大空间钢结构桁架檩条系统

大空间钢结构桁架檩条系统
摘要:本文详细介绍了桁架檩条作为一种大柱距屋面檩条体系，应用于轻钢结构建筑的设计方法及构造要求。

通过实际案例的分析，对于桁架檩条相对于托架结构体系和高频焊接构件体系进行了经济型的比较，阐明了这种大柱距檩条系统在应用上的独特优势及发展前景。

关键词: 桁架檩条柱距空腹结构连续折弯抗风支撑
1. 概述：
屋面檩条是轻型钢结构建筑中的主要受力构件之一。

通常情况下，轻钢结构建筑的柱距在6m~9m 之间，屋面次结构采用Z型连续搭接檩条或C型简支檩条，这是因为普通的冷弯薄壁檩条的经济跨度在9m 之内。

但是在某些特定的行业中，由于生产活动及运输的需要，如超市、物流中心、汽车制造厂房等，需要建筑物能够提供更加宽阔灵活的空间，柱距可能达到12m以上，甚至18m；还有一些建筑物，由于屋面有较大的悬挂荷载，超出了冷弯薄壁檩条的承载范围。

以往解决问题的做法是，采用实腹式H型钢梁或高频焊H型钢梁代替檩条或采用纵向托架结构系统(LGS)，但这些做法往往会造成结构用钢量大幅增长，以及建筑成本和施工难度的增加。

巴特勒屋面桁架檩条是一种新型的用于大柱距屋面系统的空腹结构，能够弥补冷弯薄壁型钢檩条在大跨度、大荷载方面的缺陷和不足。

美国巴特勒公司开发的Landmark®2000结构体系，正是使用这种桁架檩条结合实腹式门式刚架，以及相关支撑系统所形成的。

该结构体系具有不同一般的低成本优势和极佳的观感，并能提供更大的空间。

另外，桁架檩条在穿越管线和安装吊挂方面也有普通檩条无法比拟的优势。

经过十余年具体的实践活动，该系统已经被市场所接受，在美国已经成为主流的结构体系。

2. 产品特征：
与传统的用热轧型钢作为桁架上下弦杆不同，巴特勒屋面桁架檩条采用冷弯薄壁型钢作为弦杆，薄壁焊管作为腹杆，在使桁架的外形更为美观的同时，能合理地利用材料的特性。

桁架檩条截面高度分为500mm和750mm两种，设计跨度为4.5m～18.0m，并以150mm为模数变化。

桁架檩条主要由上下弦杆、主腹杆、端腹杆及端支座组成，组装图见图1：
图1
2.1 上下弦杆
上下弦杆采用优质低合金钢，最小屈服强度大于400Mpa,厚度1.5~3.2mm。

弦杆是经冷加工成型的，其截面形状象带边缘的帽子，详见图2。

上弦杆需要预冲间距为150mm的孔，以用来配合安装巴特勒独有的MR-24屋面系统连接件，下弦杆与上弦杆对称布置。

弦杆的材料严格按国家相应的标准供货，从材料的化学成分，机械特性以及加工过程到材料交货的总体要求均有严格的规定。

图2
2.2 腹杆
腹杆由外径为27mm的空心电焊圆管(符合国家DB/T13793-92标准)制作而成，最小屈服强度为大于345Mpa。

圆管通过专用的设备进行连续折弯（详见图3），并在与上下弦杆连接处压平，再通过电阻焊焊接成形。

为了提高桁架檩条靠近端部的腹杆的承载力而又不在整个檩条上采用更厚的腹杆材料（如若采用更厚的腹杆材料一方面产生浪费，也增加了桁架檩条的自重），可在靠近檩条端部的腹杆上指定区域套上一个外径比主腹杆大的套管作加强处理，在檩条组装时将套管点焊就位，加强套管仅用于保证腹杆平面外稳定。

与此同时，在该加强区域，腹杆与弦杆的连接要求采用加强焊。

图3
2.3 端座
端座是一个简单的机械装置，用来将桁架檩条连接到主结构上，端座本身高加上上弦杆高度后能够与巴特勒Z型檩条同高，这样在同一个建筑物上，就可同时使用桁架檩条和”Z”型檩条，以达到更佳的经济效果。

端座材料与弦杆的材料相同，在单独加工完成后再与桁架檩条端部焊接。

3. 桁架檩条设计要点
巴特勒桁架檩条从受力特点及节点构造上可分为普通桁架檩条及压杆式桁架檩条。

普通桁架檩条主要承受屋面荷载及风荷载，压杆式桁架檩条作为纵向支撑系统中的受力杆件，除了承受普通桁架檩条的荷载外下弦还需要承受纵向风荷载引起的轴向力。

3.1 计算软件:
桁架檩条主要采用美国巴特勒研发中心自主开发的Truss Purlin Analysis and Design程序根据美国AISI规范计算。

目前，国内已有相关工具箱软件可以按照现行国家相关规范进行设计计算。

3.2 设计荷载：
桁架式檩条的吊挂荷载根据项目用途选定，根据美国规范设计时基本荷载参照美国规范MBMA 或ASCE等规范。

采用国内规范设计时基本荷载参照《GB50009:建筑结构荷载规范》或《CECS102：2002》中有关屋面檩条部分。

吊挂荷载宜悬吊于下弦杆，吊点位置应尽量可能位于弦杆节点处，且应采用U型夹形式吊挂，具体做法可参照图6所示。

3.4 计算模型：
桁架檩条与屋面梁的连接采用每端两个普通螺栓的简支铰接。

计算时巴特勒MR-24屋面系统可作为桁架檩条上弦杆平面外的有效约束，上弦杆计算长度系数取值Kx=Ky=Kt=0.70,平面外计算长度取值桁架檩条节间长度。

下弦杆计算长度系数取值Kx=Ky=Kt=0.90，平面内计算长度取值桁架檩条节间长度,平面外计算长度取值檩间拉条间距。

在恒荷载+吊挂荷载+活荷载组合作用下，上弦受压，下弦受拉。

在恒荷载+风荷载组合作用下，上弦受拉，下弦受压。

计算时需要计算桁架檩条的强度和刚度(挠度验算)。

由于桁架式檩条所固有的刚度及制作中的起拱变形值等因素，挠度很少在桁架檩条设计中起控制作用。

3.5 压杆式桁架檩条设计要点：
压杆式桁架檩条所承受的轴向压力由风荷载或地震荷载引起，支撑内力的传力方式与普通门式刚架相同，相当于普通意义上的刚性水平系杆。

压杆式桁架檩条分为工厂完成和现场完成两种。

3.5.1 由于屋面支撑系统位于桁架檩条下弦，因此下弦为受压构件。

承受轴向压力的压杆式桁架檩条主要依靠下弦杆件延伸或附加下弦受压槽钢传递，由于支座传递轴力的能力极为有限，必要时应对上弦杆进行受力验算或特殊节点处理。

3.5.2 在屋面荷载作用下计算压杆式桁架檩条强度时，风荷载取值按次结构风载体型系数。

计算下弦附加风荷载轴向压力时，由于此时桁架檩条作为纵向受力体系中的一部分，风荷载取值按主结构风荷载体型系数。

3.5.3 桁架檩条下弦无法承担轴向压力时，现场可在下弦拼装通长槽钢，以承受100%轴向压力。

槽钢可通过一定间距的U型夹连接于下弦。

连接节点如图6:
图6
3.5.4 由工厂制造的压杆式桁架檩条下弦杆在工厂一次通长加工完成。

计算时需要考虑屋面荷载
和轴向压力。

其连接节点如图7:
图7
3.6 桁架檩条结构支撑体系设计
桁架檩条结构的支撑体系与普通门式刚架支撑体系的设计思路基本一致，但还是有所差异。

所有
轻钢建筑支撑系统均由屋面交叉支撑构成的水平桁架和压杆及墙面支撑组成。

屋面梁为水平桁架的弦杆，需考虑承担轴向拉压力。

檩条可兼做压杆。

设计支撑体系时的基本假设为：每个屋面水平桁架支撑系统变形相同，内力分析中轴向力引起的变形忽略不计，交叉支撑按单拉杆考虑，端部抗风柱位置附近的檩条承担抗风柱一半的反力。

在非支撑跨，整个屋面的水平荷载由所有檩条共同承担，不再单独复核单根檩条压力。

桁架檩条结构支撑体系的设计假设与上述基本相同，但还需要承担传递水平荷载以及存在一些特殊的构件要求和节点详图设计。

3.6.1 抗风支撑体系
桁架檩条结构支撑体系由压杆式桁架檩条和位于桁架檩条下弦平面下方的屋面水平桁架支撑以及边墙上的交叉支撑组成，并在靠近檐口处设置纵向支撑。

屋面支撑杆件通常采用圆钢，圆钢支撑与刚架采用斜垫圈或U型夹连接。

抗风支撑可以每侧单独承受或两侧共同承担风荷载。

沿建筑长度方向屋面水平桁架支撑数量不得少于两个。

屋面抗风支撑位置宜位于端部第一个柱距内或从端部开始的前三个柱距内。

当支撑位置设在端部第一个柱距内时，每侧端墙风荷载直接由屋面支撑传至柱间支撑。

当支撑位置不在端部第一个柱距内时，应采用压杆式桁架檩条传递端墙风荷载至第一个设有屋面支撑的柱距处。

如果由于建筑物柱距数量较多，两个屋面支撑桁架之间超过9个柱距未设支撑时，需要考虑在此区间增设支撑。

3.6.2 地震荷载支撑体系
根据计算确定需要的支撑数量和规格，支撑间距不宜超过45m。

当地震荷载支撑数量超过抗风支撑数量时，在抗风支撑与额外的地震荷载支撑之间不需要设置传递轴向压力的压杆式桁架檩条。

3.6.3 边墙支撑
边墙支撑可以采用圆钢支撑或门式支撑。

每一个柱距边墙中间抗风柱数量不应超过两个。

如果可能，应与屋面支撑位于同一柱距内。

边墙支撑位置也允许设置在屋面支撑以外的柱距内，但不应超过三个柱距。

由于屋面支撑位于桁架檩条下弦杆平面一下，而檐口Z型檩条与屋面支撑不在同一平面，所以在边墙中间抗风柱与刚架柱之间必须设置纵向压杆，与屋面纵向圆钢支撑形成水平桁架体系。

门式支撑和交叉支撑不能够在同一侧边墙上混用。

每侧边墙每个柱距门式支撑数量不应超过两个。

3.7 压杆式桁架檩条的传力途径
位于端墙抗风柱两侧的桁架檩条和与屋面圆钢支撑相连的檩条均视为压杆式桁架檩条。

但支撑位于端部第一个柱距内时，端墙抗风柱两侧的桁架檩条与屋面支撑不相连的压杆式桁架檩条仅在端墙处做下弦延伸，与圆钢支撑相连的桁架檩条下弦两端均需要延伸。

当端部柱距内未设屋面支撑，且抗风支撑总数量超过两个时，端墙柱顶风荷载将通过压杆式桁架檩条传递至支撑柱距。

设计时假定传力路径为柱顶反力通过端墙抗风柱两侧桁架檩条下弦及桁架腹杆，传递至桁架檩条上弦，经过支座至屋面梁上翼缘再传递至下一根檩条支座、上弦直至支撑柱距内的压杆式桁架檩条下弦。

由于支座传递轴向压力的能力极为有限，必要时应对上弦杆件进行受力验算和特殊节点处理。

或将非支撑跨桁架檩条下弦延伸，轴向压力通过下弦平面传递至有支撑的柱距内。

当Z型檩条与桁架檩条混合使用时，支撑位置应尽可能设置在Z型檩条区域内，以便减少压杆式桁架檩条的数量。

3.8 边墙中间抗风柱
边墙中间抗风柱柱脚柱顶均为铰接，可在柱顶设置八字形圆管支撑将柱顶荷载传递至桁架檩条上弦。

或者增设横向压杆，连接与边墙抗风柱柱顶和靠近檐口的桁架檩条的下弦，并通过屋面纵向交叉支撑将柱顶反力传递至刚架柱。

连接节点参照图8：
图8
4. 主结构设计要求
主结构的设计荷载取值与普通门式刚架并无差异。

只是由于屋面支撑体系位于桁架檩条的下弦杆平面下方，为了避免梁柱水平连接的节点板和加劲板与支撑体系有冲突，宜优先考虑选用垂直连接，并且要求屋面梁最小高度为610mm。

5. 檩间支撑及翼缘支撑
檩间支撑一般设置在桁架檩条上下弦杆平面内。

由于巴特勒MR-24屋面系统可作为桁架檩条上弦平面外的有效约束，上弦杆平面内的檩间支撑仅是为提供安装时的稳定性作用。

下弦杆平面内的檩间支撑可作为下弦杆的平面外有效约束。

第一个檩间支撑位置位于距离桁架檩条支座1.5m处下弦与腹杆交汇处。

下弦檩间支撑间距不应超过3.0m；上弦杆檩间支撑通常位于跨中位置。

为稳定刚架梁而设置的单面隅撑的做法，不宜用于桁架檩条结构体系中(端墙刚架除外)，因为这将导致桁架檩条下弦受压扭曲，对结构不利。

因此，设计中通常采用双面隅撑的做法，且隅撑连接
于屋面梁下翼缘与桁架檩条下弦。

6. 高端、低端檐口抗风支撑
为了保证低端檐口檩条(Z型或C型)平面外稳定性，以及檐口檩条风荷载传递至屋面结构系统，通常在檐口纵向檩条与第一根桁架檩条上弦之间用圆管连接。

当边墙抗风柱距小于7.50m时，在檩条跨中设置一道抗风支撑；当边墙抗风柱距大于7.50m时，在檩条跨中设置两道抗风支撑。

此支撑不能够替代桁架檩条檩间支撑。

对于单坡建筑，由于巴特勒屋面板MR-24为直立锁缝屋面，屋面板夹具具有可移动性，应在高端檐口采用抗风支撑。

由高端处压杆檩条和前两根桁架檩条作为弦杆，高强度冷弯薄壁槽钢作为交叉杆件组成一个纵向水平桁架支撑体系。

交叉支撑用自攻钉连接于桁架檩条上弦。

7. 桁架檩条的组装
巴特勒桁架檩条的部件号由不同的零件号（上弦杆、下弦杆、主腹杆、端腹杆）组装而成，由于几乎所有的零件都是变长度的，故同一个部件号可以有不同的长度，当桁架檩条的长度确定以后，其相应的零件长度也就随之确定。

8. 桁架檩条的制造加工和涂装
巴特勒桁架檩条在工厂制作时，均应有相当于R=91.44m半径的板的起拱值，在设计檩条时应对其刚度进行验算。

上下弦杆均为机器轧制成型，定位加工，预先在工厂冲孔，以保证其连接的准确性。

腹杆为半自动的弯管机成型，根据图纸把弯管制作成若干个W型。

组装是在工厂进行的，在一台大型的台架上，采用二氧化碳气体保护焊，把腹杆与上下弦杆焊接起来，每一个节点都有铜垫衬，在焊透的同时保证额定的焊缝高度和形式。

桁架檩条的表面处理达ST2.0级，醇酸底漆采用浸漆方式涂装。

面漆有两种，标准面漆为醇酸面漆，对有特殊要求的建筑推荐采用ICI封固面漆，但价格较高。

9. 桁架檩条的运输
桁架檩条与其他空腹构件一样，需用较大的运输空间，且单根构件长度较长，所以运输成本相对普通檩条更高，不适于长距离运输。

10. 经济性比较
设计条件：某仓库位于上海，建筑尺寸为：96m(宽)x180m(长)x10m(檐口高度)，
柱距:中柱为:12@15m,边柱为:24@7.5m.
跨度:4x24m
荷载条件: WL=0.55 kn/m^2
SL=0.25 kn/m^2
CL=0.25 kn/m^2
LL=0.50 kn/m^2（檩条）/0.30 kn/m^2（刚架）
屋面自重: 0.15 kn/m^2（檩条）/0.25 kn/m^2（刚架）
采用三种结构方案比较:
1. LGS+门式刚架系统，次结构跨度为7.5m，采用Z型搭接连续檩条。

2. 门式刚架系统，次结构采用桁架檩条，直接跨15m。

3. 门式刚架系统，次结构采用H型高频焊檩条，直接跨15m。

经过PKPM-STS和巴特勒自有软件分析后得到各种方案的用钢量比较如下:
注:比较数据仅供参考。

从比较表中可以看出，采用门式刚架+桁架式檩条的结构方案虽然维护次结构增加了20%左右的用钢量，但是主结构及支撑的用钢量仅为门式刚架+LGS+Z型檩条的66%。

综合来说，单位面积的用钢量可以节省约20%，相对于其它两种结构形式，屋面桁架檩条具有更大的经济性优势。

11. 结论
巴特勒Landmark®2000结构体系适用于实现较大室内柱网空间或者屋面吊挂荷载较大的预制轻钢结构建筑，其结构形式简洁，施工速度快，用料省，为大空间结构提供了新的选择。

同时，桁架檩条的空腹结构还可以为水暖电等专业设备管线的穿透及安装提供便利，从而达成既美观又实用的实际效果。

在中国，已经建成了包括上汽临港、三一重工、美国维尔卡钢绳、天裕光能科技等数十个项目，成为一种具有较高性价比的建筑解决方案。

虽然桁架檩条在加工速度和运输距离上受到了一定的限制，但是作为一种新兴的优势结构体系，其应用及发展必将有更为广阔的空间。

参考文献
1. Metal Building Manufacturers Association. INC. Low Rise Systems Manual 1986
2. The American Iron and Steel Institute (AISI) Committee. The Specification for Design of
Cold-Formed Steel Structure Members. 1996。