浅析炼钢工业厂房屋面设计

摘要：在转炉炼钢厂房的结构设计体系中，屋面系统是较为重要的一个环节，其安全度在厂房结构中是较低的，极易出现事故，因而屋面系统设计合理与否显得尤为重要。
关键词：屋架支撑檩条 工业 厂房
1概况
本文结合某钢铁有限公司45t转炉炼钢工程，浅谈炼钢工业厂房屋盖设计的思路及特点。
1.1炼钢厂房的特点炼钢工程厂房有几个特点：①厂房吊车多为重级工作制的大吨位吊车；②屋面积灰荷载较大；③屋面管道荷载复杂,且荷载较大；④局部屋面系统与高层框架连接处屋架上设置了钢平台；⑤吊车梁轨面标高较高，使得屋面檐口标高较高，因而屋面风载较大。以上各种特点使炼钢车间屋面系统受力较为复杂。
1.2某钢铁公司炼钢工程厂房简介某钢铁公司转炉炼钢工程炼钢车间，由出坯跨（a—b）、浇铸跨（b—c）、钢水接收跨（c—d）、转炉跨（d—e）、加料跨（e—f）所组成。出坯跨（a—b）跨度30m，轨面标高为10.000m。
2结构方案的选定
屋架结构体系有无檩及有檩两种方案。有檩体系特点为构件重量轻、用料省、运输安装较轻便但其屋盖构件数量较多、构造较为复杂、屋盖的横向整体刚度较差。本工程采用有檩屋盖。
2.1屋架形式的确定屋架形式的选择与屋面坡度、天窗形式、与柱子的连接方式、 经济 指标以及运输和施工等因素有关。本工程屋面坡度为1/10，天窗为横向天窗，采用单坡梯形钢屋架。
2.2檩条形式的确定檩条宜优先采用实腹构件，檩距及跨度较大时也可以采用空腹式或格构式构件。檩条一般设计成单跨简支构件，实腹式檩条也可以设计成连续构件。本工程跨度为6米，屋面维护采用压型钢板，故采用实腹式檩条，构造简单，制作方便，油漆、维护方便。
3结构方案的设计要点和 计算 方法
3.1支撑的布置支撑的布置必须根据厂房的柱网布置、厂房的跨度和高度、屋面材料、屋盖结构形式、屋架间距、吊车起重量及其工作制、有无悬挂起重运输设备或其它振动设备、地震设防烈度等具体情况综合考虑。
3.1.1屋架横向支撑本工程①～⑦轴长36米，　　～　　轴长60米，且设有检修吊车电葫芦，故除在结构单元的两端设横向支撑外，还应在设有检修吊车电葫芦的两侧跨间设横向支撑。⑦～　　轴长126米的这个结构单元内除将横向支撑设置在两端外，还应在中部增设一道横向支撑。
3.1.2屋架纵向支撑屋架纵向支撑应设在传递排架横梁支座反力的平面内，与横向支撑组成封闭型的支撑框架，以增强厂房骨架的空间刚度。本工程　　～跨，～跨，～跨，～跨两端均设置一道纵向支撑。
3.1.3屋架垂直支撑及系杆由于本工程在屋架端部设有托架，可兼作垂直支撑。根据屋架垂直支撑布置原则，因为屋架跨度小于30米，所以仅需在跨度中央设置一道垂直支撑。
为保证温度区段内所有屋架受压弦杆在安装和使用阶段的稳定或减少受拉弦杆的长细比，应在厂房两端屋架横向支撑桁架节点间沿纵向设置通长的水平系杆。

3.1.4支撑杆件的设计支撑杆件一般按长细比选择截面，压杆的容许长细比为200，有重级工作制吊车的厂房拉杆的容许长细比为350，其余情况拉杆的容许长细比为400。交叉斜杆和柔性系杆按拉杆考虑，非交叉斜杆和横杆以及刚性系杆按压杆考虑。当支撑桁架跨度较大、风载较大或承受地震力以及做弹性支承时，尚应 计算 其内力。
3.2檩条的设计本工程檩条间距为1.5米左右。在选用檩条断面时，应考虑天沟的高度，使檩条高大于或等于天沟高，这样，不需要采取什么构造措施，排水就很通畅。
檩条一般垂直于屋顶坡面放置，此时，檩条承受双向弯曲其竖向荷载的坡向分力，在计算檩条时应完全计入。檩条下的隅撑垂直于水平面，给檩条提供双向支承，根据檩条的受力简图，分别计算出mx，my，按以下三个方面进行截面的校核。
3.2.1强度计算
3.2.2整体稳定
3.3屋架的设计屋架的形式在按工艺和建筑要求初步选取后，尚应综合考虑天窗、檩条、屋盖支撑、荷载情况以及和柱的连接等因素。本工程荷载较大，跨度较大，取屋架端部高度为2米。
3.3.1计算原则本工程弦杆采用轧制型钢，其在桁架平面内的杆件截面高度与几何长度之比大于1/10，故应考虑屋架变位后节点刚性所产生的次应力，可将弦杆的计算应力乘1.15的系数来考虑节点次弯矩的影响。屋架中所有杆件的轴线都在同一平面内，并且各杆件的轴线在节点处交于同一点。作用在屋架上的悬挂吊车的竖向荷载不考虑动力系数，其产生的水平荷载计算屋架时不予考虑。
3.3.2屋架计算的荷载组合屋架计算的荷载组合与屋架同柱的连接方式有关。①与柱铰接的屋架在荷载设计值作用下，按下列情况计算杆件内力组合：a全跨荷载设计值：永久荷载+屋面活荷载或雪荷载+积灰荷载+悬挂吊车荷载。b半跨荷载设计值：全跨永久荷载+半跨屋面活荷载或雪荷载+半跨积灰荷载+悬挂吊车荷载。c柱顶水平力与上二项进行组合。②与柱刚接的屋架在荷载设计值作用下，除按上列情况计算杆件内力外，还应考虑作用于屋架端部的水平力。端弯矩m可用一对力偶h=m/h0来代替，它与水平力的组合分成如下三组：a左端为-m1max和-h，右端为-m2和-h；b左端为+m1max和+h，右端为+m2和+h；c一端为±mmax，另一端为+m。
3.3.3屋架的内力计算（略）
3.3.4杆件的计算长度和容许长细比（略）
3.3.5杆件的截面形式的确定
本工程受压弦杆的平面外和平面内的计算长度相等，采用长边相连的不等边角钢。受拉弦杆本宜采用短边相连的不等边角钢或等边角钢，以重量最轻为原则。支座受压斜杆采用长边相的不等边角钢或等边角钢，以重量最轻为原则。连接垂直支撑的杆件宜采用等边角钢组成的十字形截面。其它腹杆一般采用等边角钢组成的t形截面。
4节点设计原则和计算
本部分仅对屋架端节点设计进行讨论。
屋架与柱的连接有铰接和刚接两种方式，下面就这两种支承节点方式分别讨论。

4.1屋架的铰接支承方式支座节点处应对称设置加劲板，加劲板的厚度取等于或略小于节点板厚度，加劲板厚度中心线应于各杆件合力重合。
支座节点的 计算 ，包括底板面积及厚度、节点板与加劲板的竖焊缝以及加劲板、加劲板的水平焊缝三个部分。
4.1.1底板面积及厚度
4.1.2加劲肋与节点板的连接焊缝计算加劲肋的厚度取等于或略小于节点板厚度。通常假定一个加劲肋传递支座反力的1/4
4.1.3屋架支座节点板和垂直加劲肋与支座底板连接的水平焊缝计算屋架支座节点板和垂直加劲肋与支座底板连接的水平焊缝，一般采用角焊缝
4.2屋架的刚接支承方式在全钢结构的房屋中，屋架与柱的连接有时设计成刚性连接；此时支座节点不仅承受屋架的竖向支座反力，还要承受屋架作为框架横梁的弯矩和水平力。为使节点板不至过大，屋架弦杆和斜腹杆的轴线一般汇交于柱的内边缘。
刚接支承一般采用安装焊缝加支托的刚接支座节点；采用普通c级螺栓加承力支托的刚性支座节点及利用柱顶设置切口台阶形成上承式屋架的刚性连接三种支承方式。利用柱顶设置切口台阶形成上承式屋架的刚性连接的这种支承形式适用于柱截面高度较大的场合。