湖北省机电研究设计院股份公司 430070
摘要：本文以武汉市蔡甸区某钢筋混凝土柱梯形钢屋架预应力混凝土屋面板单层工业厂房设计为例，简要介绍了钢筋混凝土柱梯形钢屋架预应力混凝土屋面板单层工业厂房的受力特点、荷载取值、计算要点及有关构件选型。
关键词：钢筋混凝土柱梯形钢屋架 荷载取值 构件选型
排架结构是单层工业厂房常用的结构形式之一，排架柱顶与屋架或屋面梁铰接、柱底与基础刚接；排架结构具有受力明确，构造简单，构件标准化等特点。目前常用钢柱与钢屋架或钢桁架结构形式，采用钢筋混凝土柱梯形钢屋架预应力混凝土屋面板的结构形式越来越少，与全钢结构厂房相比，施工较为复杂，工期较长，主要用在一些特殊类厂房，如铸造厂房。本文以武汉市蔡甸区某钢筋混凝土柱梯形钢屋架预应力混凝土屋面板单层工业厂房设计为例，简要介绍了该类结构部分构件荷载取值、计算与选型。
一、工程概况：
本工程为两跨（21.0m+21.0m）钢筋混凝土柱梯形钢屋架预应力混凝土屋面板单层工业厂房，结构平面布置图如图1所示，结构立面图如图2所示，用于铸造厂房，产品如汽车发动机零部件、汽车底盘悬挂件等，厂房内有局部较高的温度，有一定的腐蚀气体和液体。柱网轴线在纵向的距离为6.0m，排架柱顶标高为12.395m，屋檐高度为14.63m。A～E轴线之间跨为1台5T（A5工作制度）和1台5T（A6工作制度）QD型桥式起重机，E～J轴线之间跨为1台5T（A5工作制度）QD型桥式起重机和1台5T（A7工作制度）QDY型冶金起重机，轨顶标高均为10.4m。屋面要考虑积灰荷载，积灰量不大且定期清理，其荷载按0.3 KN /m2能满足工艺要求；沿屋脊方向设置有通风天窗，通风天窗按图集05J621-3中的5型通风天窗（启闭式）中的TC5B-3060n采用，重量为245kg/m。屋面采用预应力混凝土屋面板，外墙采用250mm厚蒸压加气混凝土砌块。
图1. 结构平面布置图 图2. 结构立面图
二、荷载取值：
不上人屋面活荷载：根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）（以下简称《荷载规范》）5.3.1条：不上人的屋面，活荷载标准值：0.5KN/m2。
屋面雪荷载：根据《荷载规范》7.1.2条、表7.2.1和表E.5的规定：武汉市的基本雪压：0.5 KN/m2（50年一遇），基本风压：0.35 KN/m2（50年一遇）。另外，本工程屋面坡度为1/10，即5.71°<25°，不考虑屋面积雪不均匀分布的情况。
屋面积灰荷载：0.3KN/m2，根据《荷载规范》5.4.2、5.4.3条的规定，在天沟不大于3.0m处易形成灰堆，在设计屋面板时应考虑积灰的增大系数0.4；积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。
由《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版）附录A.0.17的规定可知：武汉市蔡甸区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。由地勘报告可知：本场地土为Ⅰ1类，地面粗糙度为B类，建筑抗震设防类别为丙类。
三、主要构件荷载计算与选型
1．屋面板和嵌板，根据建筑图中的屋面做法进行屋面荷载标准值统计，35mm厚C20细石混凝土（内加一层直径为4间距150的冷拔钢筋）保护层：G1K=0.035x24=0.84KN/m2，防水层：G2K=0.15KN/m2，20mm厚水泥砂浆找平层：G3K=0.02x20=0.4KN/m2，积灰荷载：Q1K=0.3x2KN/m2，活荷载：Q2K=0.5KN/m2，雪荷载：Q3K=0.5KN/m2。外加荷载基本组合设计值：q=1.35x（0.84+0.15+0.4）+1.4x（0.9x0.3x2+0.7x0.5）=3.12 KN/m2，由图集04G410-1《1.5mx6.0m预应力混凝土屋面板》6.2.1选用表中查知，屋面板选用Y-WB-3Ⅱ，其允许外加均布荷载基本组合设计值为3.65 KN/m2 >3.12KN/m2，满足设计要求，Y-WB-3Ⅱ自重（加灌缝）：G4K=1.5KN/m2；由6.2.2选用表中查知，嵌板选用Y-KWB-2Ⅱ，其允许外加均布荷载基本组合设计值为3.37KN/m2>3.12 KN/m2，满足设计要求。屋面板和嵌板的具体施工详见图集04G410-1。
2.天沟板，根据建筑图中的天沟做法进行天沟荷载标准值统计，膨胀珍珠岩砂浆找坡层：按12m排水坡，坡度0.5%，最低处厚度为20mm，中间处厚度为50mm，最高处厚度为80mm，按（50+80）/2=65mm厚度计算，膨胀珍珠岩砂浆自重取15 KN/m3，G1K=0.065x15=0.98KN/m2，20mm水泥砂浆找平层，G2K=0.02x20=0.4KN/m2，自粘聚合物改性沥青防水卷材：G3K=0.15KN/m2，积水荷载按230mm高计：Q1K=2.3KN/m2，积灰荷载：Q2K=0.3KN/m2。
卷材防水层考虑高、低肋复盖部分，按天沟平均内宽b0的2.5倍计算（b0=天沟宽度-190），q=1.35b0x（0.98+0.4+2.5x0.15+2.3）+1.4b0x0.9x0.3=5.85b0KN/m；当天沟宽度为580mm时，b0=0.39m，q=2.28 KN/m；当天沟宽度为680mm时，b0=0.49m，q=2.87 KN/m。
由图集04G410-2《1.5mx6.0m预应力混凝土屋面板》6.1.3.3选用表中查知，对于TGB58（内天沟），其允许外加均布荷载基本组合设计值为3.00 KN/m>2.28 KN/m，对于TGB68（外天沟），其允许外加均布荷载基本组合设计值为3.66 KN/m>2.87KN/m，均满足设计要求。天沟板的具体施工详见图集04G410-2。
3.梯形钢屋架，本工程屋面选用的是成品通风天窗，自重轻，施工方便，但是与图集05G511《梯形钢屋架》中的梯形钢屋架所配套的通风天窗不相符，需要对成品通风天窗的荷载进行校核。成品通风天窗的重量为245kg/m=2.45KN/m，每边传给屋架支点荷载为：2.45x6/2=7.35 KN，假定屋脊处不做通风天窗，此处所对应的屋面自重传给屋架支点荷载为：（0.84+0.15+0.4+1.5）x1.5x6/2=13.01KN>7.35 KN，单从自重方面考虑，可以忽略成品通风天窗对梯形钢屋架的影响。
根据建筑图中的屋面做法，保护层：G1K=0.84KN/m2，防水层：G1K=0.15KN/m2，找平层：G3K=0.4KN/m2，Y-WB-3Ⅱ自重（加灌缝）：G4K=1.5KN/m2，屋架悬挂管道：G5K=0.1KN/m2，积灰荷载：Q1K=0.3KN/m2，活荷载：Q2K=0.5KN/m2，雪荷载：Q2K=0.5KN/m2，由永久荷载效应控制的基本组合设计值：q=1.35x（0.84+0.15+0.4+1.5+0.1）+1.4x（0.9x0.3+0.7x0.5）=4.91KN/m2。
由图集05G511表6，满足有天窗无吊车，屋面荷载大于4.91KN/m2，应选择第6号屋架，由表3屋架两端均与钢筋混凝土柱连接，其代号为A，屋面上、下弦连有横向支撑和竖向支撑，其代号为1，屋架上、下弦仅有必要的系杆或竖向支撑，其代号为4，因此所选用的屋架型号为GWJ21-6A1和GWJ21-6A4，其重量约为2580kg=25.8 KN。梯形钢屋架的具体施工详见图集05G511。
4.钢筋混凝土排架柱，武汉市的基本风压：0.35 KN/m2（50年一遇），地面粗糙度：B类，风压高度变化系数µZ=1.13（15m），µZ=1.23（20m），按线性插值法取µZ=1.19（约18m），柱顶（12.395m）以上风荷载体形系数µS=1.2（简化计算，偏于安全），高度Z处的风振系数βZ=1.0，ᴡK=βZµSµZᴡ0 =1.0x1.2x1.19x0.35=0.4998 KN/m2，柱顶以上的风荷载传给柱顶的水平集中荷载：F风=0.4998x6x（18-12.395）=16.81 KN。
屋面自重和屋架悬挂荷载：0.84+0.15+0.4+1.5+0.1=2.99 KN/m2，转化为线荷载：2.99x6=17.94 KN/m（屋脊处的通风天窗位置每边坡1.5m宽除外）；屋脊通风天窗荷载：2.45x6/2=7.35 KN；钢屋架自重：25.8/21=1.23 KN/m；屋面水平支撑、竖向支撑、系杆等构件重量按0.02 KN/m2考虑，转化为线荷载：0.02x6=0.12 KN/m；积灰荷载：0.3x6=1.8 KN/m（均布），0.3x6x0.4=0.72 KN/m（天沟处增加荷载，按3m宽考虑）；活荷载：0.5x6=3 KN/m；雪荷载0.5x6=3 KN/m，可不考虑不均匀分布的情况。
建模时，也可转化为柱顶集中力，恒荷载：边柱：F=17.94x（10.5-1.5）+7.35+（1.23+0.12）x10.5=182.99 KN，M=182.99x0.05 =9.15 KN*m；中柱：F=182.99x2=365.98 KN，M=0。活荷载：边柱：F=（1.8+3）x10.5+0.72x3=52.56 KN，M=52.56x0.05=2.63 KN*m；中柱：F=52.56x2=105.12KN，M=0。
假定梯形钢屋架为刚性杆，刚性杆与钢筋混凝土柱柱顶铰接，边柱（牛腿以下）柱截面尺寸为400x600，中柱（牛腿以下）柱截面尺寸为400x800，用软件PKPM--结构--PK二维设计（2010年V3.2版）进行计算，配筋包络图见图3，取得了较为满意的计算结果。
图3
另外，柱插入基础杯口深度：矩形截面柱400x600且下柱纵筋直径≤25mm为800mm，400x800矩形截面柱为900mm。排架柱的具体施工可参见图集05G335《单层工业厂房钢筋混凝土柱》。
四、结语
钢筋混凝土柱梯形钢屋架预应力混凝土屋面板单层工业厂房，本文结合工程实例和现行有关规范、图集简要介绍了预应力混凝土屋面板、嵌板、天沟板、梯形钢屋面、钢筋混凝土排架柱等构件的荷载取值、计算与选型，其它如抗风柱、柱间支撑、基础等不再叙述。
论文作者:李素华
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第20期
论文发表时间:2018/10/10
标签：荷载论文; 屋架论文; 屋面论文; 屋面板论文; 天沟论文; 梯形论文; 钢筋混凝土论文; 《建筑模拟》2018年第20期论文;