通風(fēng)機(jī)房鋼屋架改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例研究

左奎現(xiàn)

（通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250023）

1 工程概況

山西蘭花集團(tuán)沁裕煤礦有限公司礦井兼并重組整合項(xiàng)目的通風(fēng)機(jī)房為地上一層，建筑高度10.5 m，抗震設(shè)防烈度為7 度，基本地震加速度值為0.1 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為I 類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a，抗震等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)體系為排架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)。原有屋面結(jié)構(gòu)為雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架平面尺寸：13 m×15 m，覆蓋面積：195 m2。

為了進(jìn)一步提高屋面改造工程在設(shè)計(jì)時(shí)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合已有研究成果及實(shí)際所設(shè)計(jì)的山西蘭花集團(tuán)沁裕煤礦有限公司礦井兼并重組整合項(xiàng)目-通風(fēng)機(jī)房屋面改造項(xiàng)目，對(duì)此類鋼屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及難點(diǎn)等方面進(jìn)行研究[1-6]，研究成果可為此類鋼屋面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供重大借鑒意義[7-8]。

1.1 改造范圍及材料選擇

由于鋼結(jié)構(gòu)屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的成本較高，現(xiàn)將通風(fēng)機(jī)房鋼屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)改建為鍍鋅壓型鋼板YX35-125-750（V125），屋面坡度為5%。屋面改造工程在既有的混凝土柱及柱頂預(yù)埋件的基礎(chǔ)上進(jìn)行，本次改建后的材料選擇及平面布置如下：

1）改造后的屋面坡度較小，屬于不上人屋面，屋面荷載較小。因此，通風(fēng)機(jī)房的屋面起坡材料選用冷彎薄壁卷邊槽鋼（C 形）檁條，檁條型號(hào)為C200X75X20X2.5，檁條之間通過(guò)拉條連接。

2）改造后的屋面結(jié)構(gòu)采用H 型鋼梁，主梁結(jié)構(gòu)為HN500X200X10X16，次梁結(jié)構(gòu)為HN350X175X7X11。

3）原有網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)用鋼量較大，加工制作費(fèi)用較高，應(yīng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，屋面結(jié)構(gòu)改為鍍鋅壓型鋼板。

1.2 方案設(shè)計(jì)

屋架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件布置如下所述：

1）主梁結(jié)構(gòu)、混凝土柱通過(guò)螺栓與原有的預(yù)埋件連接在一起，次梁搭接在主梁上?？紤]到地震時(shí)主梁結(jié)構(gòu)與預(yù)埋件會(huì)發(fā)生錯(cuò)位等情況，在次梁之間設(shè)置水平支撐以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。廠房結(jié)構(gòu)平面圖如圖1。

圖1 廠房結(jié)構(gòu)平面圖（mm）

2）檁條的布置、連接。由于檁條跨度L≥6 m，因此，檁條在跨度1/3 處各設(shè)置一道圓鋼拉條（拉條直徑為12 mm）；檁條通過(guò)檁托與H 型鋼梁連接，以達(dá)到屋面起坡的目的；檁條與檁托之間通過(guò)螺栓連接。

3）設(shè)計(jì)難點(diǎn)。受原有預(yù)埋件的影響，主梁結(jié)構(gòu)的布置位置與尺寸大小、螺栓的布置與尺寸大小受限；梁—柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、梁—梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、檁條的選擇等。

2 設(shè)計(jì)分析

2.1 檁條、拉條、撐桿設(shè)計(jì)

2.1.1 截面及材料特性

檁 條 形 式：卷 邊 槽 形 冷 彎 型 鋼C250X75X20X2.5，b=75.000，h=250.000，c=20.000，t=2.500，A=0.1048E-02，Ix=0.9523E-05，Iy=0.7131E-06，It=0.2184E-08，Iw=0.8416E-08，Wx1=0.7619E-04，Wx2=0.7619E-04，Wy1=0.3686E-04，Wy2=0.1281E-04。鋼材鋼號(hào)：Q235 鋼。

2.1.2 截面驗(yàn)算

1）使用階段

① 1.3 恒載+1.5（活載+0.9 積灰+0.6 風(fēng)載（壓力））組合

截面強(qiáng)度驗(yàn)算，由公式σ=Mx/Wenx+My/Weny得：σmax= 158.940 N/mm2＜205.000 N/mm2，滿足設(shè)計(jì)要求。

式中：Mx、My分別為剛度最大主平面和剛度最小主平面的彎矩；Wenx、Weny分別為對(duì)主軸x、y的有效截面模量。

② 1.0 恒載+1.5 風(fēng)載（吸力）組合

截面強(qiáng)度驗(yàn)算，由公式σ=Mx/Wenx+My/Weny得：σmax= 81.990 N/mm2＜205.000 N/mm2，檁條穩(wěn)定性；由 公 式σ=Mx/（φbx·Wex）+My/Wey得：σ=189.734 N/mm2＜205.000 N/mm2，滿足設(shè)計(jì)要求。

式中：Wex、Wey分別為對(duì)主軸x、y的有效截面模量；φbx為受彎構(gòu)件繞強(qiáng)軸的整體穩(wěn)定系數(shù)。

2）施工階段

① 1.3 恒載+1.5 施工荷載組合

由強(qiáng)度計(jì)算公式得：σmax=79.840＜205.000，滿足設(shè)計(jì)要求。

② 荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，撓度計(jì)算

由 公 式v=（5/384）·（pkyl4/EIx）計(jì) 算 得：v=14.984＜32.500，滿足設(shè)計(jì)要求。

式中：pky為沿y軸線荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；Ix為對(duì)主軸的毛截面慣性矩。

2.1.3 檁條、拉條及撐桿布置

本工程的跨度L＞6 m，在檁條跨度的三分點(diǎn)處各設(shè)置一道拉條，在檐口處設(shè)置斜拉條和撐桿，拉條規(guī)格為Φ14 mm（M12）、撐桿規(guī)格為Φ14 mm（M12）+Φ32X3。屋面的起坡高度主要通過(guò)檁托和檁條，其中，檁托選用140 mm×140 mm×5 mm的方鋼，檁條、拉條及撐桿的布置如圖2、圖3。

圖2 檁條平面圖（mm）

圖3 屋架結(jié)構(gòu)剖面圖（mm）

2.2 主次梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 內(nèi)力分析

采用PKPM 軟件對(duì)主次梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行分析，計(jì)算得到的受力情況如圖4。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)鋼梁結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行驗(yàn)算。

圖4 彎矩圖（kN·m）

1）抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

由圖4 可知，各鋼梁結(jié)構(gòu)的跨中彎矩值最大，其中，鋼梁型號(hào)為HN500X200X10X16 的彎矩最大值為259 kN·m，鋼梁型號(hào)為HN375X175X7X11 的彎矩最大值為89 kN·m。

由公式Mmax/γxWx≤f計(jì)算各鋼梁的抗彎強(qiáng)度。

滿足設(shè)計(jì)要求。

2）撓度驗(yàn)算

由圖5 可知，各鋼梁結(jié)構(gòu)的跨中撓度最大，其中，鋼梁型號(hào)為HN500X200X10X16 的撓度最大值為27.86 mm；鋼梁型號(hào)為HN375X175X7X11 的撓度最大值為10.35 mm。

圖5 彎矩圖（kN·m）

HN500X200X10X16 鋼梁的撓度：

ω=27.86 mm ＜l/250=52 mm

滿足設(shè)計(jì)要求。

HN500X200X10X16 鋼梁的撓度：

ω=10.35 mm ＜l1/250=30 mm

滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)原有屋架原有預(yù)埋件的情況，設(shè)計(jì)壓型鋼板屋面的鋼梁與混凝土柱的連接位置及方式。連接件最小板厚大于等于14 時(shí)用對(duì)接焊縫，其余用角焊縫滿焊，焊縫高度取被焊件最小厚度減 1～2 mm，且不小于 8 mm。當(dāng)被焊件厚度小于 6 mm 時(shí)，焊縫高度取被焊件厚度，焊縫一律滿焊。焊接連接的構(gòu)件選用Q235 鋼，對(duì)焊接構(gòu)件鋼材尚須保證碳的極限含量。焊縫質(zhì)量等級(jí)：對(duì)接焊縫為二級(jí)，角焊縫外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合三級(jí)。梁、柱連接詳圖如圖6、圖7。

圖6 梁、柱連接詳圖（mm）

圖7 柱腳連接詳圖（mm）

由圖可知，鋼梁HN500X200X10X16 通過(guò)U 形螺栓和預(yù)埋鋼板連接，鋼梁HN375X175X7X11 通過(guò)螺栓與鋼梁HN500X200X10X16 連接。其中，受到翼緣寬度的限值，U 形螺栓和鋼梁連接時(shí)的邊距超出規(guī)范規(guī)定的最小容許間距限值2d0，此處采取的處理方式為在鋼梁的兩側(cè)對(duì)接一塊等厚的鋼板以增加翼緣寬度。鋼梁和鋼梁連接螺栓的選擇根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選擇，即：

螺栓的抗剪承載力大于所受剪力5.25 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

式中：nv為受剪面數(shù)目；d為螺栓的直徑，mm；為螺栓的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，螺栓連接或拼接節(jié)點(diǎn)中，每一桿件一端的永久性的螺栓數(shù)不宜少于2 個(gè)，所以本工程的鋼梁和鋼梁之間的連接選用2 個(gè)C 級(jí)M20 普通螺栓。

3 結(jié)論

1）鍍鋅壓型鋼板屋面結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接用鋼量較原有網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)小，費(fèi)用較低，是較為經(jīng)濟(jì)的改造工程。

2）受到原有柱網(wǎng)布置和柱頂預(yù)埋件的影響，鋼梁結(jié)構(gòu)在選擇和節(jié)點(diǎn)的連接處置方面較為復(fù)雜。

3）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)條件及使用要求合理選擇屋面坡度方向、材料及節(jié)點(diǎn)等，以滿足使用需求。