浅谈混凝土排架柱H型钢屋面梁厂房结构设计

浅谈混凝土排架柱H型钢屋面梁厂房结构设计随着现代社会的不断发展，为了满足厂房的抗震和功能要求，轻钢结构在
工业厂房中被越来越多采用。

H型钢在各个方向上都具有抗弯能力强、结构重量轻、施工简单、节约成本等优点，因此其作为屋面梁的结构形式成为目前一种重要的轻钢结构形式。

本文针对混凝土排架柱H型钢屋面梁厂房结构设计进行相关论述。

标签：混凝土排架柱；H型钢屋面梁；结构设计
目前轻钢厂房经常采用混凝土柱和H型钢屋面梁的结构形式，即混凝土排架柱H型钢屋面梁厂房，本文主要是指人字型H型钢屋面梁。

一、概述
H型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材，其具有以下优点：翼缘宽，侧向刚度大；抗弯能力强，比工字钢大约5%-10%；与焊接工字钢相比，成本低，精度高，残余应力小，无需昂贵的焊接材料和焊缝检测，节约钢结构制作成本30%左右；相同截面负荷下，比传统钢结构重量减轻15%—20%；翼缘两表面相互平行使得连接、加工、安装简便；与砼结构相比，可增大6%的使用面积，而结构自重减轻20%—30%。

H型钢屋面梁就是采用H 型钢作为厂房屋面梁的结构形式，他是在屋面结构中承受来自檩条、屋面板压力的主要结构构件，主要承受弯矩和剪力。

混凝土排架柱是指由屋架（或屋面梁）、混凝土柱和基础组成的，柱与屋架铰接，与基础刚接的基本结构形式，它是厂房的主要承重体系。

其中两边的柱子是一排一排的，屋架支撑在柱子上。

排架柱结构体系的主要特点是刚度和质量分布较不均匀，在地震的作用下扭转效应非常显著。

混凝土排架柱H型钢屋面梁厂房是由H型钢屋面梁、混凝土柱和基础构成横向平面排架，再通过屋面板、吊车梁、支撑等纵向构件将平面排架联结起来，构成整体的空间结构。

其不仅具有排架柱结构体系良好的抗震特点，又具有轻钢结构质量轻的特点，因此被广泛应用于厂房结构中。

二、厂房结构设计特点
1.排架结构结构布置的原则是：尽量使柱网对称均匀布置，使房屋的刚度中心与质量中心相近，以减小房屋的空间扭转作用，结构体系要求简捷、规则、传力明确。

避免出现应力集中和变形突变的凹角和收缩，以及竖向变化过多的外挑和内收，力求沿竖向的刚度不突变或少突变。

2.做好技术协调工作
厂房都是为生产服务的，厂房结构设计中首先应满足厂房的工艺要求。

在结构方案阶段，工艺设计人员在工艺布置时，经常与结构设计发生矛盾，要开洞的地方是框架梁，设备布置在跨中等。

因此，在方案阶段，结构设计人员应多与工艺协调，尽量了解工艺布置，减少设计和施工中的不必要的麻烦。

三、结构设计
1.排架结构设计
1.1计算模型的建立
混凝土排架柱H型钢屋面梁厂房结构计算时，为了减小复杂的结构形式对结构计算的难度，我们将原结构进行简化。

在计算简图中（图1），以竖线代表柱的重心线，横线代表屋架（横梁）下缘，连接在柱顶。

在确定排架结构的计算简图时，为简化计算作以下假定：
①把混凝土柱与H型钢梁看成是理想铰接，混凝土柱与基础看成刚接；
②把实际的结构构件简化为壳单元或者空间杆，也就是把梁柱简化成三维立体的空间杆单元，楼板简化成各个方向同性的壳单元、三维矩形板。

③排架H型钢屋面梁为无轴向变形的刚杆，横梁两端处柱的水平位移相等。

④排架柱的高度有固定端算至柱顶铰结点处。

⑤排架与排架之间的相互联系暂时忽略，即暂时不考虑排架的空间作用。

1.2荷载和内力计算
荷载计算包括排架上的荷载、吊车荷载以及风荷载的计算。

内力计算包括屋盖自重作用下内力（排架无侧移）、上下柱荷载、吊车、吊车梁及轨道自重作用下的内力、屋面活荷载作用下的内力、吊车竖向荷载作用下的吊车水平荷载作用下的内力以及风荷载作用下的内力计算。

内力计算完成后进行内力组合，确定最不利荷载组合。

1.3柱的计算
采用最不利荷载进行混凝土柱的截面配筋计算，以及牛腿截面尺寸和配筋设计。

由于在运输和吊装过程中，柱子处于受弯状态，吊装受力与使用受力不一致，吊点选择不合理，吊装弯矩过大，其抗弯强度和抗裂度不能满足要求。

故必须进行吊装验算并合理确定吊点位置。

2.钢屋架的设计
2.1屋架的选型设计
屋架的外形常用的有三角形、梯形、平行弦和人字型等。

屋架选型是设计的第一步，桁架的外形首先取决于建筑物的用途，其次考虑用料的经济施工方便及结构刚度等问题，主要以下4个方面：
①满足使用要求；
②受力合理：桁架外形应尽可能与弯距图相近似，杆件受力均匀；短件受压，长件受拉；荷载尽量布置在节点上；
③节点构造要求简单，便于制造；
④便于运输；
目前，人字型屋架以其适用于跨度大，柱顶标高较低的厂房而普遍运用。

人字型屋架有较好的空间观感，其上、下弦可以是平行的，也可以具有不同坡度，坡度1/20-1/10；人字型屋架一般易采用上承式，不但安装方便且可使折线拱的推力与下弦杆的弹性压缩相抵消，在很大程度上减小了对柱的不利影响；同时人字形屋架构造比较简单，其腹杆体系可设计成人字形或斜腹杆式，当平行弦时，大部分节点形式相同。

一般分两段运输，故高度较小，运输方便。

2.2 H型钢屋面梁设计
H型钢屋面梁截面设计应满足强度、整体稳定、局部稳定和刚度的要求。

设计组合梁时，首先需要初步估计梁的截面高度、腹板厚度和翼缘尺寸。

2.2.1梁的截面高度：确定梁的截面高度应考虑建筑高度、刚度和经济三个方面的要求。

.
建筑高度是指梁的底面到铺板顶面之间的高度，通常由生产工艺和使用要求决定。

确定了建筑高度也就确定了梁的最大高度。

梁的经济高度，梁用钢量最少的高度，采用经验公式确定。

实际采用的梁高，应介于建筑高度和最小高度之间，并接近经济高度。

梁的腹板高度可稍小于梁的高度，一般取腹板高度为50mm的倍数。

2.2.2腹板厚度：腹板厚度应满足抗剪强度的要求。

初选截面时，可近似的假定最大剪应力为腹板平均剪应力的1.2倍，为了考虑局部稳定和构造等因素，腹板厚度一般用下列经验公式进行估算，实际采用的腹板厚度应考虑钢板的现有规格，一般为2mm的倍数。

2.2.3翼缘尺寸：已知腹板尺寸，可根据公式求得需要的翼缘截面积，从而确定翼缘板的宽度和厚度。

翼缘板通常用单层板做成，当厚度过大时，可采用双
层板。

确定翼缘板的尺寸时，应注意满足局部稳定要求。

选择翼缘尺寸时，同样应符合钢板规格，宽度取10mm的倍数，厚度取2mm的倍数。

2.2.4截面验算：根据初选的截面尺寸，求出截面的几何特性，然后进行验算。

梁的截面验算包括强度、刚度、整体稳定和局部稳定四个方面。

2.3屋面梁的檩条设计
当H型钢作为檩条结构时，其板材仍多以热轧板材为主，主檩条承受次檩条传来的集中力作用，且集中力间距相同，取最不利排列求最大弯矩。

屋面H 型钢主檩条计算主要遵循《钢结构设计规范》GB50017-2003中相关规定，檩条一般设计成单跨简支构件，实腹式檩条也可设计成连续构件；主檩条在设计过程中，可以考虑次檩条对主檩条提供的侧向支承作用；当次檩条直接支承压型钢板屋面时，其挠度限值为L/150；当尚有吊顶时，其挠度限值为L/240；当仅支承的屋面材料为水泥制品瓦材屋面时，其挠度限值为L/200，主檩条挠度限值应在此基础上适当提高。

四、结语
我国，随着型钢、冷弯薄壁型钢、压型钢板的引进和发展，轻钢结构体系引起了普遍的重视。

在厂房工业建筑设计中，钢结构以其自重轻、抗震性能好、建设周期短、易维护、现代感强等优势越来越受到建设单位的青睐。

因此在结构设计阶段一定要做好各部分的设计，提高建筑工程质量，促进钢结构厂房的发展。

参考文献：
[1]屠祖国.混凝土排架柱H型钢屋面梁厂房结构设计[J].科技创新导报，2011.10.
[2]岳磊.混凝土排架柱H型鋼屋面梁厂房结构设计[J].价值工程，2011.05.
[3]张漪.工业厂房混凝土H型钢结构设计[J].中国城市经济，2011.12.。