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        大跨度工業(yè)建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計

        2020-12-28 06:59:42龍顯國
        中國房地產(chǎn)業(yè)·上旬 2020年11期
        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)

        龍顯國

        【摘要】為滿足工業(yè)建筑廠房的運行需求,讓工業(yè)建筑廠房具有跨度大、 層高高、建筑空間大、荷載大等特點,從而對于工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜多樣,且具有相當難度。特別是大跨度工業(yè)建筑的屋面鋼結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計是重中之重,如果選擇的型號不符合工業(yè)建筑的實際需求,就會引發(fā)新的問題,需要深入現(xiàn)場考察,結(jié)合已有資料展開設(shè)計,才能得到科學合理的屋面鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,同時還要展開優(yōu)化設(shè)計,才能為后續(xù)的屋面鋼結(jié)構(gòu)施工奠定良好的基礎(chǔ)。本文以某項目為例,對大跨度工業(yè)建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計進行探討。

        【關(guān)鍵詞】大跨度;工業(yè)建筑;屋面;鋼結(jié)構(gòu);選型設(shè)計

        1、項目簡述

        某重型裝備制造基地重型鋼結(jié)構(gòu)廠房地處某市新區(qū)東南角,廠房長384m,寬114m,占地面積約4×104m2;廠房柱距12m,跨度36m+42m+36m。屋架下弦最低標高為16.20m-27.02m;北跨設(shè)雙層吊車(上層為2臺160t/50t吊車,軌高22.5m;下層為2臺75t/20t吊車,軌高18m),中跨設(shè)2臺100t/32t橋式吊車(軌高16m),南跨設(shè)2臺50t/5t橋式吊車(軌高12.30m)。項目規(guī)劃之初,鑒于建設(shè)地日常風力較大、空氣潔凈度較高、年輻射總量高于市區(qū),非常有利于太陽能發(fā)電,同時重型工業(yè)廠房單體建筑面積大、屋頂高、屋面利用率高,并具有與建筑整體相結(jié)合的展示作用,為充分利用清潔能源,降低重裝備制造業(yè)的能耗,使重裝備"輕"起來,在重型鋼結(jié)構(gòu)廠房輕型屋頂之上建1MW太陽能光伏電站,通過多次論證,最終確定在本聯(lián)合廠房南跨13000m2的屋面上滿鋪太陽能電池板。

        2、大跨度工業(yè)建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)風荷載分析

        該廠房為三跨結(jié)構(gòu),在屋面上安裝大量的太陽能電池板,查找現(xiàn)行規(guī)范后,發(fā)現(xiàn)廠房可以參考雙坡屋面結(jié)構(gòu),但是屋面本身設(shè)置了大量的太陽能電池板,并且與屋面保持20°左右的夾角,保持架空狀態(tài),在氣流逐漸流過屋面時,會產(chǎn)生一定的風吸力,可能對屋面鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負面影響。查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn),在負壓集中的區(qū)域,經(jīng)常出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象,特別是外形存在突變現(xiàn)象的位置,如屋檐、屋面邊緣等,更容易出現(xiàn)流動分離、再附等現(xiàn)象。本次研究的工程采用太陽能電池板,利用轉(zhuǎn)換層連接屋面及支架結(jié)構(gòu),風流經(jīng)屋面時,會被墻體阻隔,導致氣流淤積在電池板下部,與屋面之間產(chǎn)生正壓,與電池板之間產(chǎn)生負壓。該工程位于臺風多發(fā)的區(qū)域,臺風經(jīng)過屋面時,會產(chǎn)生強大吸力,引發(fā)風振現(xiàn)象,會對屋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破壞,但是國內(nèi)這方面的研究相對較少,沒有可以參考的實例,為此應(yīng)該按照風載最不利的情況研究,展開對管桁架的受力分析,其中吸風作用設(shè)置為最大,計算后發(fā)現(xiàn)桿件沒有出現(xiàn)任何內(nèi)力變化,仍然處于安全的狀態(tài)。

        3、大跨度工業(yè)建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)選型分析

        一般情況下,工業(yè)建筑廠房都采用桁架作為屋面結(jié)構(gòu),還要配合使用大型屋面板,有時也會回用網(wǎng)架結(jié)構(gòu),近些年開始逐漸采用實腹鋼梁輕質(zhì)屋面,應(yīng)用案例越來越多。本次研究的工程擁有以下特點:廠房屋面整體呈現(xiàn)為階梯狀,上面增設(shè)了太陽能發(fā)電電池板,較普通輕質(zhì)屋蓋相比,荷載增加1kN/m2,屋面結(jié)構(gòu)由三種選型方案,分別為網(wǎng)架方案、管桁架方案及實腹板方案,具體內(nèi)容如下:

        一是網(wǎng)架方案。這種方案更容易承受豎向荷載,但是該工程的縱橫向跨度較大,如果應(yīng)用網(wǎng)架方案,需要依據(jù)主跨尺寸確定高度,要花費較多的成本費用搭建網(wǎng)架結(jié)構(gòu),經(jīng)濟性較低。在外界溫度出現(xiàn)變化時,網(wǎng)架縱向上的附加應(yīng)力也會隨之上升,很難采用常規(guī)手段處理這部分附加應(yīng)力,為此不考慮網(wǎng)架方案。

        二是鋼梁方案。該工程的跨度較大,并且設(shè)置了太陽能電池板,增加屋面鋼結(jié)構(gòu)荷載,如果采用鋼梁方案,需要采用剛接的方式連接梁柱結(jié)構(gòu),彎矩會逐漸傳遞給柱子,導致柱子受力不平衡,如果梁端的彎矩達到一定數(shù)值,甚至還會增加柱子截面,對后續(xù)的吊車設(shè)置帶來不便。

        三是管桁架方案。采用管桁架方案時,首先要連接柱子和管桁架,采用鉸接的方式,柱子可以保持一個均勻受力的狀態(tài),結(jié)合工程實際情況,可以采取三角形管桁架,由腹桿與上弦雙支管共同形成穩(wěn)定的桁架,在運行期間不會出現(xiàn)不穩(wěn)的問題,接下來還要連接下弦管,保持屋面鋼結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性,不需要額外設(shè)置縱向支撐結(jié)構(gòu),同時還要注意設(shè)置垂直支撐,一般都是沿著縱向方向設(shè)置,可以更好地傳遞水平力。

        在完成屋面該結(jié)構(gòu)選型的技術(shù)論證以后,還需要展開經(jīng)濟性對比,具體數(shù)據(jù)如下:一是管桁架方案,單價為10000元/t,造價為1690萬元。二是鋼梁方案,單價為7000元/t,造價為2015萬元。三是網(wǎng)架方案,單價為7500元/t,造價為2005萬元??梢钥闯觯荑旒艿膯蝺r費用相對更高,但是總體造價更低,僅僅占到其他兩種方案造價的75%左右,可以節(jié)省大量的成本費用,為此選擇管桁架方案。

        4、大跨度工業(yè)建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及優(yōu)化措施

        4.1管桁架優(yōu)化設(shè)計

        管桁架是廠房屋面的重要構(gòu)件,要結(jié)合工程實際情況,對比不同寬度方案的經(jīng)濟性,本次研究共計選擇兩種寬度方案,一種為4.0m寬度方案,造價為1690萬元,另一種為30m寬度方案,造價為1780萬元。同時還要考慮到兩種寬度方案是否符合施工要求,經(jīng)過對恒載、活載、風載等不同情況下的模擬測試,發(fā)現(xiàn)兩種寬度方案都可以保證廠房屋面鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為此,選擇上弦寬度為4m,該方案不僅擁有更強的經(jīng)濟性,還可以減少管桁架的自重,縮減檀條的重量,減輕整個屋面鋼結(jié)構(gòu)的負擔。

        4.2屋面檀條的設(shè)計

        根據(jù)上述研究可知,在支撐檀條時,可以選擇管桁架上弦管,同時檀條擁有兩個跨度,分別為4m和8m,結(jié)合工程的實際情況,最終選擇連續(xù)檀條,這種方案不但可以滿足屋面鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求,還可以提高檀條設(shè)計的經(jīng)濟性。

        4.3屋面支架的設(shè)計

        根據(jù)工程簡介可知,屋面上方鋪設(shè)大量的太陽能電池板,為此要設(shè)置大量的電池板支架,如果每個支架都采取穿透支撐的方式,就會給彩鋼屋面留下大量的孔洞,增加防水設(shè)計難度。為此,在屋面支架設(shè)計中,在屋面上額外設(shè)置一個托梁,整體保持一個加工的狀態(tài),將電池板支架連接到設(shè)置好的托架梁上方,同時連接好屋面結(jié)構(gòu),這樣就可以在屋面范圍內(nèi),得到混凝土組合版屋面結(jié)構(gòu),這處屋面也可以合理利用,設(shè)置為參觀區(qū)域、檢修區(qū)域等,在建設(shè)完組合板屋面以后,還要合理設(shè)置預埋件,實現(xiàn)對剛托梁的固定處理,通過上述設(shè)計方案,不需要多次穿越彩鋼板屋面,為后續(xù)的防水設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ),消除漏水隱患。此外,在組合板與屋面的交接位置上,還要采用混凝土材料設(shè)置出翻口,主要是為后續(xù)防水做準備,滿足泛水要求。

        4.4施工安裝設(shè)計

        在廠房屋面上安裝電池板時,要注意保護彩鋼板及卷材,避免安裝期間尖銳工具產(chǎn)生破壞,為此要合理設(shè)計施工安裝步驟:一是要減少焊接工序,主要是焊接容易產(chǎn)生大量的火花,可能損壞電池板,為此要優(yōu)先選擇螺栓連接的方式,盡可能避免焊接作業(yè)。二是要遠離屋面一段距離支設(shè)支架,這樣才能給后續(xù)的檢修工作預留充足的空間。

        結(jié)語:

        綜上,近些年我國工業(yè)經(jīng)濟迅速發(fā)展,涌現(xiàn)出大批工業(yè)建筑項目,很多廠房跨度較大,選用鋼結(jié)構(gòu)材料建設(shè)屋面,為此要結(jié)合實際情況展開屋面鋼結(jié)構(gòu)選型設(shè)計,常用的鋼結(jié)構(gòu)方案包括鋼梁方案、網(wǎng)架方案、管桁架方案等,每種方案的優(yōu)缺點不同,需要結(jié)合實際需求合理選擇,再確定具體的鋼結(jié)構(gòu)方案以后,還要展開優(yōu)化設(shè)計,確定施工方案,盡可能選擇經(jīng)濟性更強的施工方案,才能保證工程建設(shè)的經(jīng)濟效益。

        參考文獻:

        [1]蔡瑞琦.重型大截面桁架拼裝施工技術(shù)在電子廠房大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2019(12):184-185.

        [2]張路,朱禹風,崔小連,等.2019北京世園會媯汭劇場鋼結(jié)構(gòu)屋面體系選型及分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2019(17).

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