空间抗风桁架在钢结构厂房中的设计及应用探究

肖长江

（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054）

1 工程概况

某煤矿机修车间为钢结构厂房，纵向长度150m，横向宽度114m，建筑面积17100m2，横向为5跨连续（18＋25＋28+25+18）钢结构，纵向柱距7.5m。厂房内设Q=75/20t桥式起重机2台、Q=32/5t桥式起重机3台、Q=20/5t桥式起重机2台、Q=50/10t桥式起重机2台，另设Q=5t半门式起重机4台。其中28m露天跨（有屋面围护，两端山墙无围护）屋面为弧形，屋顶最高点21.6m。

机修车间厂房主体施工完成后，建设单位考虑到附近电厂粉煤灰粉尘较大，厂房内设备均为精密型且智能化程度较高，设备检修对环境要求高，要求对露天跨的山墙进行封闭以降低车间内粉尘。

2 结构选型对比分析

2.1 现状分析

根据该厂房的实际情况，本设计应该着重考虑的问题主要有：

（1）原设计未考虑露天跨封闭，为保证安全，本设计的第一要务就是校核露天跨封闭后山墙增加的风荷载对厂房纵向支撑结构体系的影响。

（2）由于厂房主体已经施工完成，露天跨室内外场地已回填完毕，因此本次设计的抗风构件应尽量减少基础和地基处理的工程量，考虑施工快捷的方案。

（3）本次设计应该尽可能减小对原结构的依赖，减轻原结构的受力，避免对原构件的破坏。

2.2 结构选型

山墙主要承受竖向自重荷载、垂直于山墙平面的风荷载，一般不承受外加的竖向荷载。常见的山墙抗风构件结构型式如图1所示。

图1 抗风构件结构型式示意图

(1)悬臂式。此类山墙承受的风荷载传力路径为：墙面→墙梁→抗风柱及结构柱→基础。此类山墙结构抗风柱柱脚承受较大的弯矩，对基础的要求高。露天跨最高处21.6m,若采用悬臂式抗风柱，抗风柱柱脚弯矩很大，所需的基础平面尺寸超过4m,基础开挖及地基处理工程量大，故采取此类山墙型式不可取，且悬臂抗风柱的柱顶位移大，会影响屋架系统。

(2)下端固定上端简支式。此类山墙承受的风荷载传力路径为：墙面→墙梁→抗风柱→屋面梁及结构柱→基础。同样此类山墙抗风柱基础较大，基础开挖及地基处理工程量也大，且上部简支点位置不能与屋盖支撑和刚性系杆位置重合，传力不直接，不可取。

(3)上下端均为简支。此类山墙承受的风荷载传力路径为：墙面→墙梁→抗风柱→屋面梁及结构柱→基础。此类山墙抗风柱基础相对较小，但抗风柱截面尺寸较大，上部简支点位置不能与屋盖支撑和刚性系杆位置重合，传力不直接，所以此类结构型式也不可取。

(4)竖向抗风桁架式。此类山墙承受的风荷载传力路径为：墙面→墙梁→竖向抗风桁架→屋面梁及结构柱→基础。此类山墙抗风桁架基础相对较小，但抗风桁架向室内凸出，平面外需设2～3道水平系杆以保证抗风桁架的平面外稳定，影响室内空间使用，且上部简支点位置同样不能与屋盖支撑和刚性系杆位置重合，传力不直接，所以此类结构型式亦不可取。

(5)水平抗风桁架式。采用空间水平抗风桁架，将山墙面所承受的水平力直接传递给纵向柱列。此类山墙承受的风荷载传力路径为：墙面→竖向抗风柱→水平抗风桁架→纵向结构柱列→基础。此类山墙抗风桁架无需进行基础施工和地基处理，传力直接，结构型式满足要求，且施工快捷，因此本次露天跨封闭采用该结构型式。

3 荷载及工况组合

3.1 荷载标准值

（2）风荷载。本工程地面粗糙度类别为B类，《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）8.1.1-2式，式中基本风压 0w取，风振系数根据表8.6.1取1.7，风荷载局部体型系数µs1根据8.3.3条1款迎风面取1.0，背风面取-0.6，风压高度变化系数zµ根据表8.2.1取为1.23。由上式计算得出（风压力）、（风吸力）。

3.2 工况组合

工况组合考虑恒荷载、风荷载。

工况一：1.3恒+1.5风压；工况二：1.3恒+1.5风吸。

4 抗风桁架结构设计

4.1 抗风桁架布置

沿露天跨山墙高度方向水平设置2道三角形空间抗风桁架，第1道抗风桁架设在大门上方，大门上雨篷的挑梁设在桁架下弦上，计算时考虑挑梁对下弦产生的竖向力和附加扭矩。第2道抗风桁架设在窗户上方且位于低跨屋面与露天跨交接处的屋面刚性系杆附近，风荷载直接传力至纵向支撑系统；抗风桁架两端与纵向柱列钢柱铰接相连，只传力不传弯矩。

4.2 厂房柱间支撑验算

露天跨山墙封闭后，墙面新增的风荷载将通过抗风桁架传至两侧的纵向柱列上，最后由纵向柱列的所有柱间支撑分担。本厂房上柱柱间支撑共有5道，分担上部抗风桁架产生的集中风荷载 1W及其他情况产生的水平力H；下柱柱间支撑共有3道，除承担吊车纵向水平荷载dT及下部抗风桁架产生的集中风荷载 2W外，还要承担上柱柱间支撑传来的水平荷载。十字交叉支撑一般按受拉杆设计，即仅考虑其中一根杆受拉，计算简图见图2。柱顶系杆上柱支撑斜杆下柱支撑斜

图2 柱间支撑计算简图

本厂房柱顶系杆采用2，125×8，上柱柱间支撑采用单片十字支撑2，90×6，下柱柱间支撑采用双片十字支撑2，140×90×10，钢材为Q345B，经验算后强度均小于0.85f。

4.3 厂房钢柱基础校核

山墙墙板、抗风柱及抗风桁架的自重约15t，大部分由抗风桁架传至两侧钢柱的基础，原两侧钢柱的独立基础尺寸3.7×4.2m，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）5.2.1条，轴心荷载增加，原钢柱基础轴心荷载轴心荷载下地基承载力满足要求。山墙墙板、抗风柱及抗风桁架的重心基本与原钢柱的基础中心重合，无偏心荷载增加，无需再校核偏载作用下的地基承载力。

4.4 抗风柱设计

山墙墙板采用双层压型钢板复合保温板，压型钢板内外板固定在抗风柱上，抗风柱竖向每间距2m左右设一道，抗风柱只承受山墙较轻的自重和较小范围的风荷载。每根抗风柱沿高度方向设缝分成独立3段，下段抗风柱与上段抗风柱均为单跨带一端悬挑梁，中段抗风柱为单跨带两端悬挑梁，抗风柱的支点为下部基础、水平抗风桁架的上下弦、屋面弧形钢梁。经计算抗风柱采用H150×150×4.5×6，钢材为Q345B。

4.5 抗风桁架设计

（1）空间抗风桁架建模计算。利用PKPM软件中的spas+PMSAP集成设计模块进行空间整体建模。三角形空间抗风桁架的上下弦杆均采用218a,迎风面竖腹杆采用110mm×12mm，迎风面斜腹杆采用90mm×8mm，背风面斜腹杆采用90mm×8mm，背风面十字交叉腹杆采用45mm×6mm，背风面腹杆连接的横杆采用110mm×10mm，钢材为Q345B。桁架截面尺寸见图3。

图3 抗风桁架截面尺寸（mm）

（2）结构分析设计结果。分析2种荷载组合下桁架计算结果，杆件截面主要由风荷载决定，工况一（风压）起控制作用。桁架采用Q345B钢，在工况一（风压）工况下，杆件最大应力比0.78，桁架最大水平位移25.4mm；在工况二（风吸）工况下，杆件最大应力比0.54，桁架最大水平位移15.1mm。根据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）附录B，抗风桁架的挠度容许值为，位移满足规范要求。抗风桁架位移计算时风荷载不考虑阵风系数。

（3）钢柱加固。对抗风桁架与两端钢柱铰接的钢柱腹板区域进行加固以提高刚度，在上柱的腹板两侧间隔一定距离焊接横向加劲板，在下柱的腹板两侧增设竖向加劲板和横向加劲板，以确保桁架传来的水平力不致使钢柱发生局部变形或屈曲，而是直接传向两侧纵向柱列的支撑系统。

5 结语

该抗风桁架目前已于2020年4月建设完成并投入使用，使用效果良好。设计过程中严格按照规范要求，注重概念设计，充分做到与现场实际结合，为建设方解决了问题，对以后类似工程的设计具有指导和借鉴意义。