通风机房钢屋架改造结构设计实例研究

左奎现

（通用技术集团工程设计研究院有限公司，山东 济南 250023）

1 工程概况

山西兰花集团沁裕煤矿有限公司矿井兼并重组整合项目的通风机房为地上一层，建筑高度10.5 m，抗震设防烈度为7 度，基本地震加速度值为0.1 g，设计地震分组为第三组，场地类别为I 类，结构设计使用年限为50 a，抗震等级为二级，结构体系为排架结构、钢筋混凝土箱型结构。原有屋面结构为双层网架结构，网架平面尺寸：13 m×15 m，覆盖面积：195 m2。

为了进一步提高屋面改造工程在设计时的安全性和经济性，结合已有研究成果及实际所设计的山西兰花集团沁裕煤矿有限公司矿井兼并重组整合项目-通风机房屋面改造项目，对此类钢屋面结构设计时的设计要点及难点等方面进行研究[1-6]，研究成果可为此类钢屋面结构的设计提供重大借鉴意义[7-8]。

1.1 改造范围及材料选择

由于钢结构屋面网架结构的成本较高，现将通风机房钢屋面网架结构改建为镀锌压型钢板YX35-125-750（V125），屋面坡度为5%。屋面改造工程在既有的混凝土柱及柱顶预埋件的基础上进行，本次改建后的材料选择及平面布置如下：

1）改造后的屋面坡度较小，属于不上人屋面，屋面荷载较小。因此，通风机房的屋面起坡材料选用冷弯薄壁卷边槽钢（C 形）檩条，檩条型号为C200X75X20X2.5，檩条之间通过拉条连接。

2）改造后的屋面结构采用H 型钢梁，主梁结构为HN500X200X10X16，次梁结构为HN350X175X7X11。

3）原有网架屋面结构的节点用钢量较大，加工制作费用较高，应项目设计要求，屋面结构改为镀锌压型钢板。

1.2 方案设计

屋架结构的构件布置如下所述：

1）主梁结构、混凝土柱通过螺栓与原有的预埋件连接在一起，次梁搭接在主梁上。考虑到地震时主梁结构与预埋件会发生错位等情况，在次梁之间设置水平支撑以保证结构的稳定性。厂房结构平面图如图1。

图1 厂房结构平面图（mm）

2）檩条的布置、连接。由于檩条跨度L≥6 m，因此，檩条在跨度1/3 处各设置一道圆钢拉条（拉条直径为12 mm）；檩条通过檩托与H 型钢梁连接，以达到屋面起坡的目的；檩条与檩托之间通过螺栓连接。

3）设计难点。受原有预埋件的影响，主梁结构的布置位置与尺寸大小、螺栓的布置与尺寸大小受限；梁—柱节点设计、梁—梁节点设计、檩条的选择等。

2 设计分析

2.1 檩条、拉条、撑杆设计

2.1.1 截面及材料特性

檩 条 形 式：卷 边 槽 形 冷 弯 型 钢C250X75X20X2.5，b=75.000，h=250.000，c=20.000，t=2.500，A=0.1048E-02，Ix=0.9523E-05，Iy=0.7131E-06，It=0.2184E-08，Iw=0.8416E-08，Wx1=0.7619E-04，Wx2=0.7619E-04，Wy1=0.3686E-04，Wy2=0.1281E-04。钢材钢号：Q235 钢。

2.1.2 截面验算

1）使用阶段

① 1.3 恒载+1.5（活载+0.9 积灰+0.6 风载（压力））组合

截面强度验算，由公式σ=Mx/Wenx+My/Weny得：σmax= 158.940 N/mm2＜205.000 N/mm2，满足设计要求。

式中：Mx、My分别为刚度最大主平面和刚度最小主平面的弯矩；Wenx、Weny分别为对主轴x、y的有效截面模量。

② 1.0 恒载+1.5 风载（吸力）组合

截面强度验算，由公式σ=Mx/Wenx+My/Weny得：σmax= 81.990 N/mm2＜205.000 N/mm2，檩条稳定性；由 公 式σ=Mx/（φbx·Wex）+My/Wey得：σ=189.734 N/mm2＜205.000 N/mm2，满足设计要求。

式中：Wex、Wey分别为对主轴x、y的有效截面模量；φbx为受弯构件绕强轴的整体稳定系数。

2）施工阶段

① 1.3 恒载+1.5 施工荷载组合

由强度计算公式得：σmax=79.840＜205.000，满足设计要求。

② 荷载标准值作用下，挠度计算

由 公 式v=（5/384）·（pkyl4/EIx）计 算 得：v=14.984＜32.500，满足设计要求。

式中：pky为沿y轴线荷载的标准值；Ix为对主轴的毛截面惯性矩。

2.1.3 檩条、拉条及撑杆布置

本工程的跨度L＞6 m，在檩条跨度的三分点处各设置一道拉条，在檐口处设置斜拉条和撑杆，拉条规格为Φ14 mm（M12）、撑杆规格为Φ14 mm（M12）+Φ32X3。屋面的起坡高度主要通过檩托和檩条，其中，檩托选用140 mm×140 mm×5 mm的方钢，檩条、拉条及撑杆的布置如图2、图3。

图2 檩条平面图（mm）

图3 屋架结构剖面图（mm）

2.2 主次梁结构设计

2.2.1 内力分析

采用PKPM 软件对主次梁结构的内力进行分析，计算得到的受力情况如图4。根据钢结构设计规范，对钢梁结构的安全性进行验算。

图4 弯矩图（kN·m）

1）抗弯强度验算

由图4 可知，各钢梁结构的跨中弯矩值最大，其中，钢梁型号为HN500X200X10X16 的弯矩最大值为259 kN·m，钢梁型号为HN375X175X7X11 的弯矩最大值为89 kN·m。

由公式Mmax/γxWx≤f计算各钢梁的抗弯强度。

满足设计要求。

2）挠度验算

由图5 可知，各钢梁结构的跨中挠度最大，其中，钢梁型号为HN500X200X10X16 的挠度最大值为27.86 mm；钢梁型号为HN375X175X7X11 的挠度最大值为10.35 mm。

图5 弯矩图（kN·m）

HN500X200X10X16 钢梁的挠度：

ω=27.86 mm ＜l/250=52 mm

满足设计要求。

HN500X200X10X16 钢梁的挠度：

ω=10.35 mm ＜l1/250=30 mm

满足设计要求。

2.2.2 节点设计

根据原有屋架原有预埋件的情况，设计压型钢板屋面的钢梁与混凝土柱的连接位置及方式。连接件最小板厚大于等于14 时用对接焊缝，其余用角焊缝满焊，焊缝高度取被焊件最小厚度减 1～2 mm，且不小于 8 mm。当被焊件厚度小于 6 mm 时，焊缝高度取被焊件厚度，焊缝一律满焊。焊接连接的构件选用Q235 钢，对焊接构件钢材尚须保证碳的极限含量。焊缝质量等级：对接焊缝为二级，角焊缝外观质量标准应符合三级。梁、柱连接详图如图6、图7。

图6 梁、柱连接详图（mm）

图7 柱脚连接详图（mm）

由图可知，钢梁HN500X200X10X16 通过U 形螺栓和预埋钢板连接，钢梁HN375X175X7X11 通过螺栓与钢梁HN500X200X10X16 连接。其中，受到翼缘宽度的限值，U 形螺栓和钢梁连接时的边距超出规范规定的最小容许间距限值2d0，此处采取的处理方式为在钢梁的两侧对接一块等厚的钢板以增加翼缘宽度。钢梁和钢梁连接螺栓的选择根据《钢结构设计标准》的公式计算结果进行选择，即：

螺栓的抗剪承载力大于所受剪力5.25 kN，满足设计要求。

式中：nv为受剪面数目；d为螺栓的直径，mm；为螺栓的抗剪强度设计值，N/mm2。根据《钢结构设计标准》的规定，螺栓连接或拼接节点中，每一杆件一端的永久性的螺栓数不宜少于2 个，所以本工程的钢梁和钢梁之间的连接选用2 个C 级M20 普通螺栓。

3 结论

1）镀锌压型钢板屋面结构的节点连接用钢量较原有网架屋面结构小，费用较低，是较为经济的改造工程。

2）受到原有柱网布置和柱顶预埋件的影响，钢梁结构在选择和节点的连接处置方面较为复杂。

3）钢结构设计必须根据设计规范、现场条件及使用要求合理选择屋面坡度方向、材料及节点等，以满足使用需求。