桁架式系杆在钢结构厂房中的应用

张羿彬

（同济大学，上海 200092）

1 桁架式系杆简介

桁架式系杆是一种通过下弦进行加强的桁架式檩条。传统桁架式檩条兼做系杆的做法，具有传力不直接，下弦稳定性差等缺点。因此改进后的桁架式系杆下弦采用方钢管或者圆钢管兼做系杆，与钢架柱侧节点板通过高强螺栓连接（见图1）。该连接方式下弦与柱顶顶接，传力直接，相对于传统桁架式檩条兼做系杆的受力形式更好。上弦采用双角钢，并在端部采用双角钢加强截面，与钢架柱顶抬高的檩托板相连。腹杆采用圆管或方管，两端与上、下弦焊接。

图1 桁架式系杆与屋面梁连接示意图

桁架式系杆平面外同桁架式檩条一样设置角钢檩间支撑（见图2），角钢与弦杆采用专用的搭接片连接。桁架式系杆一般设置在钢架柱顶的纵向方向，当钢架柱间设有抗风柱时，抗风柱顶也需设置桁架式系杆。屋面支撑的设置，当桁架式系杆高度大于桁架式檩条时，可以设置支撑与桁架式系杆下弦在同一标高处，与下弦连接，从其余桁架式檩条下方穿过；当高度相同时，屋面支撑可以紧挨着下弦的下方设置，这样在传递横向力时会产生轻微的偏心附加弯矩。

图2 檩间支撑

2 工程项目概述

文章依托工程为上海某仓储工业厂房项目。厂房单体长107m、宽60m，檐口高12.5m，为更好地满足货架的布置，采用双向15m的柱网。结构型式采用横向门式钢架加纵向设置系杆加柱间支撑的结构体系[1]。屋面设计恒荷载0.8kN/m2（包括屋面保温板及太阳能设备的重量），活荷载0.5kN/m2。风荷载标准值0.55kN/m2，场地类别为B类[2]。本工程檩条跨度较大，为15m，檩距1.5m，考虑项目的经济性，采用上承式桁架式檩条。根据本工程设计条件采用MTS钢结构设计工具箱进行计算，得桁架檩条截面高度为700mm。在柱顶处，由于桁架檩条截面高度过高影响了柱间系杆的布置，在此提出两种方案进行比较：方案一是在柱顶处设置实腹式檩条及柱间系杆；方案二是采用桁架式系杆取代实腹式檩条及柱间系杆。

3 两种方案比较

3.1 用钢量比较

方案一：根据本工程设计条件计算得檩条截面为高频焊接H型钢350mm×175mm×4.5mm×8mm，系杆截面根据《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）[3]压杆长细比限制λ=200，选用热轧无缝钢管Φ219mm×6.0mm。在钢结构设计软件STS中建立纵向整体模型进行计算（见图3），算得系杆轴向压力设计包络值为120kN。该做法实腹檩条用钢量33.8kg/m，系杆用钢量31.5kg/m。

图3 门架立面图（单位：mm）

方案二：桁架式系杆承担屋面恒、活、风等竖向荷载，以及传递柱间水平力。桁架式系杆的计算与桁架式檩条相近，通过对桁架下弦施加附加轴力120kN，令其与其他荷载进行组合，以达到包络设计的目的。采用MTS钢结构设计工具箱进行计算，计算简图及结果如下（见图4～图6）。根据计算结果，截面上弦取2L50mm×5mm角钢，下弦取方钢管120mm×4.0mm，腹杆取Φ34mm×2.0mm钢管。该桁架式系杆用钢量23.1kg/m，远远小于实腹式檩条加柱间系杆的用钢量（33.8kg/m+31.5kg/m=65.3kg/m）。

3.2 受力性能比较

图4 结构简图（单位：mm）

图5 基本组合拉力包络图（单位：kN）

图6 基本组合压力包络图（单位：kN）

由于钢结构具有强度高的特性，构件可以做得很“细”。在钢结构设计过程中，强度计算较容易满足，而构件截面大小往往受稳定性计算控制。在稳定性计算中，长细比起着至关重要的作用。要减小构件的长细比，改变截面形式加大构件的回转半径是一种方法，但增加侧向约束，减小构件计算长度是一种更经济的方法。桁架式系杆的设计便是基于这一思路的产物。

（1）方案一中，H型檩条承受竖向荷载。柱间系杆承受轴向压力，与柱顶铰接，传力直接。由于钢管系杆在截面平面内无任何侧向约束，计算长度为纵向柱距即15m，因此虽然系杆截面较大，但系杆在两个方向的长细比仍然较大，λ=200，稳定性满足《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）最低要求[3]，根据公式计算得热轧无缝钢管φ219mm×6.0mm（4015mm2）最大轴心压力承载力为174kN。同时由于本工程柱距15m，计算得钢管系杆在自重作用下最大挠度为44mm，挠跨比为1∶340，按轴压构件计算时应适当考虑P-δ效应对其承载力能力的折减。

（2）方案二中，桁架式系杆同时承受竖向荷载以及柱间横向力。①对于竖向荷载，其受力模式与桁架式檩条相近，不同的是桁架式系杆下弦与钢架柱直接相连，类似传统的桁架屋架与钢架柱侧接的做法，在竖向力载作用下，下弦对于钢架柱有一水平推力。但桁架式系杆相对于通常情况下的桁架屋架来说，竖向荷载的受力面积小，由此对钢架柱产生的水平推力也较小，该推力对钢架柱的设计影响不大，仅对桁架下弦的设计产生影响。将桁架式系杆按实体建模参与钢架纵向整体计算，与原实腹系杆模型（见图3）结果相差不大，印证了该水平推力较小的理论。②对于柱间横向力，由于桁架式系杆的上弦通过檩托板与柱连接，节点刚性较弱，无法传递横向力，下弦与钢柱顶侧边铰接传递横向力，传力直接（见图1），因此横向力全部由下弦承担。桁架下弦按轴心受压构件计算，下弦平面内由于腹杆的侧向约束，计算长度取桁架节点间长度为914mm。平面外采用交叉角钢及斜角钢（见图2），经过大量工程实际经验，交叉角钢形成了稳定体系，能够作为桁架平面外约束，计算长度取檩间支撑的间距3000mm（见图7）。因此，桁架下弦最大长细比值为63，根据公式计算得方钢管120mm×4.0mm（1856mm2）最大轴心压力承载力为414kN。由于减小了构件计算长度，桁架式系杆通过较小的截面承担了更大的轴力。且桁架式系杆在自重及竖向荷载的作用下最大挠度为22mm，挠跨比为1∶680，P-δ效应较小，这一优势在柱距大于15m时会更加明显。

图7 屋面系统平面图（单位：mm）

综合比较下，桁架式系杆在承担柱间横向力作用时，性能优于独立的圆钢管系杆。

3.3 施工难易度比较

方案一：制作工艺成熟，实腹构件加工方便，不易损坏，节点安装简单，市场上绝大多数的施工单位都有施工经验，工程质量容易得到保证。

方案二：过去由于加工较为繁琐，存在节点多、构件薄、焊缝质量不易保证等诸多问题，因此在工程中较少采用。而随着建筑工业化的发展，制造水平的提高，上述问题都得到了较大程度的改善，现在一些大型钢结构公司的工厂焊接已能够保证桁架节点的使用要求。但桁架式系杆需要能够可靠地传递柱间横向力，不能产生轴向位移，因此不能采用钢结构公司对于檩条常用的长圆孔连接形式，应采用普通螺栓孔或是高强螺栓进行连接，这对厂家的加工以及安装的误差控制提出了更高的要求。随着钢结构厂房在我国的广泛应用，对桁架式构件的制作及安装日趋成熟，桁架式系杆能够在施工方面得到更好的技术支持。

4 结论

文章依托实际工程采用了桁架式系杆的做法，对其进行计算分析。相比传统系杆，桁架式系杆节省了用钢量，从65.3kg/m优化至23.1kg/m，拥有了更高的承载能力，从174kN提高至414kN，由此可知，通过减小计算长度来优化构件截面的设计思路是可行的，该设计方法可给其他大柱距钢结构厂房的结构设计提供参考。