+42m+36m。屋架下弦最低標(biāo)高為16.20m-27.02m;北跨設(shè)雙層吊車（上層為2臺160t/50t吊車，軌高22.5m;下層為2臺75t/20t吊車，軌高18m），中跨設(shè)2臺100t/32t橋式吊車（軌高16m），南跨設(shè)2臺50t/5t橋式吊車（軌高12.30m）。項(xiàng)目規(guī)劃之初，鑒于建設(shè)地日常風(fēng)力較大、空氣潔凈度較高、年輻射總量高于市區(qū)，非常有利于太陽能發(fā)電，同時重型工業(yè)廠房單體建筑面積大、屋頂高、屋面利用率高，并具有與建筑整體相結(jié)合的展示作用，為充分利用清潔能源，降低重裝備制造業(yè)的能耗，使重裝備"輕"起來，在重型鋼結(jié)構(gòu)廠房輕型屋頂之上建1MW太陽能光伏電站，通過多次論證，最終確定在本聯(lián)合廠房南跨13000m2的屋面上滿鋪太陽能電池板。

2、大跨度工業(yè)建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分析

該廠房為三跨結(jié)構(gòu)，在屋面上安裝大量的太陽能電池板，查找現(xiàn)行規(guī)范后，發(fā)現(xiàn)廠房可以參考雙坡屋面結(jié)構(gòu)，但是屋面本身設(shè)置了大量的太陽能電池板，并且與屋面保持20°左右的夾角，保持架空狀態(tài)，在氣流逐漸流過屋面時，會產(chǎn)生一定的風(fēng)吸力，可能對屋面鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，在負(fù)壓集中的區(qū)域，經(jīng)常出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，特別是外形存在突變現(xiàn)象的位置，如屋檐、屋面邊緣等，更容易出現(xiàn)流動分離、再附等現(xiàn)象。本次研究的工程采用太陽能電池板，利用轉(zhuǎn)換層連接屋面及支架結(jié)構(gòu)，風(fēng)流經(jīng)屋面時，會被墻體阻隔，導(dǎo)致氣流淤積在電池板下部，與屋面之間產(chǎn)生正壓，與電池板之間產(chǎn)生負(fù)壓。該工程位于臺風(fēng)多發(fā)的區(qū)域，臺風(fēng)經(jīng)過屋面時，會產(chǎn)生強(qiáng)大吸力，引發(fā)風(fēng)振現(xiàn)象，會對屋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破壞，但是國內(nèi)這方面的研究相對較少，沒有可以參考的實(shí)例，為此應(yīng)該按照風(fēng)載最不利的情況研究，展開對管桁架的受力分析，其中吸風(fēng)作用設(shè)置為最大，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)桿件沒有出現(xiàn)任何內(nèi)力變化，仍然處于安全的狀態(tài)。

3、大跨度工業(yè)建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)選型分析

一般情況下，工業(yè)建筑廠房都采用桁架作為屋面結(jié)構(gòu)，還要配合使用大型屋面板，有時也會回用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，近些年開始逐漸采用實(shí)腹鋼梁輕質(zhì)屋面，應(yīng)用案例越來越多。本次研究的工程擁有以下特點(diǎn)：廠房屋面整體呈現(xiàn)為階梯狀，上面增設(shè)了太陽能發(fā)電電池板，較普通輕質(zhì)屋蓋相比，荷載增加1kN/m2，屋面結(jié)構(gòu)由三種選型方案，分別為網(wǎng)架方案、管桁架方案及實(shí)腹板方案，具體內(nèi)容如下：

一是網(wǎng)架方案。這種方案更容易承受豎向荷載，但是該工程的縱橫向跨度較大，如果應(yīng)用網(wǎng)架方案，需要依據(jù)主跨尺寸確定高度，要花費(fèi)較多的成本費(fèi)用搭建網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)性較低。在外界溫度出現(xiàn)變化時，網(wǎng)架縱向上的附加應(yīng)力也會隨之上升，很難采用常規(guī)手段處理這部分附加應(yīng)力，為此不考慮網(wǎng)架方案。

二是鋼梁方案。該工程的跨度較大，并且設(shè)置了太陽能電池板，增加屋面鋼結(jié)構(gòu)荷載，如果采用鋼梁方案，需要采用剛接的方式連接梁柱結(jié)構(gòu)，彎矩會逐漸傳遞給柱子，導(dǎo)致柱子受力不平衡，如果梁端的彎矩達(dá)到一定數(shù)值，甚至還會增加柱子截面，對后續(xù)的吊車設(shè)置帶來不便。

三是管桁架方案。采用管桁架方案時，首先要連接柱子和管桁架，采用鉸接的方式，柱子可以保持一個均勻受力的狀態(tài)，結(jié)合工程實(shí)際情況，可以采取三角形管桁架，由腹桿與上弦雙支管共同形成穩(wěn)定的桁架，在運(yùn)行期間不會出現(xiàn)不穩(wěn)的問題，接下來還要連接下弦管，保持屋面鋼結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，不需要額外設(shè)置縱向支撐結(jié)構(gòu)，同時還要注意設(shè)置垂直支撐，一般都是沿著縱向方向設(shè)置，可以更好地傳遞水平力。

在完成屋面該結(jié)構(gòu)選型的技術(shù)論證以后，還需要展開經(jīng)濟(jì)性對比，具體數(shù)據(jù)如下：一是管桁架方案，單價為10000元/t，造價為1690萬元。二是鋼梁方案，單價為7000元/t，造價為2015萬元。三是網(wǎng)架方案，單價為7500元/t，造價為2005萬元?？梢钥闯?，管桁架的單價費(fèi)用相對更高，但是總體造價更低，僅僅占到其他兩種方案造價的75%左右，可以節(jié)省大量的成本費(fèi)用，為此選擇管桁架方案。

4、大跨度工業(yè)建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化措施

4.1管桁架優(yōu)化設(shè)計(jì)

管桁架是廠房屋面的重要構(gòu)件，要結(jié)合工程實(shí)際情況，對比不同寬度方案的經(jīng)濟(jì)性，本次研究共計(jì)選擇兩種寬度方案，一種為4.0m寬度方案，造價為1690萬元，另一種為30m寬度方案，造價為1780萬元。同時還要考慮到兩種寬度方案是否符合施工要求，經(jīng)過對恒載、活載、風(fēng)載等不同情況下的模擬測試，發(fā)現(xiàn)兩種寬度方案都可以保證廠房屋面鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為此，選擇上弦寬度為4m，該方案不僅擁有更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，還可以減少管桁架的自重，縮減檀條的重量，減輕整個屋面鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。

4.2屋面檀條的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述研究可知，在支撐檀條時，可以選擇管桁架上弦管，同時檀條擁有兩個跨度，分別為4m和8m，結(jié)合工程的實(shí)際情況，最終選擇連續(xù)檀條，這種方案不但可以滿足屋面鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，還可以提高檀條設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

4.3屋面支架的設(shè)計(jì)

根據(jù)工程簡介可知，屋面上方鋪設(shè)大量的太陽能電池板，為此要設(shè)置大量的電池板支架，如果每個支架都采取穿透支撐的方式，就會給彩鋼屋面留下大量的孔洞，增加防水設(shè)計(jì)難度。為此，在屋面支架設(shè)計(jì)中，在屋面上額外設(shè)置一個托梁，整體保持一個加工的狀態(tài)，將電池板支架連接到設(shè)置好的托架梁上方，同時連接好屋面結(jié)構(gòu)，這樣就可以在屋面范圍內(nèi)，得到混凝土組合版屋面結(jié)構(gòu)，這處屋面也可以合理利用，設(shè)置為參觀區(qū)域、檢修區(qū)域等，在建設(shè)完組合板屋面以后，還要合理設(shè)置預(yù)埋件，實(shí)現(xiàn)對剛托梁的固定處理，通過上述設(shè)計(jì)方案，不需要多次穿越彩鋼板屋面，為后續(xù)的防水設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)，消除漏水隱患。此外，在組合板與屋面的交接位置上，還要采用混凝土材料設(shè)置出翻口，主要是為后續(xù)防水做準(zhǔn)備，滿足泛水要求。

4.4施工安裝設(shè)計(jì)

在廠房屋面上安裝電池板時，要注意保護(hù)彩鋼板及卷材，避免安裝期間尖銳工具產(chǎn)生破壞，為此要合理設(shè)計(jì)施工安裝步驟：一是要減少焊接工序，主要是焊接容易產(chǎn)生大量的火花，可能損壞電池板，為此要優(yōu)先選擇螺栓連接的方式，盡可能避免焊接作業(yè)。二是要遠(yuǎn)離屋面一段距離支設(shè)支架，這樣才能給后續(xù)的檢修工作預(yù)留充足的空間。

結(jié)語：

綜上，近些年我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出大批工業(yè)建筑項(xiàng)目，很多廠房跨度較大，選用鋼結(jié)構(gòu)材料建設(shè)屋面，為此要結(jié)合實(shí)際情況展開屋面鋼結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)，常用的鋼結(jié)構(gòu)方案包括鋼梁方案、網(wǎng)架方案、管桁架方案等，每種方案的優(yōu)缺點(diǎn)不同，需要結(jié)合實(shí)際需求合理選擇，再確定具體的鋼結(jié)構(gòu)方案以后，還要展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定施工方案，盡可能選擇經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)的施工方案，才能保證工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡瑞琦.重型大截面桁架拼裝施工技術(shù)在電子廠房大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2019（12）：184-185.

[2]張路，朱禹風(fēng)，崔小連，等.2019北京世園會媯汭劇場鋼結(jié)構(gòu)屋面體系選型及分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2019（17）.