空間抗風(fēng)桁架在鋼結(jié)構(gòu)廠房中的設(shè)計及應(yīng)用探究

肖長江

（中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

1 工程概況

某煤礦機修車間為鋼結(jié)構(gòu)廠房，縱向長度150m，橫向?qū)挾?14m，建筑面積17100m2，橫向為5跨連續(xù)（18＋25＋28+25+18）鋼結(jié)構(gòu)，縱向柱距7.5m。廠房內(nèi)設(shè)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(shè)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(shè)單位考慮到附近電廠粉煤灰粉塵較大，廠房內(nèi)設(shè)備均為精密型且智能化程度較高，設(shè)備檢修對環(huán)境要求高，要求對露天跨的山墻進行封閉以降低車間內(nèi)粉塵。

2 結(jié)構(gòu)選型對比分析

2.1 現(xiàn)狀分析

根據(jù)該廠房的實際情況，本設(shè)計應(yīng)該著重考慮的問題主要有：

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

（2）由于廠房主體已經(jīng)施工完成，露天跨室內(nèi)外場地已回填完畢，因此本次設(shè)計的抗風(fēng)構(gòu)件應(yīng)盡量減少基礎(chǔ)和地基處理的工程量，考慮施工快捷的方案。

（3）本次設(shè)計應(yīng)該盡可能減小對原結(jié)構(gòu)的依賴，減輕原結(jié)構(gòu)的受力，避免對原構(gòu)件的破壞。

2.2 結(jié)構(gòu)選型

山墻主要承受豎向自重荷載、垂直于山墻平面的風(fēng)荷載，一般不承受外加的豎向荷載。常見的山墻抗風(fēng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。

圖1 抗風(fēng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)型式示意圖

(1)懸臂式。此類山墻承受的風(fēng)荷載傳力路徑為：墻面→墻梁→抗風(fēng)柱及結(jié)構(gòu)柱→基礎(chǔ)。此類山墻結(jié)構(gòu)抗風(fēng)柱柱腳承受較大的彎矩，對基礎(chǔ)的要求高。露天跨最高處21.6m,若采用懸臂式抗風(fēng)柱，抗風(fēng)柱柱腳彎矩很大，所需的基礎(chǔ)平面尺寸超過4m,基礎(chǔ)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(fēng)柱的柱頂位移大，會影響屋架系統(tǒng)。

(2)下端固定上端簡支式。此類山墻承受的風(fēng)荷載傳力路徑為：墻面→墻梁→抗風(fēng)柱→屋面梁及結(jié)構(gòu)柱→基礎(chǔ)。同樣此類山墻抗風(fēng)柱基礎(chǔ)較大，基礎(chǔ)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(fēng)荷載傳力路徑為：墻面→墻梁→抗風(fēng)柱→屋面梁及結(jié)構(gòu)柱→基礎(chǔ)。此類山墻抗風(fēng)柱基礎(chǔ)相對較小，但抗風(fēng)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(jié)構(gòu)型式也不可取。

(4)豎向抗風(fēng)桁架式。此類山墻承受的風(fēng)荷載傳力路徑為：墻面→墻梁→豎向抗風(fēng)桁架→屋面梁及結(jié)構(gòu)柱→基礎(chǔ)。此類山墻抗風(fēng)桁架基礎(chǔ)相對較小，但抗風(fēng)桁架向室內(nèi)凸出，平面外需設(shè)2～3道水平系桿以保證抗風(fēng)桁架的平面外穩(wěn)定，影響室內(nèi)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(jié)構(gòu)型式亦不可取。

(5)水平抗風(fēng)桁架式。采用空間水平抗風(fēng)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(fēng)荷載傳力路徑為：墻面→豎向抗風(fēng)柱→水平抗風(fēng)桁架→縱向結(jié)構(gòu)柱列→基礎(chǔ)。此類山墻抗風(fēng)桁架無需進行基礎(chǔ)施工和地基處理，傳力直接，結(jié)構(gòu)型式滿足要求，且施工快捷，因此本次露天跨封閉采用該結(jié)構(gòu)型式。

3 荷載及工況組合

3.1 荷載標(biāo)準值

（2）風(fēng)荷載。本工程地面粗糙度類別為B類，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）8.1.1-2式，式中基本風(fēng)壓 0w取，風(fēng)振系數(shù)根據(jù)表8.6.1取1.7，風(fēng)荷載局部體型系數(shù)μs1根據(jù)8.3.3條1款迎風(fēng)面取1.0，背風(fēng)面取-0.6，風(fēng)壓高度變化系數(shù)zμ根據(jù)表8.2.1取為1.23。由上式計算得出（風(fēng)壓力）、（風(fēng)吸力）。

3.2 工況組合

工況組合考慮恒荷載、風(fēng)荷載。

工況一：1.3恒+1.5風(fēng)壓；工況二：1.3恒+1.5風(fēng)吸。

4 抗風(fēng)桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 抗風(fēng)桁架布置

沿露天跨山墻高度方向水平設(shè)置2道三角形空間抗風(fēng)桁架，第1道抗風(fēng)桁架設(shè)在大門上方，大門上雨篷的挑梁設(shè)在桁架下弦上，計算時考慮挑梁對下弦產(chǎn)生的豎向力和附加扭矩。第2道抗風(fēng)桁架設(shè)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(fēng)荷載直接傳力至縱向支撐系統(tǒng)；抗風(fēng)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(fēng)荷載將通過抗風(fēng)桁架傳至兩側(cè)的縱向柱列上，最后由縱向柱列的所有柱間支撐分擔(dān)。本廠房上柱柱間支撐共有5道，分擔(dān)上部抗風(fēng)桁架產(chǎn)生的集中風(fēng)荷載 1W及其他情況產(chǎn)生的水平力H；下柱柱間支撐共有3道，除承擔(dān)吊車縱向水平荷載dT及下部抗風(fēng)桁架產(chǎn)生的集中風(fēng)荷載 2W外，還要承擔(dān)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(shè)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(jīng)驗算后強度均小于0.85f。

4.3 廠房鋼柱基礎(chǔ)校核

山墻墻板、抗風(fēng)柱及抗風(fēng)桁架的自重約15t，大部分由抗風(fēng)桁架傳至兩側(cè)鋼柱的基礎(chǔ)，原兩側(cè)鋼柱的獨立基礎(chǔ)尺寸3.7×4.2m，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）5.2.1條，軸心荷載增加，原鋼柱基礎(chǔ)軸心荷載軸心荷載下地基承載力滿足要求。山墻墻板、抗風(fēng)柱及抗風(fēng)桁架的重心基本與原鋼柱的基礎(chǔ)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(fēng)柱設(shè)計

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

4.5 抗風(fēng)桁架設(shè)計

（1）空間抗風(fēng)桁架建模計算。利用PKPM軟件中的spas+PMSAP集成設(shè)計模塊進行空間整體建模。三角形空間抗風(fēng)桁架的上下弦桿均采用218a,迎風(fēng)面豎腹桿采用110mm×12mm，迎風(fēng)面斜腹桿采用90mm×8mm，背風(fēng)面斜腹桿采用90mm×8mm，背風(fēng)面十字交叉腹桿采用45mm×6mm，背風(fēng)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(fēng)桁架截面尺寸（mm）

（2）結(jié)構(gòu)分析設(shè)計結(jié)果。分析2種荷載組合下桁架計算結(jié)果，桿件截面主要由風(fēng)荷載決定，工況一（風(fēng)壓）起控制作用。桁架采用Q345B鋼，在工況一（風(fēng)壓）工況下，桿件最大應(yīng)力比0.78，桁架最大水平位移25.4mm；在工況二（風(fēng)吸）工況下，桿件最大應(yīng)力比0.54，桁架最大水平位移15.1mm。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準》（GB50017-2017）附錄B，抗風(fēng)桁架的撓度容許值為，位移滿足規(guī)范要求?？癸L(fēng)桁架位移計算時風(fēng)荷載不考慮陣風(fēng)系數(shù)。

（3）鋼柱加固。對抗風(fēng)桁架與兩端鋼柱鉸接的鋼柱腹板區(qū)域進行加固以提高剛度，在上柱的腹板兩側(cè)間隔一定距離焊接橫向加勁板，在下柱的腹板兩側(cè)增設(shè)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(fā)生局部變形或屈曲，而是直接傳向兩側(cè)縱向柱列的支撐系統(tǒng)。

5 結(jié)語

該抗風(fēng)桁架目前已于2020年4月建設(shè)完成并投入使用，使用效果良好。設(shè)計過程中嚴格按照規(guī)范要求，注重概念設(shè)計，充分做到與現(xiàn)場實際結(jié)合，為建設(shè)方解決了問題，對以后類似工程的設(shè)計具有指導(dǎo)和借鑒意義。