冶金工业钢结构厂房屋面系统优化设计的应用.pdf

第3 2 卷2 0 1 4 年第 1 期 总第 1 6 9 期 使用与维护 冶金工业钢结构厂房屋面系统优化设计的应用 王国武王辉刘银萍 鞍钢集 团工程技术有限公司 鞍 山 1 1 4 0 2 1 【 摘要】 通过具体的工程实例， 对冶金工业钢结构厂房屋面系统的优化设计进行了阐述， 提出了切实可 行的结构体系、 计算模式和具体的节点构造， 达到了节约钢材， 降低工程造价的 目的。 【 关键词】 屋面系统优化预起拱蜂窝梁上乘式平板支座双向角隅撑双拉条 Ap p l i c a t i o n o f Ro o fin g S y s t e m Op t i mi z a t i o n De s i g n i n S t e e l S t r u c t u r e Bu i l d i n g o f M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r y W ANG Gu o WH ， W ANG Hu i ， LI U Yi n -p i n g A n s t e e l E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， An s h a n 1 1 4 0 2 1 【 A b s t r a c t 】 C o m b i n i n g w i th t h e s p e c if i c e n g i n e e ri n g c a s e s ， d e s c ri b e t h e o p t i m i z a t i o n d e s i g n o f s t e e l s t r u c t u r e b u i l d i n g r o o fin g s y s t e m i n me t a l l u r g i c a l i n d u s t r y ，a n d p r o p o s e a p r a c t i c a l s t r u c t u r e s y s t e m， c alc u l a t i o n m o d e l a n d s p e c i fi c n o d e s t r u c t u r e ． T h e p u r p o s e o f s t e e l ma t e ri a l s a v i n g a n d p r o j e c t c o s t r e d u c t i o n i S a c h i e v e d ． 【 K e y w o r d s ] R o o fi n g s y s te m o p t i m i z a t i o n ， p r e c a m b e r ， h o n e y c o m b b e a m ， n o n s u b m e r g e d p l a n e p l a t e s u p p o ， t w o - wa y k n e e b r a c e ， d o u b l e b r a c e 近年来， 随着工艺技术的进步， 新建厂房吊车 的吨位 、 柱距及跨度越来越大 ， 为了降低工程造 价、 节约钢材， 传统的屋面结构体系已难以适应发 展要求， 需在确保安全的前提下对屋面系统进行 优化设计。 近几年鞍钢的一些工业钢结构厂房屋面系统 采用了新的方式和方法进行创新设计 ， 对传统屋 面结构形式进行了改进 ， 并在实际工程项 目中付 诸实施， 验证了其可行性。 1 屋面梁预起拱的应用 大吨位重级工作制 吊车 、 大跨度重工业钢结 构厂房设计屋面梁结构时， 传统的做法是将变形 作为控制指标， 这就使屋面梁应力远远没有达到 极限状态， 浪费了钢材。而新型屋面预起拱设计 是按照结构恒荷载进行屋面梁变形计算 ， 并以该 数值预先将梁作反变形n ， 减少屋面梁变形的绝对 值， 同时采用高强度钢材， 充分发挥了梁变形和应 力同时达到极 限状态的潜力 ， 从而达到节约钢材 和美观的 目的。 鞍钢鲅鱼圈炼钢连铸主厂房的连铸出坯跨为 3 3 m跨 ， 柱距为3 0 m， l 8 m， 2 7 m， 柱距间设置托架 ， 一 6 一 屋面主梁问距为 9 m， l O m， 支撑 为人字形 H W2 0 0 2 0 081 2 型钢 ， 屋面次梁为 H M4 4 0 3 0 01 1 1 8 型钢， 屋面板为7 0 0 m m宽3 ra m厚c 行压制钢板， 天窗宽 1 0 m高5 m， 柱间设置一个。 屋面主梁计算跨度为3 3 m， 计算单元为9 m 3 3 m， 恒载 为 6 9 ． 6 k N ／ m， 活载 为 9 ． 7 k N ／ m， 按 屋面预 起拱与传统计算方法相 比较 ， 传统方法用钢量 2 4 6 k m ， 屋面梁预起拱用钢量2 2 3 k g ／ m 。 由此可见， 屋面系统单位建筑面积每平方米 用钢量比传统方法节省2 3 k g 。按整个炼钢连铸主 厂房 1 2 万m 计算 ， 可节省2 7 6 0 t 钢材。 2 蜂窝檩条的应用 檩条是有檩屋盖结构体系中的主要构件 ， 因 其使用覆盖面积较大， 用钢量亦相当可观， 故在设 计中应注意合理选型和布置。蜂窝檩条是将H型 钢沿设定的齿槽折线切割， 然后错开将腹板凸出 部分对齐焊接， 形成蜂窝状空格的H型钢， 适用于 屋架间距大 、 跨度大的檩条。蜂窝檩条组合后由 于断面高度提高， 惯性矩增大， 所以提高了材料的 利用率， 可以减少耗钢量。与型钢檩条相比具有 自重轻 、 承载能力高及便于穿设管线等特点。其 使用与维护 第3 2 卷2 0 1 4 年第1 期 总第 1 6 9 期 缺点是制作过程中， 焊缝过多， 需要切割口 。 鞍钢凌钢朝阳钢铁项 目1 7 0 0 A S P 连铸部分主 厂房跨度为3 3 m， 柱距为2 4 m， 1 8 m， 2 8 m， 柱距间设 置托架， 屋面梁间距为1 2 m， 1 4 m， 1 8 m， 屋面梁系统 采用有檩体系的轻屋盖 ， 这种结构形式具有结构 简单、 受力明确、 自重轻、 施工快、 外观简捷、 寿命 长等特点， 檩条采用蜂窝檩条。在檩条计算中， 如 果不考虑隅撑的支点作用 ， 檩条为简支梁 ， 断面由 挠度控制。由于断面过大 ， 应力富裕。隅撑与屋 架下弦及檩条连接。通过蜂窝梁檩条优化设计与 实腹型钢檩条设计屋面用钢量比较， 采用蜂窝梁檩 条方法 用钢量 为 1 3 8 k g ／ m ， 实腹 型钢檩条 用钢量 1 6 2 ．5 k g ／ m 。屋面系统单位建筑面积每平方米用钢 量比传统方法节省2 4 ． 5 k g 。 3 双向角隅撑、 上乘式屋架支座、 预起拱的应用 传统做法屋盖支撑系统包括横向支撑 、 纵向 支撑 、 竖向支撑和系杆 刚性系杆和柔性系杆 ， 对于柱距大 ， 吊车工作频繁 ， 屋面设有检修电葫 芦的厂房， 要求屋盖支撑刚度更大， 理论上最好 采用上下弦杆均设置支撑系统 ， 但这样会导致屋 面系统结构复杂 ， 用钢量增大。在确保屋盖系统 安全稳定的前提下 ， 可采用双向角隅撑结构优化 支撑系统。具体做法是将屋盖纵向和横向水平 支撑均布置在屋架或屋面梁的上翼缘 ， 并用檩条 兼做压杆， 航嘉下弦杆的稳定通过角隅撑将下弦 节点与檩条相连接来实现， 从而保证下弦杆的稳 定 ， 又避免了再设一套下弦支撑体系。其基本思 路就是将下弦杆有可能产生的受压失稳 ， 通过隅 撑拉压杆系最终传导至刚度很大的上弦屋面支 撑体系， 传力路径简捷明确 ， 受力合理。通过设 置角隅撑方式， 可以避免在下弦设置横向和双向 角隅撑支撑 ， 使整个屋面系统简洁美观， 节省用 钢量。 在采用上乘式屋架平板式支座时， 其支座形 式采用平板式支座， 可有效减少厂房柱的计算长 度， 降低柱截面尺寸 。屋架预起拱原理与屋面梁 预起拱相同， 同样可以达到节约钢材的目的。 攀钢西昌冷轧项 目成品库主厂房为3 3 m跨 、 3 9 m跨 ， 柱距 为 1 5 m， 1 8 m， 屋 架间距为 1 5 m， 1 8 m， 采用预起拱屋架， Q 2 3 5 钢材， 支座形式为上乘式屋 架平板式支座， 屋架系统采用有檩体系的轻屋盖， 檩条采用蜂窝檩条， 檩条间设置两道拉条保证檩 条侧向稳定。双隅撑与屋架下弦及檩条连接。厂 房的每一个温度区段均设独立完整屋面支撑。屋 盖的横向水平支撑及纵向水平支撑布置在屋架的 上弦， 并通过隅撑稳定屋面梁下弦。经过计算， 用 双拉条檩条与单拉条檩条比较， 传统方法屋面用 钢量 2 1 ．4 8 k m ， 双拉 条檩条 做法屋 面用钢量 1 3 ． 8 4 k g ／ m 。可见， 双拉条檩条比传统单拉条檩条 每平方米耗钢量节省7 ．6 4 k g 。 4其他 在屋面系统优化设计中， 还有采用管桁架、 倒 T 行屋架等一些优化方法。对于屋面设计中几种 常见结构形式的优缺点分析比较见表 1 。 表1 各种屋架结构的优缺点比较 5结论 在工业钢结构厂房屋面系统设计中， 采用先 进成熟的技术 ， 并在施工图设计 中， 进行优化设 计， 采用合理的结构方案， 可以达到减少耗钢量 ， 控制工程投资目的。 参考文献 【 1 】 钢结构设计规 范 G B 5 0 0 1 7 --2 0 0 3 ． 2 0 0 3 2 0 2 1 ． 【 2 】 钢 结构设计与计算． 机械工业 出版社 ， 2 0 0 0 ； 1 3 8 - 2 56 ． 【 3 】 钢 结构设计手册． 3 版． 中国建筑工业 出版 ， 2 0 0 4 ， 1 6 1 0 8 2 9 3 ． 2 0 1 2 1 0 2 4 收稿 一 7 一