有屋顶设备间的网架厂房结构设计

有屋顶设备间的网架厂房结构设计

1田培培  ,2张灿光

中国汽车工业工程有限公司   天津   300113

摘  要：网架屋盖在汽车工业厂房中应用广泛，因工艺生产需求，汽车发动机车间需在网架屋面做设备平台、设备间。本文从设计方案、计算要点等方面阐述了此类网架厂房在结构体系、荷载选取、计算原则、软件参数等方面的设计方法，为今后类似工程的应用提供一些有益经验，可供工程设计人员参考。

关键词：网架厂房 屋顶设备间  MST软件

1 结构方案

1.1温度区段

按《钢结构设计标准》表3.3.5确定温度区段长度，网架厂房为双向受力体系，厂房纵、横向伸缩缝间距，最大可取150m。超过150m且不设缝时，厂房框架柱需考虑温度应力。

1.2网架形式

通常采用下承式双层正放四角锥网架，上弦起坡，网格尺寸取跨度、工艺吊点间距的模数，3m~4.5m网格较为常见；网架高度根据柱网尺寸、荷载条件、支承情况等因素确定，根据《空间网格结构技术规程》，网架高跨比可取1/10~1/18。

1.3屋顶设备间形式

屋顶设备间、设备平台的长向顺网架屋脊布置，短向跨度为网格尺寸的模数，12m跨较为常见。屋顶设备间采用门式刚架，钢柱底与网架上弦球铰接，纵向设柱间支撑；设备间范围的网架上弦做平，设备平台钢梁搁置在上弦球支座顶面。详见下图示意。

1.4主体构件

有屋顶设备间的网架受力工况复杂，网架杆件宜采用Ф76及以上截面；球节点可采用螺栓球或焊接球，螺栓球不需现场焊接，施工方便、质量易保证，应优先采用，直径300mm以上的球节点可采用焊接球。

屋顶设备间刚架采用H形钢梁、钢柱，设备平台梁采用H形钢梁，平台板采用楼承板浇筑混凝土。

网架厂房柱网尺寸大，且柱顶铰接，底层厂房柱一般采用箱型柱，其承载力高，侧向刚度大。

1.5屋面檩条

网架屋面檩条采用主次檩体系，主檩顺屋面坡度，按连续檩条设计，采用Z型冷弯型钢；次檩沿屋脊方向：与主檩叠放时，按连续檩条设计，采用Z型冷弯型钢；与主檩顶平时：为简支檩条，可采用C型冷弯型钢。

2荷载选取

2.1恒荷载

网架、屋顶设备间的屋面恒载均按实际取值，根据建筑屋面做法确定。设备平台的楼面恒载，根据具体工程设计确定，包括结构楼板、建筑面层。

2.2活荷载

网架、屋顶设备间的屋面均布活荷载，根据《建筑结构荷载规范》规定，取0.5 kN/㎡；设备平台的楼面活荷载，根据公用专业的设备荷载确定。

网架上、下弦的公用吊挂荷载，可各取0.3 kN/㎡，屋顶设备间的屋面公用吊挂荷载可取0.2 kN/㎡。网架下弦的工艺吊挂荷载，按具体工艺资料取值。

2.3雪荷载

轻钢屋面的基本雪压按《建筑结构荷载规范》取值，重现期为100年。

2.4风荷载

基本风压按按《建筑结构荷载规范》取值，重现期为50年，并按《工程结构通用规范》考虑风振系数，对主体结构不小于1.2，对围护结构不小于1.7。

3结构计算

3.1计算原则

底层框架、屋面网架、屋顶设备间刚架需有SATWE整体计算模型。SATWE模型中，屋面网架可按等代梁或刚性杆建模，屋顶设备间按二层刚架建模，底层厂房柱顶应为铰接点，该模型用于计算厂房柱、基础及厂房整体性能指标。本模型的网架：采用等代梁建模时，应调整梁截面使其自重与网架自重接近；采用150x150刚性杆建模时，软件默认刚性杆自重为零，需要人工输入网架自重荷载。

网架设计采用MST软件建模计算。根据SATWE整体计算确定的柱截面，设置网架弹性支座刚度；并将屋顶设备平台、设备间刚架传导的恒载、活载、风载，施加到网架的对应节点上。

屋顶设备间刚架采用STS软件，进行二维建模详细计算。

3.2设计指标

构件的强度、稳定承载力：需满足受力要求。

构件长细比：网架杆件：拉杆200，压杆180。厂房框架柱：轴压比小于0.2时，限值为150；轴压比不小于0.2时，限值为120 。屋顶设备间构件：刚架柱180，柱顶系杆200。

网架挠度限值：根据《空间网格结构技术规程》，屋盖结构时，挠度限值为L/250；楼盖结构时，挠度限值为L/300（如屋顶设备间区域的网架）；有悬挂起重设备时，挠度限值为L/400。L为网架短向跨度。

柱顶位移：底层厂房可按单层工业厂房，风荷载作用下，柱顶位移限值为h/150；地震荷载作用下，柱顶位移限值为h/250。屋顶设备间为刚架结构，柱顶位移限值为h/150。

4网架软件MST应用

4.1荷载输入

网架自重：MST估算并自动生成网架自重，杆件自重取球心到球心的长度计算，球节点及连接件重量取杆件自重的0.3倍。

恒载、活载：将第2节中的网架屋面恒载、屋面活载、雪荷载，设备平台的恒载、活载，公用吊挂荷载、工艺吊挂荷载，设备间刚架传导的恒载、活载、风载，分别施加到网架的对应节点上。

风荷载：MST软件中风荷载的输入值，是基本风压考虑风振系数、体型系数、高度系数后的风荷载标准值。

温度荷载：网架为多次超静定结构，温度变化会引起杆件内力变化，网架应考虑温度应力。MST软件通过输入温差来考虑温度荷载，理论上温差指结构施工安装时温度与使用过程中温度的最大差值，具体按《建筑结构荷载规范》选用。

地震荷载：根据《空间网格结构技术规程》， 7度及以下地区，可不进行抗震验算；8度区，对周边支承的中小跨度网架结构（短向跨度小于60m）应进行竖向抗震验算，对于其他网架结构应进行竖向和水平抗震验算；9度区，对各种网架结构应进行竖向和水平抗震验算。

4.2工况组合

MST可自动生成恒、活、风、温度、地震荷载的工况组合，当定义多组活载、风载时，在自动生成的工况组合中不同分组是不会共同参与组合的，如活1、活2不同时组合。如需要同时组合，则要自行添加所需的工况组合。

为便于考虑活荷载不利布置，有屋顶设备间的网架厂房，建议定义以下四组活载，布置详见下图，图中阴影区为屋顶设备间（即设备平台）区域：

活1（上弦）：屋面活载+公用吊挂，位于设备平台一侧

活2（上弦）：楼面活载+屋顶刚架柱底力+公用吊挂，位于设备平台范围

活3（上弦）：屋面活载+公用吊挂，位于设备平台另一侧

活4（下弦）：工艺吊挂+公用吊挂，满布

针对以上四组活载，需考虑以下三大类的活载不利荷载组合，并再与恒载、风载、温度、地震等荷载进行组合：

（1）活载单独布置

活1、活2、活3、活4分别单独加载，共4种工况。

（2）上、下弦活载均满布

活1+活2+活3+活4，共1种工况。

（3）上弦活载分区布置、下弦空载

活1+活2+活3、活1+活2、活1+活3、活2+活3，共4种工况。

4.3参数设置

杆件强度折减系数：满应力分析时控制应力预留的安全度，程序缺省值为0.9，即控制应力取0.9倍的材料设计强度。

拉杆最小轴力：当轴力小于该数值时按压杆验算长细比等构造措施，否则按拉杆考虑。该值一般取值为0。

拉、压杆容许长细比：考虑施工因素、以及荷载分布变化可能引起的拉压变号，拉杆长细比不宜取值过大，拉杆容许长细比建议取200（《空间网格结构技术规程》中限值为300），压杆长细比取180。

杆件级差调整：同一球节点处的杆件级差过大时，视觉效果不好，施工安装过程中也容易变形；并且网架是高次超静定结构，在使用过程中活荷载位置变化时杆件内力随之重分布，级差过大时可能会出现局部杆件超限，因此建议进行适当的级差调整。调整时要慎重，取值不当会造成用钢量上很大的差异。此外，根据《空间网格结构技术规程》，空间网格结构杆件分布应保证刚度的连续性，受力方向相邻的弦杆其杆件截面面积比不宜超过1.8倍。

螺栓、套筒计算参数：MST软件计算螺栓、套筒时，设计依据可勾选“按照各个杆件轴力设计”或“按照杆件最大拉力设计”，前者经济性好但螺栓种类多，并“考虑套筒承压验算”。螺栓及套筒的控制应力比，一般取0.9。螺栓、套筒、锥头规格勾选“根据材料库给定”。设定最小螺栓规格时，考虑受力情况及施工因素，网架的最小螺栓一般不小于M20。网架用高强螺栓、套筒、锥头等的材质、承载力等要求详见《空间网格结构技术规程》。

球节点计算参数：网架节点球计算，对于螺栓球主要是杆件、配件及螺栓孔的相碰验算，对焊接球主要是杆件相碰验算及球体承载力验算。MST软件计算球节点时一般优选螺栓球，设计依据勾选“按照规程公式计算”，勾选“当螺栓球不够大时，自动配置焊接球”，螺栓相碰“以螺栓孔交叉为依据”。注意：预设定的球节点规格及杆件截面，应与MST材料库中球节点、构件规格相对应，如果不对应，在后续计算中会出现缺螺栓、锥头、封板等信息提示，无法完成配件设计，所以在预设定规格时应根据材料库来设置杆件截面及球节点规格。杆件、螺栓球、焊接球及配件，不同厂家有各自的材料库，平时应注意收集用于分析计算，以避免设计施工图与实际加工图差别过大的情况，比如用了不常用的杆件，或螺栓与杆件不配套等情况。

5结语

网架结构是钢结构厂房中常用的结构形式，有跨度大、承载力高、安装周期短、工业化生产程度高等优点，在现代厂房结构中已得到广泛应用。发动机车间根据生产工艺需求，在传统网架厂房屋面设置屋顶设备间、设备平台，使得生产工艺和厂房结构达到了完美结合，有着突出的优越性和适用性。

参考文献

[1]《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010

[2]《钢结构设计标准》GB 50017-2017

[3]《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012

[4]《工程结构通用规范》GB 55001-2021