大跨度屋面檩条选用分析

内容需要下载文档才能查看

大跨度屋面檩条选用分析

师先银1，张晓丽1，唐阳春2

（1.国家粮食储备局郑州科学研究设计院，郑州2.郑州市质量技术监督检验测试中心，郑州

450007）450053

摘要：本文从技术和经济两个方面比较了高频焊接薄壁H型钢与桁架式屋面檩条的特点，为实际工程中选择合适的檩条形式提供参考。

关键词：高频焊接薄壁H型钢；钢桁架；檩条

AStudyonTheselectionofLarge-spanRoofpurlin

（1.ZhengzhouScienceResearch&DesignInstituteUnderStateAdministrationOfGrainReserve，

2.ZhengzhoutestcenterofquailityandTechnicalSupervision，Zhengzhou450007，China）

Zhengzhou450053，China

ShiXianyin1，ZhangXiaoli1，TangYangchun2

Abstract：Thispapermakesacomparisonofthehigh-frequencyweldingH-sectionandsteeltrussroofinpracticalproject.

purlinsonthetechnicalandeconomiccharacteristics,forreferencetoselecttheappropriateformofpurlinKeywords：high-frequencyweldingH-sectionsteel；steeltruss；purlin

中图分类号：TU39，TU225

文献标识码：B

文章编号：1007－3582（2014）03－0014－05

随着经济社会的快速发展，轻型屋面钢结构厂房在工程中得到广泛应用。据不完全统计，每年建筑用彩钢板用量超过100万t，同时作为配套支承构件的钢檩条也相应有极大用量。目前建筑物越来越趋向宽阔灵活的大空间，大跨度屋面檩条正在被越来越多地被使用。当柱距为6~9m时，C型和斜Z型冷弯薄壁型钢檩条使用比较广泛且经济合理。当柱距为12~18m时，由于跨度较大，C型和斜Z型冷弯薄壁型钢檩条就不能满足受力要求。鉴于檩条的用钢量在总用钢量中的比重较大，如何选用技术先进、经济合理的檩条形式至关重要。对于这种大柱距形式的钢结构厂房，目前工程中常用高频焊接薄壁H型钢作为屋面檩条，而桁架式屋面檩条也开始逐渐得到应用。下文将分别设计18m、15m跨度的两种形式檩条，并从技术和经济两个角度对这两种

收稿日期：2014-03-22作者简介：师先银（1980-），男，工程师；专业方向为土木工程。

形式的檩条进行比较。为了对二者进行比较，笔者设定一些参数（见表1）作为两种形式檩条计算的基本条件。

表1檩条计算基本参数表

坡度檩距钢材标号恒载活载风载1高频焊接薄壁H型钢檩条的设计

高频焊接薄壁H型钢采用高频焊接技术，具有焊接应力小、截面尺寸精度高、截面尺寸可按用户要求定制等优点。本设计中所用高频焊接薄壁H型钢规格选自国标《结构用高频焊接薄壁H型钢》（JG/T137-2007）。计算程序采用PKPM系列STS工具箱中屋面檩条计算。计算时假定屋面板不能阻止檩条侧向失稳和扭转。采用双层拉条约束檩条上下翼缘，拉条间距为3m，净截面系数取1.0。荷载计算依据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）。檩条依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）按受弯构件分

143/2014粮食流通技术

内容需要下载文档才能查看

别进行了两种工况下的抗弯强度、整体稳定和竖向挠度计算。计算结果见表2。

抗弯强度计算：整体稳定计算：挠度计算：

表2高频焊接薄壁H型钢计算结果表（N/mm2）跨度檩条截面4.5X8.0H350X150X150X

工1σ1工1σ2工2σ1工2σ2123.5120.3

148.6137.2

65.210.6

78.580.6

挠度重量图2腹杆与弦杆连接节点图

计算程序采用OPENTOOL工具箱中桁架檩条计算，18m、15m檩条计算简图分别见图3、图4。上下弦平面外计算长度均按3m计算。

1815

80.332.40

图318m桁架式檩条计算简图

51.826.07

工况1：1.2恒载+1.4(活载+0.6风载(压力))组合工况2：1.0恒载+1.4风载(吸力)组合

2桁架式檩条的设计

桁架式檩条由上、下弦杆和斜腹杆组成。与传统的采用热轧型钢作为上下弦杆不同，桁架式檩条的上下弦杆由230mm宽的薄壁钢板冷弯成M型，厚度可取2.0~5.0mm。采用这种截面形式，既保证了上、下弦杆在平面内和平面外具有一定的刚度，又节省了钢材。本文中用到M2.5和M3.5两种截面，截面详图如图1所示。

檩条自重见表3所示。

18m、15m檩条上下弦杆和腹杆的计算截面及

表3桁架式檩条上下弦杆及腹杆截面表

图415m桁架式檩条计算简图

跨度矢高上弦下弦1815/m

/mm截面截面800

端部斜腹杆其他斜腹杆

1000M3.5M2.5T-50x50x5x5PIPE-33.5x214.33

M2.5M2.5T-50x50x5x5PIPE-26.8x211.63

/Kg/m

自重

桁架依据《冷弯薄壁型钢技术规范》

（GB50018-2002）对上弦杆按压弯构件分别进行了强度、整体稳定性和长细比验算，对下弦杆和腹杆按轴心受力构件进行了强度、整体稳定性和长细比验算。18m、15m桁架式檩条的验算结果见表4所示。

图1上、下弦杆截面详图

3檩条与屋面板的连接节点

屋面彩钢板与高频焊接薄壁H型钢檩条的连接可参国标图集《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》（09J925-1）采用紧固件连接或咬边连接。目前工程中使用较多的是上翼缘与上层屋面板采用咬边连接，下翼缘与下层屋面板采用紧固件连接。见图5所示。

桁架式檩条的上、下弦杆均可以用来固定屋面彩钢板。檩条与屋面梁采用下弦支承的连接方式（见图8）时，檩条与屋面板的连接节点可参照图5。檩条

3/2014粮食流通技术

腹杆除端部外均采用冷弯圆钢管。端部腹杆受力较大采用50x50x5x5的焊接T型钢。圆钢管外形美观，截面特性适合作为轴心受力构件，而且加工方便。圆钢管规格选自国标《结构用冷弯空心型钢尺寸、外形、重量及允许偏差》（GB/T6728-2008）。直径21.3~33.5mm，壁厚2.0~3.0。腹杆设计时可根据受力大小选用不同规格圆管，尽可能做到经济合理。冷弯点如图2所示。

圆管端部经过冲压、压扁后与上下弦杆焊接。连接节

15

内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看 内容需要下载文档才能查看

与屋面梁采用上弦支承的连接方式（见图7）时，下层屋面板靠近屋面梁和厂房柱处不太容易固定。这时可采用“镀锌钢丝网+保温棉+彩钢板”的屋面做法。这种做法与图5的做法相比取消了下层压型钢板，增加了镀锌钢丝网用来支承保温棉。目前这种做法在工程中的应用越来越多。

从屋面系统的施工角度来说，屋面板、保温棉的铺设、拉条、檩间支撑的安装等不少工作都需要工人师傅站在檩条上操作。高频焊接薄壁H型钢上翼缘的宽度约为150~200mm，施工人员可以在上面自由行走操作；而桁架式檩条上弦杆为M型（见图1），给施工人员在上面的行走操作增加了一定难度。

表418m、15m桁架式檩条计算结果表

-184.5110.876.838.691.4

-177.377.694.777.631.6

允许值205150205205150215215150205205图7桁架式檩条与屋面梁连接节点一图

150

图6高频焊接薄壁H型钢与屋面梁连接节点图

250~350mm，桁架式檩条的上弦杆如果直接固定于屋面梁上翼缘的话，最终屋面板就会比天沟低，造成个柱墩，如图7所示，使最终屋面板比天沟略高，这样才能够顺畅排水。

当屋面采用外天沟时，天沟可紧贴厂房柱外皮降低标高，檩条就不需要再设支墩，直接固定于屋面梁的上翼缘即可。屋面梁则需要在相应的位置预留螺栓孔。

屋面排水困难。这时就需要在屋面梁上翼缘焊接一

当屋面采用内天沟时，由于天沟高度约为

上弦杆强度上弦杆整体稳定上弦杆长细比下弦杆强度下弦杆整体稳定下弦杆长细比端部腹杆强度端部腹杆整体稳定端部腹杆长细比其他腹杆强度其他腹杆整体稳定其他腹杆长细比垂直屋面挠度

-108.7-96.9

-74.2-75.2103.5134.5

-44.6-78.2108.5107.6

-133.7-142.2

另外还可以采取桁架式檩条下弦支承式的连接节点，如图8所示。由于桁架式檩条本身矢高约为上翼缘的话，则屋面板和天沟高差过大，需要在天沟下设支墩，将天沟顶垫至与屋面板底平，使得排水顺畅。

500~1000mm，这时如果天沟还直接落于屋面梁的

图5檩条与屋面板连接节点图

4檩条与屋面梁的连接节点

H型钢与屋面梁也通过檩托连接。连接时需将下翼缘局部切肢。如图6所示。

16

3/2014粮食流通技术

与其他冷弯薄壁型钢檩条一样，高频焊接薄壁

图8桁架式檩条与屋面梁连接节点二图

内容需要下载文档才能查看

与高频焊接薄壁H型钢檩条相比，桁架式檩条存在一个缺点。在厂房端部和伸缩缝处，檩条一端需要悬挑600mm。在计算檩条是尚需考虑在檩条悬挑端头作用1KN施工荷载的工况。由于高频焊接薄壁矩。而桁架式檩条如采用图7的连接方式则只能让抵抗在屋面恒载荷和上弦杆悬挑端头作用1KN施工荷载的组合工况下产生的应力。若采用下弦支承式，则桁架端头可做成图9形式，在此不作赘述。H型钢可全截面悬挑，足以抵抗施工荷载产生的弯上弦杆外挑，此时则需要校核上弦杆截面是否能够

表5高频焊接薄壁H型钢檩条长细比及最大轴向承载力表跨度1815

檩条截面H350X150X4.5X8.0

181533

λx108.6105下弦截面λy90.994轴向承载/KN92114表6桁架式檩条上下弦杆的长细比表

弦杆截面跨度桁架矢高表7桁架式檩条最大轴向承载力表

上弦截面

N2：下弦轴向承载力设计值

图9厂房端部、伸缩缝处桁架式檩条与屋面梁连接节点图

从上表可以看出这两种檩条本身均有一定的轴

向承载力，只要不小于实际作用在构件上的轴向力即可考虑檩条兼作刚性系杆。檩条与屋面梁的连接节点同样需要承载作用于檩条的轴向力，常规的两个M12普通螺栓抗剪承载力仅有31.6KN，檩托板在螺栓孔处板件抗剪能力均小于檩条本身的轴向承载力。故在节点设计时需考虑改进连接节点，使其能够承载作用于檩条的轴力。

另外通常檩条和檩托通过普通螺栓连接，有的施工单位为了方便安装将螺栓圆孔改为长圆孔。但是当檩条兼作系杆时，切不可为了施工方便而采用长圆孔。要求檩条所开螺栓圆孔务必定位准确。10所示。

兼作系杆的桁架式檩条与屋面梁连接节点见图

5对屋面水平支撑等的影响

高频焊接薄壁H型钢檩条在屋面梁的上方，对屋面水平支撑、系杆都不构成影响。而桁架式檩条则不同。当桁架式檩条采用上弦支承的连接方式（见图7）时，屋面上弦水平支撑与桁架腹杆有可能相碰。若屋面上弦水平支撑采用圆钢，通过调整腹杆布置还有可能避开圆钢。若采用角钢，希望通过调整腹杆布置去避开角钢难度比较大。檩条布置还要根据屋面开洞情况调整，间距不一定那么均匀，通过实际放样调整腹杆间距来避开水平角钢支撑的工作量较大，另外从施工顺序角度水平支撑往往先于檩条施工，因此笔者认为这种方案不太可行。建议当屋面水平支撑采用角钢时，檩条与屋面梁的连接采用下弦支承的连接方式（见图8）。

6对系杆的影响

《门刚规程》4.5.3规定：刚性系杆可由檩条兼作，此时檩条应该满足对压弯杆件的刚度和承载力要求。高频焊接薄壁H型钢檩条长细比及最大轴向承载力见表5所示。

桁架式檩条上下弦杆的长细比及轴向承载力见表6、表7所示。由于实际设计时桁架节点间距可自由调整，故上下弦杆平面内计算长度按1.5m取值。

图10兼作系杆的桁架式檩条连接节点图

7檩条竖向挠度比较

为使屋面平整，檩条垂直于屋面方向的挠度不宜过大。《钢结构设计规范》规定对于支承压型钢板

3/2014粮食流通技术

17

内容需要下载文档才能查看

和金属夹芯板屋面的檩条挠度限值为L/200。按照笔者设定的计算条件和选用的屋面檩条，计算了不同工况下18m、15m两种形式檩条的最大挠度，分别见表2、表3。从表2可以看出，高频焊接薄壁H型钢截面应力还较小时时檩条挠度已接近限制，钢材的高强度没有得到充分利用。从表3可以看出，桁架式檩条在上下弦杆应力接近限值时檩条挠度还很小。可见桁架式檩条较高频焊接薄壁H型钢檩条在限制竖向挠度方面更有优势。

选用的高频焊接薄壁H型钢为国标库中的截面，这种截面在计算时挠度起控制作用，而应力比往往较小。实际应用中可优化截面，使得钢材的强度得到充分利用。优化后的截面可向厂家定制，以提高效率，节省工期。

表818m跨檩条系统用钢量比较表檩条形式高频焊接薄壁桁架式檩条H型钢檩条

檩条重/221.6拉条或檩间支撑

重/Kg/m2

0.49222.09总重/

8制作与安装

高频焊接薄壁H型钢檩条可以成品市场订货，经简单切肢、钻孔即可吊装，安装就位后用圆钢拉条张紧即可，施工简单。而桁架式檩条相对来说制作麻烦一些。首先要用专用设备将薄钢板轧制成上下弦截面。然后将按照1：1放线下料的圆钢管冲压剪切成型，在工厂的台架上与上下弦杆组装焊接，腹杆与安装檩间平行支撑和交叉支撑（见图11）。弦杆的连接采用CO2气体保护焊。最后吊装就位后

表915m跨檩条系统用钢量比较表

檩条形式高频焊接薄壁桁架式檩条H型钢檩条

217.4檩条重/

拉条或檩间支撑

重/Kg/m2

0.47217.87总重/

10结论

通过以上技术、经济两个角度的分析比较，我们可以看出，桁架式檩条在经济上具有很大优势，而在施工难易程度和相关节点处理上不如高频焊接薄壁H型钢檩条简单方便。参考文献：

［1］钢结构设计规范（GB50017-2003）［S］.北京：中国计划出

版社.2003.

［2］门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102:2002）［S］.

北京：中国计划出版社.2012.

［3］建筑结构荷载规范（GB50009-2012）［S］.北京：中国建筑

工业出版社.2012.

［4］冷弯薄壁型钢技术规范（GB50018-2002）［S］.北京：中国

计划出版社.2002.

［5］结构用高频焊接薄壁H型钢（JG/T137-2007）［S］.北京：中

国标准出版社.2007.

［6］压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造（09J925-1）［S］.北

京：中国计划出版社.2009.

图11檩间平行支撑和檩间交叉支撑图

9经济性比较

15m跨度下两种形式的檩条进行了设计，单位屋面面积下两种形式的檩条自重、拉条或檩间支撑、总用钢量分别见表8、表9所示。

从表8和表9中可以看出桁架式檩条的用钢量约为高频焊接薄壁H型钢檩条的一半，桁架式檩条的经济性非常突出。

但是必须做一点说明，在前面檩条计算时我们在设计条件相同的前提下，上文分别对18m、

欢迎投稿，欢迎刊登广告！

18

3/2014粮食流通技术