作者：李涛
来源：《科技资讯》 2013年第8期
李涛
(北京天安科创置业有限公司 北京 101111)
摘 要:轧钢厂建筑设计是整个轧钢厂设计中最为重要的组成部分之一,而在建筑结构设计中,屋面系统设计方案的合理与否直接关系到工程项目的经济效益,尤其是对于大型轧钢厂而言屋面系统的合理选择更为重要。基于此点,本文通过对大型钢结构单层多跨厂房在相同的工艺条件下,柱距分别为12 m,18 m,24 m三种方案的屋面结构的单位面积耗钢量进行分析,比较,确定出相对经济,合理的屋面形式。
关键词:钢结构 轧钢厂 屋面系统 经济效益
中图分类号:TU27
文献标识码:A
文章编号:1672-3791(2013)3(b)-0085-02
目前,钢结构厂房以其快捷,轻便、结构形式灵活的多种优势在国内外被广泛应用,特别是对我们钢铁行业更具特殊的意义。钢铁行业厂房因为工艺要求,往往需要大跨度、大柱距的结构形式,钢结构能够最大限度的满足这种需求。设计钢结构时,应选择最优建筑方案。在有条件时,应尽可能考虑结构空间体系作用,当将这种体系分为单个平面结构计算时,应考虑相邻构件的共同作用。
钢屋盖结构在工业厂房中得到普遍应用。按结构体系分,屋盖可分为有檩屋盖和无檩屋盖。有檩屋盖又分为简单式和复杂式,由屋面材料、檩条、支撑、屋架(有时还有托架、天窗架及挡风板支架)等所组成,无檩屋盖则不用檩条等屋面构件,屋面板直接放在屋架上。有檩或无檩屋盖的选用,主要取决与屋面材料的类型。 1 统一技术条件
为了比较不同柱距对厂房单位面积用钢量的影响,首先需对厂房规定相同的技术条件。
(1)根据工艺提出的资料,将厂房划分为A,B,C三个区,选取A,B区进行方案比较,
A区共计五跨,为原料跨,跨度30×3+24+30 m。
B区共计两跨,包括:主轧跨,跨度30 m及主电室跨,跨度24 m。
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(2)为了简化计算,对炉料跨,主轧跨均采用跨度为9 m的纵向矩形天窗,天窗设至温度伸缩缝区段端部。
(3)建筑物抗震设计烈度为8度,场地土为Ⅲ类场地土。
(4)各跨吊车均按国产定型吊车样本数据计算,钢材均采用国内标准产品。
(5)厂房建筑面积约为13.5万平方米。屋面板采用W-550型压型钢板。为简化计算不采用保温措施。
(6)屋面系统未考虑屋架间设有检修悬挂吊车,由于厂房吊车为重、中级工作制,吊车两侧设有通长的钢走道板。
2 伸缩缝的设置
由于厂房规模较大,纵,横向尺寸较长,且平面形状不规则,需设置横向伸缩缝,将厂房分为几个温度区段,采用双柱缝方案。厂房横向尺寸虽然超过了规范规定的横向温度区段长度,但不设置纵向伸缩缝。设计时控制上柱刚度,并在做施工图时采取措施以释放温度应力。
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3 方案比较分析
屋盖结构构件包括:屋架及托架、檩条、天窗架以及相应的屋盖支撑系统。
作用在屋盖结构上的荷载有恒载(屋面重量及结构自重)、屋面均布活荷载、雪荷载、风荷载、积灰荷载、吊车荷载及其他荷载。
(1)屋架屋架外形有三角形、梯形、人字形或其他多边形等,外形的选择主要取决于房屋用途、与柱刚接或铰接,以及需要的屋面坡度。本方案为轧钢工业厂房,屋面为压型钢板屋面,屋架与柱铰接,屋面坡度I=1/20故屋架选用人字型平行弦上承式屋架。上撑式屋架主要支撑点在柱头或托架上,连接简单,安装时较为稳定,施工方便,但排架的计算高度略有增加。具体设置如下。
12 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架,屋架间距同柱距。
18 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架,屋架间距同柱距。
24 m柱距的屋架采用人字型平行弦上承式屋架,在24 m之间设一榀钢托架,故屋面设置同12 m柱距。
(2)屋面檩条形式有实腹钢檩条和撑杆式、桁架式及蜂窝梁式檩条,设计中对上述檩条作了综合分析。压型钢板的檩条间距常为3～6 m,应将檩条放置于屋架节点上。
①实腹型钢檩条。
多采用实腹槽钢、工字钢、耗钢量较大,一般用于屋架间距12 m以下的厂房,其单位面积耗钢量约为20 kg/m2。
申智惠 ②撑杆式檩条。
可由型钢拼成,其构造简单、施工方便,一般多用于小型厂房,国内大型厂房较少采用。此种檩条和不起侧向支撑作用的W550压型钢板屋面相配,侧向刚度较差,除上弦外,一般还需在下弦拐角处设置拉条,这种形式的檩条耗钢量约为13.3 kg/m2。
③桁架式檩条。
多用于大型厂房,具有结构合理、受力明确、刚度较大等优点(一般可不设檩间拉条或撑杆),但平面桁架侧向刚度差,当屋架间距较大时,常做成三角式或空间桁架。其主要缺点是构造较为复杂,施工麻烦,且屋面结构较为凌乱,影响美观。这种形式的檩条耗钢量约为12 kg/m2。
④蜂窝梁式檩条。
用焊接H型钢或轧制型钢割制拼成,国内曾多次采用,上海宝钢的一些大型厂房也使用过,有较成熟的理论、实践经验。蜂窝梁式檩条屋面简洁、美观,构造简单。18m柱距方案屋面檩条在靠近上翼缘处设置拉条,即可保证上翼缘稳定,在刚度最小平面内可按连续梁考虑。当然,当采用焊接H型钢蜂窝梁时,经计算,若侧向稳定、强度有保证,可不设拉条,檩条下设隅撑,隅撑与檩条结点尽量与拉条交点统一,隅撑作为连续梁支点。这样,连续梁式檩条截面总高度可控制在300 mm以内。这种截面形式的檩条单位面积耗钢量最低,一般约为9 kg/m2。
本工程推荐采用型钢割制的蜂窝梁式檩条。
(3)天窗架。
天窗结构包括天窗架、天窗架上的檩条或大型屋面板、天窗架的支撑、窗檩、端壁骨架、挡风板及其支架。天窗架一般采用格构式,按其腹杆体系可分为以下几种。大灯随动转向
①多竖杆式:由上弦杆、支于屋架节点上的竖向压杆以及斜腹杆组成。这种屋架制作简单,传递给屋架的荷载较为分散。通常用于天窗高度和宽度不太大的情况,否则,竖向压杆的截面较大,数量较多,不够经济合理。
②三支点式:由天窗架侧柱和三角形桁架组成。
③三铰拱式:由两个三角形桁架组成,这种天窗架与屋架的连接点最少,制作简单,运输方便。本工程采用的就是这种天窗架,具体布置如下。
12 m柱距的天窗架、挡风板支架间距与屋架间距相同。18 m柱距天窗架间距设为6 m,其立柱下设置天窗架托架,兼作屋架垂直支撑,此时,尚需在屋架上弦中央节点处设刚性系杆。
(4)屋面支撑。
包括横向支撑、纵向支撑、垂直支撑及水平系杆。本方案设计中除垂直支撑外,其余支撑全部设在屋架上弦平面内。屋架下弦平面外的稳定借助于屋面檩条的隅撑得以保证。温度伸缩区间端部屋面檩条可用桁架纵梁代替,解决端头屋架下弦平面外失稳的问题。
①纵、横支撑。
12 m柱距屋面横向支撑布满温度区间端部柱间。
18 m柱距的横向支撑布置半个柱距的范围,二者的纵向支撑布置范围对于多跨厂房,靠近边列柱时布满两个檩距,靠近中列柱时,不论厂房是否等高,布置在中柱两侧各占一个檩距的范围内。纵横向支撑与屋面檩条,天窗架托架共同组成空间桁架,以加强屋面整体刚度,且有利于安装施工,节约钢材。
②垂直支撑。
屋架、天窗架垂直支撑与柱间支撑对应设置在同一柱间。12 m柱距需在屋架跨度中央设置一道垂直支撑,18 m柱距由于天窗架立柱下有天窗托架,不必设置垂直支撑,只在跨度中央屋架上弦处设置刚性系杆即可。需要指出的是,由于屋架与柱平接,采用上承式结构,故屋架端部不设置垂直支撑,厂房柱间支撑需设至小柱顶部。
4 计算结果及存在问题
(1)各种柱距方案单位面积耗钢量计算结果详见表2,从表中可以看出12 m柱距方案的耗钢量最少,24 m柱距的耗钢量最多,18 m柱距的耗钢量居中。但12 m柱距方案柱子、基础数量多,施工麻烦,进度慢,用于大型轧钢厂房需要多处抽柱才能满足工艺要求,给厂房设计、施工带来很多困难。
24 m柱距方案可以满足工艺要求,厂房整齐、美观,柱子、基础数量少,施工速度快,克服了上述方案的缺点,但耗钢量较多。
18 m柱距方案经工艺局部调整基本上可以满足要求,其优缺点介于以上两个方案之间。
根据上述分析,推荐采用18 m以上柱距方案。
当然,评价一个柱距方案的优劣,还要将地基条件、施工条件等等综合考虑,本文不再赘述。需要补充说明的是,对于大型钢结构厂房,土建模数应考虑工艺要求,要尽量使柱距统一,同跨内两侧对应的吊车梁跨度力求相同,使排架传力明确合理,计算单元简单,加强空间作用整体刚度,简化设计,加强施工速度。
(2)本方案耗钢量比较仅从土建结构角度进行计算的,未考虑工艺要求抽柱及不同天窗形式等因素,因此,单位面积耗钢量偏低,但也基本上反映出不同柱距方案单位面积耗钢量的差异。
(3)由于时间所限,单体构件方案未作广泛比较。比如:屋架形式的选择,屋架上、下弦杆的双角钢方案与“T”型钢方案的比较,18 m柱距方案中天窗架也可以选为9 m间距进行比较等等。上述因素对计算结果
将会产生一定的影响。
(4)厂房轻质封墙设置墙皮柱,墙皮柱与吊车梁辅助桁架联系,承担垂直力,其耗钢量受柱距影响甚微。另外,用厂房面积指标衡量墙皮系统耗钢量意义不大。从表2可以看出,两跨厂房与五跨厂房的墙皮系统耗钢量差异很大,带有一定的片面性,仅供柱距方案对比时参考。金属石墨垫片
5 工业厂房国内外现状
5.1 国外
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经济发达的美国50、60年代已大规模建设钢结构工业厂房。它的优点是显而易见的:施工工期短、见效快,运输、拆迁方便,彩随意。但钢结构厂房造价偏高。
适用条件:具有一定经济实力,国家钢产量达到一定水平。
5.2 国内
我国80～90年代,随着钢产量的增长,逐渐向钢结构厂房方向发展,尤其是现代化的企业,例如宝钢一、二、三期工程。
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