对工业厂房屋面轻钢结构设计的探讨赵伟智

对工业厂房屋面轻钢结构设计的探讨赵伟智

赵伟智

中国市政工程中南设计研究总院有限公司新疆分公司新疆乌鲁木齐830000

摘要：在现代工业厂房中，钢结构应用越来越加广泛，钢结构设计合理与否，直接决定着工业厂房安全与使用寿命。本文就对工业厂房屋面轻钢结构设计展开探讨，以期为同类工程提供一定借鉴。

关键词：工业厂房；屋面轻钢结构；设计；探讨

在现代建筑行业中，轻钢结构得到人们越来越多的重视，其高强度、轻自重以及塑性、韧性良好的优点，将其应用于建筑工程中，能够降低施工难度、缩短施工时间，尤其是在工业厂房屋面中，轻钢结构应用更为普遍。本文就对工业厂房屋面轻钢结构设计展开探讨，以期为其实际应用提供帮助。

一、工业厂房工程概述

以某工业厂房为例，该厂房使用混凝土柱钢屋架结构，柱间距为6m，截面为35cm*50cm，横梁为H型钢梁，拉杆设在横梁下弦；屋架拱高为1.7m，使用1.2m间距的C型钢作为檩条；屋面防水材料为轻质长尺压型钢板，屋面的恒载、活载均为0.3kN/㎡，本地基本风压为0.6kN/㎡。

二、工业厂房屋面轻钢结构设计探讨

（一）计算荷载

在工业厂房屋面轻钢结构设计中，必须保证轻钢结构有足够的承载力，能够满足荷载要求，才能确保屋面轻钢结构的正常使用，所以，需要先对其荷载进行计算。

屋面荷载主要是由永久荷载、风荷载以及施工荷载三部分组成的，其中，永久荷载包括檩条自重、屋架和支撑自重以及压型钢板自重，在本工程中，此三者标准者按屋面水平投影标准值计算，分别为0.1kN/㎡、0.2kN/㎡、0.08kN/㎡，合计为0.38kN/㎡[1]。

由于此地区风力较大，有台风影响，需要着重考虑风荷载，风荷载标准值计算公式是，其中，为Z高度风振系数，本文取1，为风荷载体型系数，在迎风面和背风面分别取-0.9和-0.8，是风压高度变化系数，结合本地实际情况，可以取1.0，故而，与屋面垂直的风荷载标准值在迎风面、背风面分别是-0.54kN/㎡和-0.48kN/㎡。

在本例中，施工荷载取水平投影标准值，即0.30kN/㎡。

（二）设计连接形式

屋面钢梁与混凝土柱间的连接形式主要有两种，其中，当屋面跨度低于15m时，宜采用铰连接方式；当跨度超过15m时，宜使用刚连接方式。在两种连接方式中，铰连接是相对容易实现的，而由于混凝土、钢材在材料性质、施工条件等方面的差异，刚连接实现有一定难度。对此，在轻钢结构设计中，刚连接实现的方式主要有两种，一是混凝土柱顶设置短钢柱，在此节点处完成刚连接；另一种是在混凝土柱四周预埋20mm以上厚度钢板，并通过钢筋来连接钢板，形成混凝土、钢板统一整体，钢梁直接焊接在钢板上，实现刚连接。

（三）设计受力构件

在工业厂房屋面轻钢结构设计中，受力构件是屋面承载力高低的决定性因素，直接关系的屋面轻钢结构的可靠性，受力构件主要有檩条、拉条以及钢梁等，需要做好各受力构件的设计。

首先，对于檩条的设计，轻钢结构檩条有结构式、实腹式两种，前者常用的有下撑式、空间桁架式以及平面桁架式，适用于檩条跨度超过9m的屋面；后者主要有槽钢、H型钢、卷边C型或Z型冷弯薄壁型钢等，适用于檩条跨度在9m以下的屋面。在檩条设计中，通常采取单跨简支构件设计方式，在檩条长度为4-6m时，需在其中间部位设计撑杆或拉条；对于超过6m长的檩条，需要平均设置两道撑杆或拉条；如果采用结构式，檩条高度以长度1/12-1/20为宜，采用实腹式，檩条高度以长度1/35-1/50为宜[2]。

檩条所受的荷载主要有自重、风荷载、雪荷载以及屋面恒活荷载等，在活荷载取值中，在檩距＜1.0m、雪荷载＜0.5kN/㎡条件时，需要对檩条承载力进行验证；对于实腹式檩条，需要对其变形、稳定性以及强度等进行验算。如果屋面维护结构能够对檩条侧向位移、扭转起到阻挡作用，可以不对檩条整体稳定性展开验算。

其次，对于拉条的设计，在屋面轻钢结构中，如果采用自攻螺丝连接檩条与屋面板，则两者间连接牢固性较强，檩条扭转、侧向位移等不会发生，可以在檩条下缘1/3处设置拉条，但是，存在防水能力差、温度应变能力低等问题，实用性较低。

在当前屋面板中，通常采取暗扣式连接，通过支架将面板与檩条连接起来，随着温度变化，屋面板会自由滑动，预防热胀冷缩导致变形问题；然而，同样因为屋面板的自由滑动问题，无法对檩条扭转、侧向移动产生有效的约束，受荷载影响，檩条上翼缘会受到压力，在设计拉条时，应将其设置在上翼缘1/3处，保持上翼缘稳定性。此外，如果存在较大风荷载，各种荷载的合理主要受力部位是下翼缘，仅靠上翼缘拉条是无法确保下翼缘稳定性的，所以，需要同时在下翼缘1/3处设计檩条，提高整个檩条侧向稳定性。

第三，对于钢梁的设计，从上述可知，钢梁与混凝土柱柱顶的连接有刚接、铰接两种，在不同连接形式中，钢梁的截面形式、受力情况等也有所不同，所以，在设计钢梁时，需要根据具体情况，来设计合理钢梁。其中，对于铰连接，应当按照两端小截面、中部大截面方式设计；对于刚连接，则应当按1:2:1的比例将截面对称划分，混凝土柱附近与跨中附近1/8段均作成从大到小变截面，其余部分均分成小截面。

在钢梁设计中，还需要对钢梁的变形、稳定性以及强度等进行验算，变形验算参照《钢结构设计规范》要求的挠度范围；稳定性需要通过加肋、系杆等构造措施来完成；强度验算参照相关公式进行，对于两端刚接钢梁，由于在节点处存在剪力、弯矩，还需要验算梁腹板高度、边缘处应力。

第三，节点也是影响受力构件的重要因素，需要做好节点设计，主要是钢梁间连接点、钢梁与混凝土柱体连接点。为方便构件的运输与安装，对12m以下的钢梁，应采取加工场地焊接、现场吊装的方式，减少高空作业风险；对于12m以上的钢梁，其连接方式多采用摩擦型高强度螺栓，在节点设计时，需要根据实际情况，选择螺栓连接或者焊缝连接方式，并对其进行抗弯、抗剪验算。

最后，支撑系统设计，支撑系统是屋面轻钢结构安装、使用稳定的重要保障，主要有横向水平支撑、系杆以及隅撑，其中，水平支撑设置部位是温度区间端部一、二开间，间隔以30-60cm为宜，使用的材料以十字交叉角钢、张紧圆钢为主；系杆则应设置在各个开间，多使用成型钢管；隅撑设置在钢梁两侧，成对称分布，间距以3.0m为宜，多使用单角钢[3]。

结语：

综上所述，随着社会经济的迅猛发展，市场对工业产品的需求也持续增加，工业生产任务增加，工业厂房建设成为建筑行业的一项重要内容。轻钢结构是当前建筑行业中常用的一种类型，具有强度高、安装方便等诸多优点，将其应用于是工业厂房屋面中，对工业厂房建设发挥着极大作用。因此，深入研究工业厂房屋面轻钢结构设计，提高实际设计水平，是一项值得重视的工作。

参考文献：

[1]张景森.对工业厂房屋面轻钢结构设计的探讨[J].黑龙江科技信息,2015,31:249.

[2]赵成伟.对工业厂房屋面轻钢结构设计的探讨[J].现代装饰(理论),2012,07:198-199+201.

[3]高善婕.轻钢结构在工业厂房设计中的应用[J].天津化工,2013,03:54-55.