大跨度工业建筑屋面钢结构选型与设计

龙显国

【摘要】为满足工业建筑厂房的运行需求，让工业建筑厂房具有跨度大、 层高高、建筑空间大、荷载大等特点，从而对于工业建筑的结构设计复杂多样，且具有相当难度。特别是大跨度工业建筑的屋面钢结构选型及设计是重中之重，如果选择的型号不符合工业建筑的实际需求，就会引发新的问题，需要深入现场考察，结合已有资料展开设计，才能得到科学合理的屋面钢结构设计方案，同时还要展开优化设计，才能为后续的屋面钢结构施工奠定良好的基础。本文以某项目为例，对大跨度工业建筑屋面钢结构选型与设计进行探讨。

【关键词】大跨度;工业建筑;屋面;钢结构;选型设计

1、项目简述

某重型装备制造基地重型钢结构厂房地处某市新区东南角，厂房长384m，宽114m，占地面积约4×104m2;厂房柱距12m，跨度36m+42m+36m。屋架下弦最低标高为16.20m-27.02m;北跨设双层吊车（上层为2台160t/50t吊车，轨高22.5m;下层为2台75t/20t吊车，轨高18m），中跨设2台100t/32t桥式吊车（轨高16m），南跨设2台50t/5t桥式吊车（轨高12.30m）。项目规划之初，鉴于建设地日常风力较大、空气洁净度较高、年辐射总量高于市区，非常有利于太阳能发电，同时重型工业厂房单体建筑面积大、屋顶高、屋面利用率高，并具有与建筑整体相结合的展示作用，为充分利用清洁能源，降低重装备制造业的能耗，使重装备"轻"起来，在重型钢结构厂房轻型屋顶之上建1MW太阳能光伏电站，通过多次论证，最终确定在本联合厂房南跨13000m2的屋面上满铺太阳能电池板。

2、大跨度工业建筑屋面钢结构风荷载分析

该厂房为三跨结构，在屋面上安装大量的太阳能电池板，查找现行规范后，发现厂房可以参考双坡屋面结构，但是屋面本身设置了大量的太阳能电池板，并且与屋面保持20°左右的夹角，保持架空状态，在气流逐渐流过屋面时，会产生一定的风吸力，可能对屋面钢结构产生负面影响。查阅相关资料发现，在负压集中的区域，经常出现流动分离现象，特别是外形存在突变现象的位置，如屋檐、屋面边缘等，更容易出现流动分离、再附等现象。本次研究的工程采用太阳能电池板，利用转换层连接屋面及支架结构，风流经屋面时，会被墙体阻隔，导致气流淤积在电池板下部，与屋面之间产生正压，与电池板之间产生负压。该工程位于台风多发的区域，台风经过屋面时，会产生强大吸力，引发风振现象，会对屋面结构产生一定的破坏，但是国内这方面的研究相对较少，没有可以参考的实例，为此应该按照风载最不利的情况研究，展开对管桁架的受力分析，其中吸风作用设置为最大，计算后发现杆件没有出现任何内力变化，仍然处于安全的状态。

3、大跨度工业建筑屋面钢结构选型分析

一般情况下，工业建筑厂房都采用桁架作为屋面结构，还要配合使用大型屋面板，有时也会回用网架结构，近些年开始逐渐采用实腹钢梁轻质屋面，应用案例越来越多。本次研究的工程拥有以下特点：厂房屋面整体呈现为阶梯状，上面增设了太阳能发电电池板，较普通轻质屋盖相比，荷载增加1kN/m2，屋面结构由三种选型方案，分别为网架方案、管桁架方案及实腹板方案，具体内容如下：

一是网架方案。这种方案更容易承受竖向荷载，但是该工程的纵横向跨度较大，如果应用网架方案，需要依据主跨尺寸确定高度，要花费较多的成本费用搭建网架结构，经济性较低。在外界温度出现变化时，网架纵向上的附加应力也会随之上升，很难采用常规手段处理这部分附加应力，为此不考虑网架方案。

二是钢梁方案。该工程的跨度较大，并且设置了太阳能电池板，增加屋面钢结构荷载，如果采用钢梁方案，需要采用刚接的方式连接梁柱结构，弯矩会逐渐传递给柱子，导致柱子受力不平衡，如果梁端的弯矩达到一定数值，甚至还会增加柱子截面，对后续的吊车设置带来不便。

三是管桁架方案。采用管桁架方案时，首先要连接柱子和管桁架，采用铰接的方式，柱子可以保持一个均匀受力的状态，结合工程实际情况，可以采取三角形管桁架，由腹杆与上弦双支管共同形成稳定的桁架，在运行期间不会出现不稳的问题，接下来还要连接下弦管，保持屋面钢结构整体的稳定性，不需要额外设置纵向支撑结构，同时还要注意设置垂直支撑，一般都是沿着纵向方向设置，可以更好地传递水平力。

在完成屋面该结构选型的技术论证以后，还需要展开经济性对比，具体数据如下：一是管桁架方案，单价为10000元/t，造价为1690万元。二是钢梁方案，单价为7000元/t，造价为2015万元。三是网架方案，单价为7500元/t，造价为2005万元。可以看出，管桁架的单价费用相对更高，但是总体造价更低，仅仅占到其他两种方案造价的75%左右，可以节省大量的成本费用，为此选择管桁架方案。

4、大跨度工业建筑屋面钢结构设计方案及优化措施

4.1管桁架优化设计

管桁架是厂房屋面的重要构件，要结合工程实际情况，对比不同宽度方案的经济性，本次研究共计选择两种宽度方案，一种为4.0m宽度方案，造价为1690万元，另一种为30m宽度方案，造价为1780萬元。同时还要考虑到两种宽度方案是否符合施工要求，经过对恒载、活载、风载等不同情况下的模拟测试，发现两种宽度方案都可以保证厂房屋面钢结构的稳定性。为此，选择上弦宽度为4m，该方案不仅拥有更强的经济性，还可以减少管桁架的自重，缩减檀条的重量，减轻整个屋面钢结构的负担。

4.2屋面檀条的设计

根据上述研究可知，在支撑檀条时，可以选择管桁架上弦管，同时檀条拥有两个跨度，分别为4m和8m，结合工程的实际情况，最终选择连续檀条，这种方案不但可以满足屋面钢结构的设计要求，还可以提高檀条设计的经济性。

4.3屋面支架的设计

根据工程简介可知，屋面上方铺设大量的太阳能电池板，为此要设置大量的电池板支架，如果每个支架都采取穿透支撑的方式，就会给彩钢屋面留下大量的孔洞，增加防水设计难度。为此，在屋面支架设计中，在屋面上额外设置一个托梁，整体保持一个加工的状态，将电池板支架连接到设置好的托架梁上方，同时连接好屋面结构，这样就可以在屋面范围内，得到混凝土组合版屋面结构，这处屋面也可以合理利用，设置为参观区域、检修区域等，在建设完组合板屋面以后，还要合理设置预埋件，实现对刚托梁的固定处理，通过上述设计方案，不需要多次穿越彩钢板屋面，为后续的防水设计奠定良好的基础，消除漏水隐患。此外，在组合板与屋面的交接位置上，还要采用混凝土材料设置出翻口，主要是为后续防水做准备，满足泛水要求。

4.4施工安装设计

在厂房屋面上安装电池板时，要注意保护彩钢板及卷材，避免安装期间尖锐工具产生破坏，为此要合理设计施工安装步骤：一是要减少焊接工序，主要是焊接容易产生大量的火花，可能损坏电池板，为此要优先选择螺栓连接的方式，尽可能避免焊接作业。二是要远离屋面一段距离支设支架，这样才能给后续的检修工作预留充足的空间。

结语：

综上，近些年我国工业经济迅速发展，涌现出大批工业建筑项目，很多厂房跨度较大，选用钢结构材料建设屋面，为此要结合实际情况展开屋面钢结构选型设计，常用的钢结构方案包括钢梁方案、网架方案、管桁架方案等，每种方案的优缺点不同，需要结合实际需求合理选择，再确定具体的钢结构方案以后，还要展开优化设计，确定施工方案，尽可能选择经济性更强的施工方案，才能保证工程建设的经济效益。

参考文献：

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[2]张路，朱禹风，崔小连，等.2019北京世园会妫汭剧场钢结构屋面体系选型及分析[J].建筑结构，2019（17）.