桁架檁條在大柱距鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用

葉常發(fā)

(福建六建集團(tuán)有限公司　福建福州　350014)

摘　要：桁架檁條作為一種大柱距屋面檁條形式，是為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)下鋼結(jié)構(gòu)建筑大空間、大跨度的要求而開發(fā)應(yīng)用的，填補(bǔ)了常規(guī)檁條與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)之間的空白。文章結(jié)合工程實(shí)例詳細(xì)介紹桁架檁條的形式、結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)造，以及與傳統(tǒng)檁條形式的比較，總結(jié)出桁架檁條體系的優(yōu)勢及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：桁架檁條；大柱距；鋼結(jié)構(gòu)建筑；節(jié)約造價(jià)

1　概述

鋼結(jié)構(gòu)建筑中，屋面檁條是主要的次構(gòu)件結(jié)構(gòu)，是為了承載屋面金屬板等材料的傳遞構(gòu)件。通常情況下，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的柱距在6m～9m之間，屋面檁條大多采用冷彎薄壁C、Z型檁條[2]。若因生產(chǎn)活動(dòng)及工藝布置要求，鋼結(jié)構(gòu)建筑需要更大空間，當(dāng)柱距達(dá)到12m～18m時(shí)，此兩種形式檁條無法滿足要求，就需用實(shí)腹式H型鋼或高頻焊H型鋼作為檁條。這樣就會(huì)使結(jié)構(gòu)用鋼量大幅增加，建筑造價(jià)上漲，以及施工難度加大。桁架檁條的出現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)屋面在不需要采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的情況下，解決了常規(guī)檁條無法實(shí)現(xiàn)大跨度、大柱距以及H型鋼檁條高用鋼量、高自重的問題。在實(shí)現(xiàn)大柱距獲得大空間的同時(shí)，桁架檁條不增加造價(jià)，安裝簡便，并且造型更豐富，觀感更佳。

2　檁條特性

桁架檁條主要由上弦桿、腹桿、下弦桿組成，采用冷彎薄壁型鋼作為弦桿，檁條上下弦桿均由薄壁鋼板冷彎成“Ω”型以保證在平面內(nèi)外具有足夠的剛度，并節(jié)約材料。薄壁焊接鋼管作為檁條中間腹桿，鋼管直徑為21.3mm～33.5mm，圓管與弦桿連接處經(jīng)壓扁后通過焊接連接成型(構(gòu)造如圖1)。因端部腹桿受力較大，為了提高承載力，一般采用50×50×5×5鋼板焊接成T型鋼。檁條高度一般為500mm～1 200mm，長度6m～24m。桁架檁條的經(jīng)濟(jì)矢高為跨度的1/12～1/20，檁條間距1.2m～1.8m，主要取決于屋面板的板型及其承載力[4]。桁架檁條另外一種形式為能承受軸向支撐力的檁條，其主要桿件采用較厚材料，下弦采用方管或鋼板焊接成箱型，延伸與屋面鋼梁連接，以達(dá)到連續(xù)支撐作用，相當(dāng)于常規(guī)的剛性水平系桿作用。

圖1　桁架檁條構(gòu)造圖

3　工程概況

福建藍(lán)海物流有限公司配送車間，系為周邊各大汽車廠商作為零部件循環(huán)取貨、倉儲(chǔ)管理、物流包裝、整車配送等服務(wù)的現(xiàn)代物流倉庫。由于需保證物流車輛在車間內(nèi)周轉(zhuǎn)方便以及倉儲(chǔ)物件個(gè)體的較大性，因此對廠房的開間要求較高，需要達(dá)到超出常規(guī)的柱距及空間。車間長度248.2m，寬137m，總建筑面積約44 159m2。廠房鋼架為四連跨結(jié)構(gòu)，每跨跨度30m，標(biāo)準(zhǔn)柱距18m。對于需要如此大跨度的屋面檁條，常規(guī)的C、Z型冷彎薄壁型鋼檁條已無法滿足結(jié)構(gòu)受力要求。若選用實(shí)腹式H型鋼或高頻焊H型鋼作為屋面檁條，經(jīng)計(jì)算，18m跨度需選用H400×150×4.5×8高頻焊H型鋼檁條，該規(guī)格檁條重量為32.40kg/m，這樣不僅用鋼量大幅增長，增加建筑成本，而且型鋼的高自重也對屋架帶來更大的荷載。為此，設(shè)計(jì)采用由專業(yè)廠家生產(chǎn)制造的桁架檁條。

本工程設(shè)計(jì)桁架檁條高度為950mm，長度為16.1m與18m兩種。檁條上弦桿厚度4.0mm，下弦桿厚度2.5mm，材料屈服強(qiáng)度為Q345B，有效面寬為131mm。中部腹桿采用Φ26.8×2.5和Φ33.5×2.5焊接鋼管，屈服強(qiáng)度為Q235B，端部腹桿采用50×50×5×6鋼板焊接成T型鋼。另有檁條下弦桿采用BOX-120*4材料制作，兼作剛性水平系桿。其形式如圖2：經(jīng)比較，桁架檁條重量約為14.78kg/m，相比H400×150×4.5×8高頻焊H型鋼，重量僅為其45.6%，大大節(jié)約用鋼量及降低屋架荷載。在18m跨度下，型鋼檁條的垂直撓度為80.3mm，已接近《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中金屬板屋面檁條撓度不大于L/200規(guī)定的限值，而桁架檁條的撓度值僅為27.1mm[5]，在保證屋面平整度的方面，桁架檁條也表現(xiàn)出更好的效果。

圖2　不同作用形式檁條結(jié)構(gòu)圖

4　檁條連接形式及節(jié)點(diǎn)

由于桁架檁條的上弦采用冷彎薄壁型鋼，與常規(guī)檁條類似材質(zhì)，屋面金屬壓型板可以直接用自攻釘固定在檁條上弦，也可以通過固定座與檁條連接。桁架檁條之間的連接比較簡單，與Z型檁條不同，不需要連續(xù)搭接，而是與C型檁條一樣，采用簡支鉸接連接，不存在類似Z型檁條需要連續(xù)搭接的問題，但是桁架檁條的檁間支撐系統(tǒng)比常規(guī)C、Z型檁條支撐系統(tǒng)要復(fù)雜。

(1)檁條與鋼梁連接

桁架檁條與鋼梁通過焊接在鋼梁上的支托連接，檁條端部腹桿是所有腹桿中受力最大的桿件，通常由寬50mm，厚度5mm～10mm的扁鋼彎成適當(dāng)角度焊于弦桿內(nèi)側(cè)，通過支座螺栓連接而固定在鋼梁上。當(dāng)反向風(fēng)力造成下弦桿受壓時(shí)，端部腹桿需設(shè)置成T型截面，保證受壓時(shí)的穩(wěn)定性。本工程因處于沿海地帶，風(fēng)壓較大，故端腹桿設(shè)置成T型截面。連接節(jié)點(diǎn)見圖3。

圖3　檁條與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)詳圖

(2)檁間支撐

作為桁架系統(tǒng)來說，檁間支撐是必要的，主要有平行支撐及斜向支撐兩種構(gòu)成方式。平行支撐由兩根水平的連續(xù)構(gòu)件構(gòu)成，一根設(shè)置在檁條的上弦桿，另一根設(shè)置在檁條的下弦桿。支撐與檁條的有焊接或螺栓連接兩種方式。平行支撐的長細(xì)比(L/R)不應(yīng)大于300，其中L是平行支撐的固定點(diǎn)間距。交叉支撐是由相鄰兩根檁條上弦桿與另一根下弦桿之間聯(lián)系的構(gòu)件，應(yīng)當(dāng)使用長細(xì)比(L/R)不大于200的桿件。本工程檁間支撐采用L40*3角鋼制作，采用螺栓與檁條弦桿固定，見圖4。

圖4　檁間支撐詳圖

(3)屋面水平支撐與桁架系桿連接

為了保證屋面剛度，屋面鋼梁之間應(yīng)設(shè)置水平支撐，由于使用桁架檁條的屋面系統(tǒng)鋼梁之間間距較大，水平支撐跨度也就很大。如本工程剛架間距18m，若按照18m×18m之間設(shè)置水平支撐，支撐長度將達(dá)到25m，無論采用剛性支撐還是柔性支撐，因長細(xì)比過大，勢必將產(chǎn)生較大的下?lián)?。此時(shí)，采用桁架檁條的另一個(gè)作用就產(chǎn)生了，兼作系桿的桁架檁條下弦可與屋面的水平支撐共同組成支撐系統(tǒng)，有效降低支撐長度，減少桿件下?lián)犀F(xiàn)由于桁架系桿的過渡，既保證結(jié)構(gòu)受力安全，又節(jié)約用鋼量，且外觀美觀。如圖5所示。

圖5　屋面水平支撐系統(tǒng)圖

5　墻面檁條系統(tǒng)

由于使用桁架檁條，結(jié)構(gòu)柱距就較大，為了減少墻面檁條的跨度，保證墻面檁條的合理布置，通常在側(cè)墻兩剛架柱之間增設(shè)墻架柱[2]。為保證墻架柱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，柱上端可以屋面桁架檁條或系桿連接。本工程標(biāo)準(zhǔn)柱距18m，結(jié)構(gòu)柱之間設(shè)置兩根墻架柱(如圖6)，將墻面檁條跨度減少成為6m，故采用常規(guī)C250型檁條即可滿足要求。

圖6　墻架柱布置圖

6　桁架檁條的優(yōu)缺點(diǎn)分析

6.1　桁架檁條的優(yōu)點(diǎn)

經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用及測算，使用桁架檁條與傳統(tǒng)檁條相比較，具備以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 實(shí)現(xiàn)大空間的同時(shí)節(jié)約用鋼量，降低造價(jià)

由于桁架檁條科學(xué)的構(gòu)造，其平面剛度大，在增加平面外支撐后，桁架檁條的跨度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同等用鋼量的傳統(tǒng)檁條，因此，能滿足實(shí)現(xiàn)廠房大柱距、大空間的功能，達(dá)到更好的使用效果。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)常在設(shè)計(jì)中遇到強(qiáng)度有余而剛度不足的問題，在通常的鋼構(gòu)件中，鋼材的強(qiáng)度未能得到充分的利用。而桁架檁條的桿件通過科學(xué)設(shè)計(jì)，使用鋼量更節(jié)約。由于用鋼量的降低，建筑的鋼結(jié)構(gòu)部分必定降低，而且，由于實(shí)現(xiàn)大柱距，相應(yīng)土建基礎(chǔ)等投資也可減少約30%左右，從而大大降低建筑的總體造價(jià)，詳見表1。

表1　桁架檁條與高頻焊檁條的用鋼量比較表

柱距(m)桁架檁條規(guī)格單重(kg/m)高頻焊檁條規(guī)格單重(kg/m)節(jié)約用鋼量比例(%)12600RJ2.3/2.09.95H300×150×3.2×4.517.914415700RJ3.0/2.011.49H350×175×4.5×6.026.075618800RJ3.8/2.514.56H400×150×4.5×8.032.4055

(2)能承受更大荷載及為管線提供穿越空間

經(jīng)專業(yè)廠家計(jì)算表明，在12m跨度的情況下，750mm高的桁架檁條可承受2t/m的弦荷載，而撓度小于1/200。因此，可在檁條桁架空腹間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大荷載的水電、暖通等專業(yè)設(shè)備穿越管線和安裝吊掛，不必另設(shè)懸掛系統(tǒng)和空間，從而達(dá)成美觀又實(shí)用的功能。

(3)安裝簡便，造型美觀

桁架檁條由專業(yè)廠家生產(chǎn)加工運(yùn)至施工現(xiàn)場，現(xiàn)場所有構(gòu)件完全由螺栓拼接完成，節(jié)點(diǎn)安裝簡單。另因其上弦桿由薄壁鋼材制作，屋面金屬板可直接固定或通過板材支座固定在上弦桿上，相比H型鋼檁條需通過焊接薄壁方管等構(gòu)件來過渡固定，施工簡易便利。桁架檁條因其整齊立體的桿件排列，在施工后能達(dá)到極好的視覺觀感，這也是檁條的另一個(gè)優(yōu)勢。

圖7　工程現(xiàn)場安裝圖

6.2　桁架檁條的優(yōu)缺點(diǎn)

桁架檁條作為近年來的新興產(chǎn)品，使用還并不廣泛，也存在一定的缺點(diǎn)，其缺點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)：

(1)使用局限及防火及耐腐蝕性較差

桁架檁條僅適用于建筑高度30m以下的單層鋼結(jié)構(gòu)建筑，以及抗震烈度8度以下的多層鋼結(jié)構(gòu)。因桁架檁條所有桿件都采用薄壁型鋼，且桿件較細(xì)，耐腐蝕性及防火性能較H型鋼檁條低，建筑物內(nèi)部如果是較強(qiáng)化學(xué)腐蝕環(huán)境時(shí)，且對耐火極限較高要求時(shí)，不宜采用桁架檁條。

(2)制作加工較為復(fù)雜及運(yùn)輸成本較高

因桁架檁條始為北美傳入國內(nèi)，目前僅在鋼結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá)的城市流通使用，與傳統(tǒng)檁條相比，加工工藝較為復(fù)雜，需由專業(yè)生產(chǎn)設(shè)備軋制成型，對生產(chǎn)要求較高，能專業(yè)生產(chǎn)的廠家并不多，故生產(chǎn)供應(yīng)有一定局限性。桁架檁條與其他空腹構(gòu)件一樣，需要較大的運(yùn)輸空間，且其重量較輕，故單位重量運(yùn)輸成本較高。有時(shí)因構(gòu)件長度太長，運(yùn)輸路線限制或距離太長而無法實(shí)現(xiàn)，故此設(shè)計(jì)使用時(shí)應(yīng)考慮運(yùn)輸成本及可行性。

7　結(jié)語

本文通過工程實(shí)踐詳細(xì)介紹了桁架檁條的特性及連接構(gòu)造，分析了桁架檁條與常規(guī)檁條的對比及優(yōu)缺點(diǎn)。對于大柱網(wǎng)的鋼結(jié)構(gòu)建筑，桁架檁條因其構(gòu)造科學(xué)，受力合理，節(jié)省材料的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本，降低造價(jià)，實(shí)現(xiàn)大空間的目的。在提高桁架檁條防腐及防火性能及解決好加工、運(yùn)輸問題后，可以廣泛推行應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]　GB500017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[2]　唐鵬，陳明，王昀. 歐本屋面檁條系統(tǒng)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2006(07):34-35.

[3]　潘泉. 桁架檁條的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2008(06):23-23+6.

[4]　唐潮,唐華英. 桁架式檁條在鋼結(jié)構(gòu)廠房中的應(yīng)用[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009(07):50-52.

[5]　師先銀，張曉麗，唐陽春. 大跨度屋面檁條選用分析[J].糧食流通技術(shù)，2014(03):14-18.

The application of truss purlin in large span steel structure buildings

YE Changfa

(Fujian LiuJian group Co., Ltd., Fuzhou 350014)

Abstract：As a kind of space truss purlin roof purlin form, in order to achieve the current steel structure building with large space and large span requirements and application development, fills the gap between conventional and purlin truss structure. In this paper, combined with engineering examples, introduces the structure of truss purlin form, layout and structure, and compared with the traditional form of the purlin summed up the advantages and development prospects, truss purlin system.

Keywords：Truss purlin; Large space column; Steel structure building; Cost saving

作者簡介：葉常發(fā)(1984.11-　)，男 工程師，一級(jí)建造師。

E-mail:189xxx10201@fjljg.cn

收稿日期：2016-04-07

中圖分類號(hào)：TU391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-6135(2016)07-0047-04