大型軋鋼廠房屋面系統(tǒng)方案分析

李濤

摘 要：軋鋼廠建筑設(shè)計(jì)是整個(gè)軋鋼廠設(shè)計(jì)中最為重要的組成部分之一，而在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，屋面系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理與否直接關(guān)系到工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，尤其是對于大型軋鋼廠而言屋面系統(tǒng)的合理選擇更為重要?；诖它c(diǎn)，本文通過對大型鋼結(jié)構(gòu)單層多跨廠房在相同的工藝條件下，柱距分別為12 m，18 m，24 m三種方案的屋面結(jié)構(gòu)的單位面積耗鋼量進(jìn)行分析，比較，確定出相對經(jīng)濟(jì)，合理的屋面形式。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 軋鋼廠 屋面系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號：TU27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）3（b）-0085-02

目前，鋼結(jié)構(gòu)廠房以其快捷，輕便、結(jié)構(gòu)形式靈活的多種優(yōu)勢在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用，特別是對我們鋼鐵行業(yè)更具特殊的意義。鋼鐵行業(yè)廠房因?yàn)楣に囈?，往往需要大跨度、大柱距的結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)能夠最大限度的滿足這種需求。設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)選擇最優(yōu)建筑方案。在有條件時(shí)，應(yīng)盡可能考慮結(jié)構(gòu)空間體系作用，當(dāng)將這種體系分為單個(gè)平面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮相鄰構(gòu)件的共同作用。

鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中得到普遍應(yīng)用。按結(jié)構(gòu)體系分，屋蓋可分為有檁屋蓋和無檁屋蓋。有檁屋蓋又分為簡單式和復(fù)雜式，由屋面材料、檁條、支撐、屋架（有時(shí)還有托架、天窗架及擋風(fēng)板支架）等所組成，無檁屋蓋則不用檁條等屋面構(gòu)件，屋面板直接放在屋架上。有檁或無檁屋蓋的選用，主要取決與屋面材料的類型。

1 統(tǒng)一技術(shù)條件

為了比較不同柱距對廠房單位面積用鋼量的影響，首先需對廠房規(guī)定相同的技術(shù)條件。

（1）根據(jù)工藝提出的資料，將廠房劃分為A，B，C三個(gè)區(qū)，選取A，B區(qū)進(jìn)行方案比較，

A區(qū)共計(jì)五跨，為原料跨，跨度30×3+24+30 m。

B區(qū)共計(jì)兩跨，包括：主軋跨，跨度30 m及主電室跨，跨度24 m。

（2）為了簡化計(jì)算，對爐料跨，主軋跨均采用跨度為9 m的縱向矩形天窗，天窗設(shè)至溫度伸縮縫區(qū)段端部。

（3）建筑物抗震設(shè)計(jì)烈度為8度，場地土為Ⅲ類場地土。

（4）各跨吊車均按國產(chǎn)定型吊車樣本數(shù)據(jù)計(jì)算，鋼材均采用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

（5）廠房建筑面積約為13.5萬平方米。屋面板采用W-550型壓型鋼板。為簡化計(jì)算不采用保溫措施。

（6）屋面系統(tǒng)未考慮屋架間設(shè)有檢修懸掛吊車，由于廠房吊車為重、中級工作制，吊車兩側(cè)設(shè)有通長的鋼走道板。

2 伸縮縫的設(shè)置

由于廠房規(guī)模較大，縱，橫向尺寸較長，且平面形狀不規(guī)則，需設(shè)置橫向伸縮縫，將廠房分為幾個(gè)溫度區(qū)段，采用雙柱縫方案。廠房橫向尺寸雖然超過了規(guī)范規(guī)定的橫向溫度區(qū)段長度，但不設(shè)置縱向伸縮縫。設(shè)計(jì)時(shí)控制上柱剛度，并在做施工圖時(shí)采取措施以釋放溫度應(yīng)力。

3 方案比較分析

屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括：屋架及托架、檁條、天窗架以及相應(yīng)的屋蓋支撐系統(tǒng)。

作用在屋蓋結(jié)構(gòu)上的荷載有恒載（屋面重量及結(jié)構(gòu)自重）、屋面均布活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載、積灰荷載、吊車荷載及其他荷載。

（1）屋架屋架外形有三角形、梯形、人字形或其他多邊形等，外形的選擇主要取決于房屋用途、與柱剛接或鉸接，以及需要的屋面坡度。本方案為軋鋼工業(yè)廠房，屋面為壓型鋼板屋面，屋架與柱鉸接，屋面坡度I=1/20故屋架選用人字型平行弦上承式屋架。上撐式屋架主要支撐點(diǎn)在柱頭或托架上，連接簡單，安裝時(shí)較為穩(wěn)定，施工方便，但排架的計(jì)算高度略有增加。具體設(shè)置如下。

12 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架，屋架間距同柱距。

18 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架，屋架間距同柱距。

24 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架，在24 m之間設(shè)一榀鋼托架，故屋面設(shè)置同12 m柱距。

（2）屋面檁條形式有實(shí)腹鋼檁條和撐桿式、桁架式及蜂窩梁式檁條，設(shè)計(jì)中對上述檁條作了綜合分析。壓型鋼板的檁條間距常為3～6 m，應(yīng)將檁條放置于屋架節(jié)點(diǎn)上。

①實(shí)腹型鋼檁條。

多采用實(shí)腹槽鋼、工字鋼、耗鋼量較大，一般用于屋架間距12 m以下的廠房，其單位面積耗鋼量約為20 kg/m2。

②撐桿式檁條。

可由型鋼拼成，其構(gòu)造簡單、施工方便，一般多用于小型廠房，國內(nèi)大型廠房較少采用。此種檁條和不起側(cè)向支撐作用的W550壓型鋼板屋面相配，側(cè)向剛度較差，除上弦外，一般還需在下弦拐角處設(shè)置拉條，這種形式的檁條耗鋼量約為13.3 kg/m2。

③桁架式檁條。

多用于大型廠房，具有結(jié)構(gòu)合理、受力明確、剛度較大等優(yōu)點(diǎn)（一般可不設(shè)檁間拉條或撐桿），但平面桁架側(cè)向剛度差，當(dāng)屋架間距較大時(shí)，常做成三角式或空間桁架。其主要缺點(diǎn)是構(gòu)造較為復(fù)雜，施工麻煩，且屋面結(jié)構(gòu)較為凌亂，影響美觀。這種形式的檁條耗鋼量約為12 kg/m2。

④蜂窩梁式檁條。

用焊接H型鋼或軋制型鋼割制拼成，國內(nèi)曾多次采用，上海寶鋼的一些大型廠房也使用過，有較成熟的理論、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。蜂窩梁式檁條屋面簡潔、美觀，構(gòu)造簡單。18m柱距方案屋面檁條在靠近上翼緣處設(shè)置拉條，即可保證上翼緣穩(wěn)定，在剛度最小平面內(nèi)可按連續(xù)梁考慮。當(dāng)然，當(dāng)采用焊接H型鋼蜂窩梁時(shí)，經(jīng)計(jì)算，若側(cè)向穩(wěn)定、強(qiáng)度有保證，可不設(shè)拉條，檁條下設(shè)隅撐，隅撐與檁條結(jié)點(diǎn)盡量與拉條交點(diǎn)統(tǒng)一，隅撐作為連續(xù)梁支點(diǎn)。這樣，連續(xù)梁式檁條截面總高度可控制在300 mm以內(nèi)。這種截面形式的檁條單位面積耗鋼量最低，一般約為9 kg/m2。

本工程推薦采用型鋼割制的蜂窩梁式檁條。

（3）天窗架。

天窗結(jié)構(gòu)包括天窗架、天窗架上的檁條或大型屋面板、天窗架的支撐、窗檁、端壁骨架、擋風(fēng)板及其支架。天窗架一般采用格構(gòu)式，按其腹桿體系可分為以下幾種。

①多豎桿式：由上弦桿、支于屋架節(jié)點(diǎn)上的豎向壓桿以及斜腹桿組成。這種屋架制作簡單，傳遞給屋架的荷載較為分散。通常用于天窗高度和寬度不太大的情況，否則，豎向壓桿的截面較大，數(shù)量較多，不夠經(jīng)濟(jì)合理。

②三支點(diǎn)式：由天窗架側(cè)柱和三角形桁架組成。

③三鉸拱式：由兩個(gè)三角形桁架組成，這種天窗架與屋架的連接點(diǎn)最少，制作簡單，運(yùn)輸方便。本工程采用的就是這種天窗架，具體布置如下。

12 m柱距的天窗架、擋風(fēng)板支架間距與屋架間距相同。18 m柱距天窗架間距設(shè)為6 m，其立柱下設(shè)置天窗架托架，兼作屋架垂直支撐，此時(shí)，尚需在屋架上弦中央節(jié)點(diǎn)處設(shè)剛性系桿。

（4）屋面支撐。

包括橫向支撐、縱向支撐、垂直支撐及水平系桿。本方案設(shè)計(jì)中除垂直支撐外，其余支撐全部設(shè)在屋架上弦平面內(nèi)。屋架下弦平面外的穩(wěn)定借助于屋面檁條的隅撐得以保證。溫度伸縮區(qū)間端部屋面檁條可用桁架縱梁代替，解決端頭屋架下弦平面外失穩(wěn)的問題。

①縱、橫支撐。

12 m柱距屋面橫向支撐布滿溫度區(qū)間端部柱間。

18 m柱距的橫向支撐布置半個(gè)柱距的范圍，二者的縱向支撐布置范圍對于多跨廠房，靠近邊列柱時(shí)布滿兩個(gè)檁距，靠近中列柱時(shí)，不論廠房是否等高，布置在中柱兩側(cè)各占一個(gè)檁距的范圍內(nèi)?？v橫向支撐與屋面檁條，天窗架托架共同組成空間桁架，以加強(qiáng)屋面整體剛度，且有利于安裝施工，節(jié)約鋼材。

②垂直支撐。

屋架、天窗架垂直支撐與柱間支撐對應(yīng)設(shè)置在同一柱間。12 m柱距需在屋架跨度中央設(shè)置一道垂直支撐，18 m柱距由于天窗架立柱下有天窗托架，不必設(shè)置垂直支撐，只在跨度中央屋架上弦處設(shè)置剛性系桿即可。需要指出的是，由于屋架與柱平接，采用上承式結(jié)構(gòu)，故屋架端部不設(shè)置垂直支撐，廠房柱間支撐需設(shè)至小柱頂部。

4 計(jì)算結(jié)果及存在問題

（1）各種柱距方案單位面積耗鋼量計(jì)算結(jié)果詳見表2，從表中可以看出12 m柱距方案的耗鋼量最少，24 m柱距的耗鋼量最多，18 m柱距的耗鋼量居中。但12 m柱距方案柱子、基礎(chǔ)數(shù)量多，施工麻煩，進(jìn)度慢，用于大型軋鋼廠房需要多處抽柱才能滿足工藝要求，給廠房設(shè)計(jì)、施工帶來很多困難。

24 m柱距方案可以滿足工藝要求，廠房整齊、美觀，柱子、基礎(chǔ)數(shù)量少，施工速度快，克服了上述方案的缺點(diǎn)，但耗鋼量較多。

18 m柱距方案經(jīng)工藝局部調(diào)整基本上可以滿足要求，其優(yōu)缺點(diǎn)介于以上兩個(gè)方案之間。

根據(jù)上述分析，推薦采用18 m以上柱距方案。

當(dāng)然，評價(jià)一個(gè)柱距方案的優(yōu)劣，還要將地基條件、施工條件等等綜合考慮，本文不再贅述。需要補(bǔ)充說明的是，對于大型鋼結(jié)構(gòu)廠房，土建模數(shù)應(yīng)考慮工藝要求，要盡量使柱距統(tǒng)一，同跨內(nèi)兩側(cè)對應(yīng)的吊車梁跨度力求相同，使排架傳力明確合理，計(jì)算單元簡單，加強(qiáng)空間作用整體剛度，簡化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)施工速度。

（2）本方案耗鋼量比較僅從土建結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行計(jì)算的，未考慮工藝要求抽柱及不同天窗形式等因素，因此，單位面積耗鋼量偏低，但也基本上反映出不同柱距方案單位面積耗鋼量的差異。

（3）由于時(shí)間所限，單體構(gòu)件方案未作廣泛比較。比如：屋架形式的選擇，屋架上、下弦桿的雙角鋼方案與“T”型鋼方案的比較，18 m柱距方案中天窗架也可以選為9 m間距進(jìn)行比較等等。上述因素對計(jì)算結(jié)果將會產(chǎn)生一定的影響。

（4）廠房輕質(zhì)封墻設(shè)置墻皮柱，墻皮柱與吊車梁輔助桁架聯(lián)系，承擔(dān)垂直力，其耗鋼量受柱距影響甚微。另外，用廠房面積指標(biāo)衡量墻皮系統(tǒng)耗鋼量意義不大。從表2可以看出，兩跨廠房與五跨廠房的墻皮系統(tǒng)耗鋼量差異很大，帶有一定的片面性，僅供柱距方案對比時(shí)參考。

5 工業(yè)廠房國內(nèi)外現(xiàn)狀

5.1 國外

經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的美國50、60年代已大規(guī)模建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房。它的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：施工工期短、見效快，運(yùn)輸、拆遷方便，色彩隨意。但鋼結(jié)構(gòu)廠房造價(jià)偏高。

適用條件：具有一定經(jīng)濟(jì)實(shí)力，國家鋼產(chǎn)量達(dá)到一定水平。

5.2 國內(nèi)

我國80～90年代，隨著鋼產(chǎn)量的增長，逐漸向鋼結(jié)構(gòu)廠房方向發(fā)展，尤其是現(xiàn)代化的企業(yè)，例如寶鋼一、二、三期工程。

屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也開始在我國大量使用，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：跨度大、柱距大，抽柱隨意，制作及施工工期短，屋面天窗設(shè)計(jì)靈活，屋面結(jié)構(gòu)整齊，用鋼量小。隨著網(wǎng)架廠的增多，網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)形式被廣泛利用，其市場價(jià)格已降至6000元/噸左右。

首鋼2160工程、邢鋼高速線材工程，宣化鋼鐵廠高速線材工程均大面積地使用了網(wǎng)架屋面，而航天部建設(shè)的四機(jī)庫在網(wǎng)架的大面積運(yùn)用上更是創(chuàng)下了全國之最。

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