单层厂房轻钢屋面结构设计

佛山南方建筑设计院有限公司　曾凝芬　黄志鹏

[提　要]　本文针对现在流行的混凝土柱钢结构屋面组合的工业厂房，系统讲述了该类厂房
　　　　　轻钢屋面的设计过程，并且总结了设计过程中遇到的常见问题及其处理方法。内容实用，可供设计人员参考。

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　　轻钢屋面形式多样，可以根据业主的要求选用既美观又经济实用的结构形式。一般的结构形式有钢梁或钢屋架结构、圆管屋架结构、空间网架结构等。本文以钢梁和檩条作为主受力杆件的轻钢屋面作为研究对象，介绍其设计过程，总结其中常见的问题和处理办法。
　　一、荷载取值
　　南方建筑主要考虑的荷载有恒荷载、活荷载、风荷载，当生产过程有大量排灰的厂房及 其邻近建筑时，按照《建筑结构荷载规范》（GB500009－2001）（下文简称《荷载规范》） ，还应考虑屋面积灰荷载。
　　1.恒荷载，一般不超过0.3KN/m2，设有保温隔热层，按实际计算；
　　2.活荷载，不上人屋面按0.5 KN/m2取值，当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积超 
过60 m2时，屋面均布活荷载标准值应取为0.3 KN/m2,可以根据实际情况选择，力求安全、 
合理、节约；
　　3.风荷载，按《荷载规范》的有关规定取值；
　　4.荷载组合，荷载组合应分别计算以恒载控制的荷载组合和以活载控制的荷载组合；
　　二、屋面主要构件的受力情况及强度、稳定性验算
　　以钢梁和檩条组成的屋面，外荷载通过压型钢板（彩钢瓦）均匀地传递给檩条，再由檩 条传给钢梁，钢梁通过钢板支座传给柱，再传至基础。钢梁和混凝土柱的连接由于是不同材 料的连接，难以做成刚接，计算时常把它简化为铰接，这样，钢梁就简化为简支梁或者连续 梁。钢梁的强度由规范的公式容易算出，但钢梁的稳定性需要构造措施来满足。许多情况下 ，钢梁强度还没有达到极限应力值，而稳定应力已经超出要求了。因为如果截面的侧向抗弯 刚度和抗扭刚度不足（如窄而高的工字型截面），则会在截面形成塑性铰以前，甚至在弹性 
阶段，梁就有可能突然发生绕弱轴y轴的侧向弯曲，且同时伴随扭转变形而破坏。加强抗弯 和抗扭刚度的方法除了加大梁的截面以外，增加侧向支承点也是有效的方法，这样减少梁受 压翼缘的自由长度，从而减小梁在侧向支承点间对y轴的长细比。
　　对钢梁进行强度和稳定性验算时须注意"应力比"的问题，即计算应力与极限应力的比值 
，《钢结构设计规范》第4.2节对此进行了阐述。这是考虑到施工中产生的各种误差，使钢 
结构本身的极限应力不能满足试验得出的极限应力，所以应在设计时有意识地使应力比<1, 
最好控制在0.8以下。
　　三、屋面支撑体系
　　屋面支撑体系虽然不是主要的受力构件，但却是连接屋面主要承重构件的重要组成部分 
。适当而有效地布置支撑体系，能使厂房具有足够的强度、刚度和稳定性。屋面支撑体系可 
以分为上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、下弦纵向水平支撑、竖向支撑和系杆等。上 
弦横向水平支撑为屋面提供稳定性，为主构件（钢梁、弦杆等）提供侧向支承点，它主要设 
置在房屋的两端或横向温度伸缩缝区段两端的第一个柱间，但为了保证上弦横向水平支撑的 
有效作用，设置的间距不宜超过60米；下弦水平支撑在没有悬挂设备且跨度不大时，可以不 
设；竖向支撑的作用是使相邻屋架和上下弦横向水平支撑组成的四面体形成空间几何不变体 
系，以保证屋盖的整体稳定，在钢梁的中间和两端设置，设置的数量视跨度而定；系杆为了 
保证未设横向水平支撑屋盖的侧向稳定以及传递水平荷载，在横向水平支撑或竖向支撑的节 
点处，沿房屋纵向通长设置，一般可以使用角钢或圆钢。
　　支撑杆件的受力一般很小，不必计算，可按构造要求和容许长细比选择截面。当交叉斜 
腹杆体系的支撑桁架作为支撑体系时，此时该体系属于静不定体系，在节点荷载作用下，可 
考虑某些斜杆退出工作，简化成静定体系，再验算该截面是否满足要求。
　　四、节点
　　钢梁拼接节点、钢梁和柱的连接节点是主要的计算节点。为方便运输，一般情况，每段 
梁不超过12米。然后根据节点受力情况和连接形式计算，并复核是否符合构造的要求，因为 
螺栓安装工艺对螺栓的间距有一定的要求，详细可查阅《钢结构设计规范》。钢梁和混凝土 
柱的连接，需要设计支座底板的厚度，连接螺栓的大小。底板厚度由支座反力产生的弯矩经 
计算确定，一般采用12mm～16mm，加劲肋厚度与底板厚度相同。螺栓应用双螺帽的螺栓。预 
埋螺栓需要有足够的锚固长度，具体参考混凝土结构的做法。
　　五、结束语
　　单层厂房轻钢屋面结构设计以安全、合理、可行、经济为原则，设计人员不仅要按规范 
设计，还要结合实际情况，例如钢材的质量指标、焊接技术、安装工艺等进行综合考虑；除 
了满足强度的要求外，还要注意各种构造措施的运用，要弄懂各种构造措施设置的原因，避 
免由于构造措施设置不当而破坏结构的稳定。
　　以上是笔者设计时的些微心得，不免有错漏之处，望同行们给与批评指正。
参考文献
　　[1]《钢结构》，陈绍蕃主编，中国建筑工业出版社，1995
　　[2]《钢结构设计规范》，GB50017－2003
　　[3]《轻型钢结构设计手册》，中国建筑工业出版社，1996