工业厂房屋面系统设计方案改进

工程设计　工业厂房屋面系统设计方案改进　陈为民　刘志宏　（包钢集团公司设计研究院，内蒙古包头０１４０１０）　摘　要：随着经济的发展，建设速度的加快，工业厂房屋面系统不断从重型屋面向轻型屋面过渡，屋面系统设计方　案也在不断改进。介绍工业厂房屋面系统设计方案的发展，并通过比较提出改进的设计方法。　关键词：工业厂房；屋面系统；布置方式；设计方法　ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴ　ＯＮ　ＲｏｏＦ　ＳＹＳＴＥＭ　ＤＥＳＩＧＮ　ｏＦ　ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ　ＷｏＲＫＳＨｏＰ　Ｃｈｅｎ　Ｗｅｉｍｉｎ　Ｌｉｕ　Ｚｈｉｈｏｎｇ　（Ｂａｏｔｏｕ　Ｉｒｏｎ　８　Ｓｔｅｅｌ　Ｇｒｏｕｐ　Ｄｅｓｉｇｎ＆　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂａｏｔｏｕ　０１４０１０，Ｃｈｉｎａ）　ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｗｉｔｈ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ｒｏｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｐｌａｎｔｓ　ｉｓ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ—ｄｕｔｙ　ｓｔｅｐ　ｂｙ　ｓｔｅｐ，ｄｅｓｉｇｎ　ｐｌａｎ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｎ　ｒｏｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｗｏｒｋｓｈｏｐ；ｒｏｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ；ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ｗａｙ；ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　１屋面系统设计方案的发展　２屋面系统设计方案的比较　屋面系统按结构体系可划分为有檩屋盖和无檩　屋盖两大类。有檩屋盖又分为简单式和复杂式，由　屋面材料、檩条、支撑、屋架（有时还有托架和天窗　架）等组成。其屋面材料一般是轻型材料，如石棉　瓦、瓦楞铁、钢丝网水泥槽板以及压型金属板等。无　檩屋盖则不用檩条等屋面构件，屋面板直接放在屋　架上。其屋面材料为重型材料，如钢筋混凝土大型　屋面系统设计方案应根据生产工艺和建筑造型　的要求综合考虑材料供应、施工能力、生产维修诸因　素以获取较好的经济效益。其具体形式主要取决于　屋面材料、天窗形式、钢材供应情况以及施工吊装能　力等因素。一般情况下，轻屋面采用有檩体系，重屋　面采用无檩体系。　无檩体系屋面中的预应力钢筋混凝土大型屋面　屋面板等。屋面材料的选用应根据生产工艺和建筑　要求、屋面荷载、材料供应情况、施工条件以及基建　投资等因素综合考虑而定。２０世纪七八十年代，彩　色压型钢板尚未广泛普及，屋面系统结构体系一般　为无檩屋盖体系，设计的屋面系统都是传统的钢筋　混凝土屋面梁或钢屋架，上铺设预应力钢筋混凝土　大型屋面板（６　ｍ×１．５　ｍ），基本柱距为６　ｒｎ，遇到抽　板施工速度较快，屋面刚度大，抗腐蚀能力强，但自　重大。由于是预制构件，其规格是一定的（６　ｍ×　１．５　ｍ），这样，屋架间距也必须是６　ｍ。有檩体系屋　面中的屋面材料，一般自重轻，用料省，屋面刚度视　所用屋面材料不同差异颇大，钢丝网水泥槽板刚度　最差，而金属压型钢板刚度最好，不亚于钢筋混凝土　大型屋面板。轻型屋面材料，特别是金属板料的应　柱处采用钢托架。天窗部分为钢筋混凝土天窗架或　用范围甚广，不受地基条件、温度影响和屋架间距的　限制。石棉瓦、瓦楞铁、钢丝网水泥槽板这些材料由　于寿命短、性能差，已逐渐被淘汰，而彩色压型钢板　钢天窗架，屋面类型为重型屋盖。少数非保温的简　易建筑物（如库房、车棚等），其屋面材料一般采用石　棉瓦、瓦楞铁等。随着彩色压型钢板广泛普及，钢材　产量的快速提高，越来越多的钢筋混凝土结构的工　由于自重轻、施工快、外观好、寿命长，正在得到广泛　应用。　业厂房逐渐被钢结构工业厂房所代替，屋面系统重　型屋盖逐渐被轻型屋盖所代替，轻型屋盖系统现一　重型屋盖的工业厂房屋面系统采用预应力钢筋　第一作者：陈为民，女，１９６７年出生，高级工程师，国家一级注册　结构工程师。　Ｅｍａｉｌ：ｃｈｅｎｗｅｉｍｉｎ＠ｂｇｓｊｙ．ｃｏｒｎ　收稿日期：２００９—１２—１０　般采用冷弯薄壁轻型钢檩条，上铺设保温或不保温　彩色压型钢板。　３２　钢结构　２ｏｌ０年第５期第２５卷总第１３３期　陈为民，等：＿Ｔ－业厂房屋面系统设计方案改进　混凝土大型屋面板，屋面板上部还需做保温、防水等　屋面檩条形式有实腹式和桁架式两种，实腹式檩　建筑构造层，加上预应力钢筋混凝土大型屋面板本　条包括：热轧工字钢、槽钢檩条、高频焊接Ｈ型钢檩　身自重大，造成屋面荷载比较大，屋面荷载又是排架　条、冷弯薄壁Ｃ型或Ｚ型檩条、蜂窝檩条等。桁架式　计算模型中的主要荷载之一，它的大小会影响到屋　檩条包括：平面桁架式檩条和空间桁架式檩条等。　架、柱子、基础等受力构件的截面、配筋量等。所以，　屋面檩条的布置中，由于冷弯薄壁Ｃ型或Ｚ型　重型屋盖的工业厂房整体耗钢量比较大。而且，由　檩条自身截面特性的限制，檩条的跨度不宜太大，一　于屋面板尺寸的限制，厂房布置不够灵活，长度要求　般都限制在１２　ＩＴＩ以内，檩条间距１．５　ｍ左右，当檩　必须符合模数。轻型屋盖工业厂房的屋面板为彩色　条的跨度不小于１２　ｍ时，须通过布置双檩条、加密　压型双层夹芯钢板，有自带保温防水作用，不需另作　檩距或增加屋架密度来实现，这样做都不经济。对　保温防水。下设冷弯薄壁轻型钢檩条，其自重轻，减　于柱距大于等于ｌ２　ｍ的厂房，现屋面檩条的布置　少了下部受力构件的截面及耗钢量。厂房柱距可以　一般采用３～４　ｍ檩距，檩条采用高频焊接Ｈ型钢，　灵活布置，长度不必符合模数。　如果檩条跨度为１８　ＩＴＩ或更大时，一般采用蜂窝檩　条。这样，既方便了施工，又保证了经济性。桁架式　３轻型屋面系统设计方案的改进　檩条由于制作较费工，且较占空间，不常用。　钢结构轻型屋面有许多优点，特别是大柱距厂　屋面支撑的布置，应能保证结构在施工和使用　房更为明显。它的设计方案也在不断改进。工业厂　期间的刚度和稳定性，满足使用要求，并能传递风力　房屋面系统包括：天窗的布置、屋面檩条的布置、屋　和地震荷载以及其他水平荷载。　面支撑的布置、屋架的布置。　屋面支撑的布置，过去常规的做法是根据厂房　天窗的形式由通风和采光要求确定，纵向天窗　的跨度、高度、跨数、吊车吨位等条件，相应布置屋面　构造简单，钢材消耗指标不高，应用范围最广；横向　上弦水平支撑、下弦水平支撑、水平系杆、垂直支撑　天窗和井式天窗构造复杂，钢材消耗指标也不低，故　等。随着厂房柱距的增大，屋面支撑的用钢量也随　应用较少。原来，当厂房只是采光面积不够时，就需　之增大。合理的屋面支撑布置可有效地减少屋面系　加天窗来满足采光要求。现在，在厂房屋面上设置　统的耗钢量。现在，通常的做法是对于不小于１２　ｍ　采光板来解决采光面积不够问题而不用另设天窗。　以上的厂房，采用高频焊接Ｈ型钢做檩条，或做蜂　这样，既对厂房保温有好处又降低了造价。轻型屋　窝檩条，间距３～４　ｍ，此檩条兼做屋面通长水平系　盖的天窗架一般都自带挡风板。原来设计的天窗架　杆，按规范布置屋面上弦水平支撑，取消下弦水平支　构件均采用型钢，形式如图１所示。目前，由于新型　撑，在屋架或屋面梁的下翼缘与檩条之间设置隅撑　通风器的广泛推广，厂房上的天窗设计采用冷弯薄　来保证屋架或屋面梁的下弦侧向稳定性。这样，屋　壁型钢，白重轻，造型新颖、美观，形式如图２所示，　面既有可靠的支撑系统又减少了钢材用量（图３）。　天窗自重的大大减轻，使得整个结构的耗钢量有所　檩条　减少。并且，它既可以设计成横向天窗又可以设计　　Ｉ，　成纵向天窗。　Ｃ　图１某工程型钢天窗架　图３隅撑节点　、．　屋架间距与柱距有关，当柱距大于１８　ｍ时，可　增加托架以减小屋架间距，并能增加屋面刚度，方便　一　檩条铺设。屋架与柱子的连接，过去常规的做法是　屋架或屋面梁与柱子铰接。而目前则多做成刚接，　这样整体受力性能较好，同时可减小柱子及屋面粱　图２某工程弧形天窗架　断面，且厂房比较美观（图４）。　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１０（５），Ｖｏ１．２５，Ｎｏ．１３３　３３　工程设计　固，使杆件弯曲变形过大，影响使用。７）有的钢结构　节点中，节点板选用较薄，连续焊缝又过厚，施焊时，　引起节点板脆裂；也有节点板边缘与单腹杆轴线交角　太小，节点板宽度不够，因而在施工过程中断裂。８）　使用时屋盖积灰过厚，长期未进行清扫，大大超过设　计荷载，有时达１倍以上，使檩条、屋架和托架受力过　大，有时甚至造成整个屋盖倒塌。９）厂房结构在施工　过程中，钢材除锈不良，使用过程中又不加以维护，从　图４屋面梁与柱子刚接节点　而造成构件锈蚀严重，削弱了杆件断面，降低了结构　的强度和稳定性，以致不能继续使用　１０）轻钢屋面　结构中，若设计构造不当或施工质量不好，引起偏心　受力，将大大降低结构的安全度，甚至发生事故。　５　结　语　４轻型屋面设计和施工中应注意的问题　过去的设计和使用情况表明，屋盖结构的安全　度在厂房结构中是较低的，加上有时设计考虑不周，　施工质量较差，使用时又未按规定进行维护，容易引　起一些事故。设计、施工和使用部门应特别注意下　列问题：　随着新型材料的不断涌现，轻型屋面系统已被　广泛应用，改进后的屋面系统结构体系受力明确、布　置简洁、施工方便，更符合工业化的建设要求。　参考文献　［１］赵熙元．建筑钢结构设计手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，　１９９５．　１）下翼缘与檩条之间设置的隅撑位置和间距应　合理布置，应与屋面上弦支撑相一致。２）屋面檩条　计算时应考虑在风吸力作用下受压下翼缘的稳定　性。３）当雪荷载较大时，屋面构件计算应考虑雪荷　载的影响。４）设计中结构选型不当，使受拉杆件在　［２］ＧＢ　５００１７—２００３钢结构设计规范［ｓ］．　使用过程中变为受压，因而失稳破坏。５）没有设置　屋盖支撑，或者设置不当，使屋架侧向失稳破坏。６）　屋盖结构中杆件长细比太大，运输和安装时未予加　（上接第５５页）　［３３　ＣＥＣＳ　１０２：２００２　门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［ｓ］．　［４］王晋．大跨度工业厂房屋面的优化设计［Ｊ］．钢结构，２００９（４）：　４５—４７．　特殊处理，消除缺陷和应力集中；焊缝按规定无损检　梁腹板与Ｕ肋的抗剪焊接。　根据试验研究和实用结果，细节结构需要改进　和规范的主要部位有：保证正交异性钢桥面板适当　的板厚，规范Ｕ肋和横隔板Ｕ肋开孔的形状和尺　寸，增加Ｕ肋内部小隔板等。同时，对Ｕ肋和横隔　测和一定时段后复查等。近年来，对桥梁正交异性　钢桥面板结构进行了一些细节改进和完善，其性能　得到了明显改进提高。根据目前存在的问题，需要　更加重视实用组拼和改进提高焊接技术工艺，采取　有效措施消除焊接残余应力、变形和缺陷的危害，使　正交异性钢桥面发挥安全可靠和经济耐用的功能。　参考文献　［１］邓文中．正交异性板钢桥面的一个新构思［ｃ］／／苏通大桥第　五次专家论坛会议论文集．南京：２００６．　板细节区域的焊缝需要分别特殊处理，要求局部焊　缝连续熔透、端点打磨处理等。大部分改进有利于　结构性能；也有些改进需要进一步探讨和完善，例　如：面板、Ｕ肋横隔板结合部位过焊孔，工地ｕ肋栓　焊连接等。在结构问题解决后，重点就是结构组拼　和焊接技术工艺问题，需要重视Ｕ肋结构（特别是　面板Ｕ肋）制造和安装尺寸的控制，保证Ｕ肋、隔板　［２］钱冬生．正交异性板和箱形结构运用于桥梁的历史［ＥＢ／ＯＬ］．　ｒ２００８—０４—２５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｂｔｍｍ．ｃｏｒｎ／Ｈｔｍｌ／Ｉｎｄｕｓｔｒ—　ｙＡｒｔｉｃ１ｅ／２。０８／Ｏ４２５／２ＯＯ８Ｏ４２５Ｏ３Ｏ２Ｏ０４８３７．ｈｔｍ１．　等制造、安装控制在合理的尺寸精度误差范围内，小　隔板结构要强调与面板顶紧的功效。在此基础上，　探讨和改进焊接工艺。例如，解决Ｕ肋焊缝自动或　［３］周建林，刘晓光，温玉玲．苏通大桥钢箱梁桥面板关键结构细节　疲劳试验［Ｊ］．桥梁建设，２００７（４）：１　７—２Ｏ．　Ｅ４］Ｊｕｎｈｙｅｏｋ　Ｃｈｏｉ，Ｄｏｈｗａｎ　Ｋｉｍ．Ｓｔｒｅｓｓ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｆａ—　ｔｉｇｕｅ　Ｃｒａｃｋ　Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　Ｒｉｂ—ｔｏ－Ｃｒｏｓｓ　Ｂｅａｍ　半自动对称焊接，焊接过程保温和后热处理，采用专　Ｊｏｉｎｔｓ　ｉｎ　ａｎ　Ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ　Ｓｔｅｅｌ　Ｄｅｃｋ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，１１（２）：１８９—１９７．　门机械整形方法整形；面板Ｕ肋焊缝保证８０　焊缝　熔透要有工艺保障措施，并检查验收。一些焊缝要　３４　［５］张陕锋．正交异性板扁平钢箱梁若干问题研究［Ｄ］．南京：东　南大学，２００６．　钢结构　２０１０年第５期第２５卷总第１３３期