肖思奇

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081)

單層廠房屋蓋系統(tǒng)探析

肖思奇

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081)

以國內(nèi)常用的屋蓋系統(tǒng)為分析對象，闡述了各種屋蓋的結(jié)構(gòu)特點、力學(xué)性能、剛度、抗震性能、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、施工技術(shù)等，為單層廠房屋蓋方案選型提供借鑒。

單層廠房;屋蓋系統(tǒng);梁板合一;大雁板

0 引言

進入新世紀(jì)以來，我國的建設(shè)發(fā)展速度飛快，令人矚目，大量興建各種廠房和倉庫。這些建筑的共同特點是單層且有大面積的屋蓋系統(tǒng)。國內(nèi)常用的屋蓋形式有2種:①梁板式屋蓋，這類屋蓋由屋架、屋面板與支撐系統(tǒng)組成。屋架與屋面板分開受力，對屋架來說，屋面板是一種荷重，兩者不共同工作。②梁板合一屋蓋，這類屋蓋是將屋面梁與板合二為一，二者共同工作。國內(nèi)常用的梁板合一屋蓋結(jié)構(gòu)有V形折板屋蓋、T形板屋蓋、鞍形殼板屋蓋、大雁板屋蓋等。

1 常用屋蓋

1.1 傳統(tǒng)屋蓋

目前國內(nèi)最常用的屋蓋有以下3種:①預(yù)應(yīng)力混凝土折線形屋架大型屋面板屋蓋，屬無檁體系屋蓋，由預(yù)應(yīng)力混凝土折線形屋架、支撐系統(tǒng)和大型屋面板組成;②梯形鋼屋架大型屋面板屋蓋，屬無檁體系屋蓋，由梯形鋼屋架、支撐系統(tǒng)和大型屋面板組成;③輕型屋面梯形鋼屋架彩鋼板屋蓋，屬有檁體系屋蓋，由梯形鋼屋架、支撐系統(tǒng)和壓型鋼板組成。

傳統(tǒng)屋蓋的共同特點是:屋架在其自身平面內(nèi)為幾何形狀不變體系，剛度大，能夠承受屋架平面內(nèi)的設(shè)計荷載。但是屋架自身在垂直于屋架平面的側(cè)向(平面外)，剛度和穩(wěn)定性很差，不能承受水平荷載。需要在屋架間設(shè)置支撐系統(tǒng)來保證屋蓋系統(tǒng)的空間剛度和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)屋蓋標(biāo)準(zhǔn)化程度高，技術(shù)成熟，使用廣泛。

1.2 梁板合一屋蓋

大雁板屋蓋，是在V形折板屋蓋的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它以T形板和V形折板為基礎(chǔ)，兼容上述2種屋蓋優(yōu)點實現(xiàn)梁板合一。它取V形折板波形屋蓋的構(gòu)造特點，將下縫處理成整體無縫，并且增加肋梁，在肋梁上施加預(yù)應(yīng)力，上縫作為拼裝縫。構(gòu)件受力方面，使T形板的水平翼板兩端向上傾斜，肋梁盡量變矮，截面形狀即由T形變?yōu)閅形。

圖1 單塊大雁板Fig.1 Single Wild－Goose－Shaped Slab

(1)大雁板的計算。單塊大雁板要對縱向(跨度方向)和橫向(波寬方向)分別進行計算，內(nèi)力和位移均按彈性階段計算。在均布荷載作用下縱向簡化為異形截面梁按兩端簡支計算，橫向不考慮上折縫對板面的約束按一端鉸接一端固定計算。計算時根據(jù)使用條件和施工階段，分別進行承載力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)計算。計算荷載根據(jù)使用過程中可能同時出現(xiàn)的荷載，按《GB 50009－2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定進行荷載效應(yīng)組合。

(2)大雁板的穩(wěn)定性。大雁板是空間薄壁構(gòu)件，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定很敏感，構(gòu)件在吊裝過程中沒有連接成整體時處于單體工作狀態(tài)(最不利狀態(tài))，要對構(gòu)件整體穩(wěn)定進行分析。根據(jù)極限狀態(tài)計算原則，其穩(wěn)定計算公式為:

式中:

[Mcr]——整體穩(wěn)定臨界彎矩;

MG——設(shè)計荷載彎矩;

Ec——混凝土初始彈性模量;

Ik——截面抗扭慣性矩;

βx——考慮截面不對稱影響的常數(shù);

a——截面重心到剪切中心的距離，截面重心在剪切中心之上時取正值，反之取負值;

δ——動力系數(shù)取1.2;

γG——恒荷載分項系數(shù)取1.2;

M1'——預(yù)應(yīng)力混凝土V型折板標(biāo)準(zhǔn)自重產(chǎn)生的最大彎矩，自重按實際截面尺寸計算。

大雁板受荷彎曲時，截面下部受拉、上部受壓。由于上部翼緣板較薄，須對其局部穩(wěn)定進行分析。采用能量法，其局部穩(wěn)定臨界應(yīng)力計算公式為:

式中:

σcr——局部穩(wěn)定臨界應(yīng)力;

k——臨界應(yīng)力系數(shù)，按開裂控制k取1.70，按極限強度控制k取2.08;

E——彈性模量;

μ——泊桑比，混凝土μ=0.2;

b、t——板的寬度、厚度。

(3)大雁板施工及安裝。大雁板是大型構(gòu)件，通常采用后張法預(yù)應(yīng)力制作;吊裝與梁類構(gòu)件類似，采取兩點起吊，由于構(gòu)件重心高，起吊過程中容易發(fā)生傾翻，吊裝過程中常用副吊繩加以穩(wěn)定，并用花蘭螺絲調(diào)整平衡;吊裝就位后，即將肋梁底部鋼板與托梁頂部鋼板焊接，再將相鄰小肋間的鋼板用鋼筋焊接，接著將相鄰大雁板的間隙用細石混凝土嵌縫，縫頂用防水油膏灌縫，再在小肋上用細石混凝土呈弧形光滑收面。待上述工作完畢且砼達到設(shè)計強度后，再施工建筑面層。

2 工程實例

遵義氧化鋁廠氫氧化鋁倉庫屋蓋:廠房長度150.07 m，跨度30 m，柱距6 m，采用鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu);屋面采用大雁板屋蓋系統(tǒng)，共用大雁板50塊，屋面投影面積4 502 m2。

由于屋蓋結(jié)構(gòu)的重復(fù)性，該文只取該倉庫伸縮縫一側(cè)(①～○13線)屋蓋來進行設(shè)計分析比較。此段屋面長72 m，跨度30 m，柱距6 m，共12排柱子。每排柱子通過托梁支承2塊大雁板，共設(shè)置24根托梁;單塊大雁板跨度30 m寬3 m，屋面共布置了24塊大雁板。端部及伸縮縫處2塊大雁板用系桿(XG－1)連接，系桿采用φ159X6鋼管。

圖2 廠房剖面圖Fig.2 Factory Building Section Plan

對該屋蓋進行實物工程量統(tǒng)計，其中材料用量:混凝土123.8 mm/m2，鋼材用量20.96 kg/m2。

在相同外部條件下，將該車間屋蓋按傳統(tǒng)屋蓋設(shè)計。

(1)預(yù)應(yīng)力混凝土折線形屋架大型屋面板屋蓋。使用砼屋架13榀，屋面板240塊，天溝板24塊，支撐、系桿若干。通過實物工程量統(tǒng)計，材料用量:混凝土 97.3 mm/m2，鋼材 20.16 kg/m2。

(2)梯形鋼屋架大型屋面板屋蓋。使用鋼屋架13榀，屋面板240塊，天溝板24塊，支撐、系桿若干。通過實物工程量統(tǒng)計，材料用量:混凝土63 mm/m2，鋼材 40.25 kg/m2。

(3)輕型屋面梯形鋼屋架鋼彩板屋蓋。使用鋼屋架13榀，彩鋼板若干，支撐、系桿若干。通過實物工程量統(tǒng)計，鋼材36.92 kg/m2。

3 各屋蓋綜合分析比較

表1 各屋蓋的性能和特征表Tab.1 Performance and Characteristics of Various Roofs

續(xù)表1

通過大量工程實例對比:大雁板的跨度越小，其材料用量與砼屋架大板屋蓋的材料用量越為相近，甚至更小;

當(dāng)?shù)卣鹆叶取?度時，大雁板用鋼量不會因地震烈度而改變，而傳統(tǒng)屋蓋隨著支撐系統(tǒng)的加強用鋼量會隨之上升。

在外部條件相同的情況下，各屋蓋綜合造價排序如下:輕鋼屋架彩板屋蓋＜大雁板屋蓋≈砼屋架大板屋蓋＜鋼屋架大板屋蓋。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)屋蓋與梁板合一屋蓋各有優(yōu)劣，方案的選擇對屋蓋的造價和工期有極大影響。單層廠房屋蓋方案選型，要結(jié)合屋蓋的使用條件、使用年限、建筑美觀、造價和工期等因素綜合考慮。梁板合一屋蓋有其自身優(yōu)勢和特點，但在使用量上卻遠不及傳統(tǒng)屋蓋，設(shè)計人員結(jié)合工程實際，綜合對比后可優(yōu)先選用此類屋蓋。

[1]陳醒輝.V形折板屋蓋設(shè)計與施工規(guī)程[S].北京:中國計劃出版社，1993.

[2]薛偉辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3]宋玉普.預(yù)應(yīng)力混凝土建筑結(jié)構(gòu)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.

Probe on Roof Systems for Single－Story Factory Buildings

XIAO Si－qi
(Guiyang Aluminum－Magnesium Design＆ Research Institute Co.Ltd，Guiyang 550081，China)

Taking some widely used roof systems in China as the analysis object，the structural features，mechanical properties，stiffness，seismicity，technical and economic targets and construction technology of various roof systems were introduced，which provides scheme selection of monolayer workshop roof for reference.

single－story factory building;roof system;beam－slab－in－one;wild－goose－ shaped slab

TU318

A

1004－2660(2012)01－0047－04

2012－01－05.

肖思奇(1979－)，男，貴州人，工程師.主要研究方向:建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計.