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大跨度工业建筑屋面钢结构选型与设计

发表时间：2020/10/14 来源：《基层建设》2020年第19期作者：徐洲

[导读] 摘要：近年来，我国的工业化进程有了很大进程，工业厂房建筑越来越多。

        山东上冶钢构股份有限公司山东省潍坊市 261000
        摘要：近年来，我国的工业化进程有了很大进程，工业厂房建筑越来越多。建筑跨度在30m以上视为大跨度建筑，在工业建筑中较为常见，较常规建筑相比，大跨度工业建筑的屋面施工难度更高，需要结合实际情况制定完善科学的施工方案，才能达到预计的施工效果。以某大跨度工业建筑厂房为研究实例，先介绍项目的大体情况，分析工业建筑厂房的风荷载，接下来研究工业建筑屋面钢结构选型，最后介绍功屋面钢结构设计方案及优化措施，希望为类似项目提供参考借鉴。
        关键词：大跨度；工业建筑；屋面；钢结构；选型设计
        引言
        目前钢结构在工业厂房，尤其是大跨度工业厂房中的应用越来越广泛，但其施工工艺与传统结构体系的施工有很大不同，需要根据工程实际情况，制定合理可行的施工方法，并在施工中予以严格控制。
        1大跨度空间钢结构施工技术特点
        大跨度空间钢结构施工技术相比于其他技术具有较为显著的优势和特点，首先则是大跨度空间钢结构的造型较为丰富多样，这是因为在建筑工程项目中，大跨度空间结构是由很多钢板在实际需求的基础上，按照设计要求而组成的，所以可以满足建筑结构的多样化需求。比如北京奥运会的羽毛球比赛场馆，其应用大跨度空间结构施工技术时，将大跨度弦支弯顶作为主要的钢结构，将多面体泡沫嵌入到钢结构中，从而可以体现大跨度空间结构的多样性和独特性，同时在很大程度上也体现了绿色建筑和生态建筑的理念。其次，大跨度空间钢结构具有较好的坚固性和耐用性，能够提高钢结构的稳定性和安全性。但是因为大跨度空间结构会应用带很多的构件，所以其也具有一定的复杂性。基于此在设计大跨度空间结构时会存在一定的难度，特别是对于会展中心、体育场馆等大型建筑来说，涉及的建筑材料和施工工序相对较多，在提高稳固性的同时，对设计施工来说也具有复杂性的特点。最后，大跨度空间钢结构具有良好的精确性。由于大跨度空间钢结构是由很多构件组合而成的，因此相关施工人员需要对每个构件进行严格的检查和性能测试，充分保障其质量与建设标准相符合。同时大跨度空间钢结构施工材料的预装以及钢材焊接工艺等都需要保证准确性，所以建筑工程中的大跨度空间钢结构施工技术具有精准性的施工特点。
        2大跨度工业建筑屋面钢结构选型分析
        一般情况下，工业建筑厂房都采用桁架作为屋面结构，还要配合使用大型屋面板，有时也会回用网架结构，近些年开始逐渐采用实腹钢梁轻质屋面，应用案例越来越多。本次研究的工程拥有以下特点：厂房屋面整体呈现为阶梯状，上面增设了太阳能发电电池板，较普通轻质屋盖相比，荷载增加1kN/m2，屋面结构由三种选型方案，分别为网架方案、管桁架方案及实腹板方案，具体内容如下：一是网架方案。这种方案更容易承受竖向荷载，但是该工程的纵横向跨度较大，如果应用网架方案，需要依据主跨尺寸确定高度，要花费较多的成本费用搭建网架结构，经济性较低。在外界温度出现变化时，网架纵向上的附加应力也会随之上升，很难采用常规手段处理这部分附加应力，为此不考虑网架方案。二是钢梁方案。该工程的跨度较大，并且设置了太阳能电池板，增加屋面钢结构荷载，如果采用钢梁方案，需要采用刚接的方式连接梁柱结构，弯矩会逐渐传递给柱子，导致柱子受力不平衡，如果梁端的弯矩达到一定数值，甚至还会增加柱子截面，对后续的吊车设置带来不便。三是管桁架方案。采用管桁架方案时，首先要连接柱子和管桁架，采用铰接的方式，柱子可以保持一个均匀受力的状态，结合工程实际情况，可以采取三角形管桁架，由腹杆与上弦双支管共同形成稳定的桁架，在运行期间不会出现不稳的问题，接下来还要连接下弦管，保持屋面钢结构整体的稳定性，不需要额外设置纵向支撑结构，同时还要注意设置垂直支撑，一般都是沿着纵向方向设置，可以更好地传递水平力。

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        3大跨度工业建筑屋面钢结构设计方案及优化措施
        3.1焊接施工
        首先，确定适宜的开槽面和角度，制定有效的安全措施，组织机械设备和材料进场，然后对钢构进行调整，搭设工作架，并在电焊开始前进行检查。经检查确定合格后，开始焊接，在焊接过程中要对包含电压、电流及层数等在内的参数进行检查，确认合格以后进行外观检查，在焊缝处进行补漆。
        3.2分段吊装技术
        在印包厂房扩建项目中，对大跨度空间钢结构施工中还应用了分段吊装技术。其是指相关施工人员将钢结构的构件进行分条和分块处理，然后在将构件吊装到高空中进行拼装。所以在印包厂房扩建项目施工中先要充分考虑起吊设备的吊运能力，再采用合理方法将构件进行分条或者分块。在具体实施过程中先要搭建具有良好稳定性的临时拼装支架，再使用起重设备将条状和块状单元吊运到安装位置。最后则是进行整体的拼装。在印包厂房扩建项目中应用分段吊装技术则能够有效的减少高空施工的作业量，而且部分施工作业可以在地面上进行，在一定程度上降低了工程损耗，而且也提高了施工安全性。在具体的分段吊装程序中，则要保障钢梁安装完毕之后在进行构件吊装，保障钢柱框架的承受力稳定，然后在根据设计图纸的标高对支撑架进行拼装，保障整个支撑体系的稳固性，最后则要进行两边段的钢梁安装，再进行中间段的钢梁安装并合拢，利用临时马卡板进行固定，焊接作业结束后将临时马卡板进行平整打磨。不过在该项目的分段施工中，则要严格注意条状或者块状单元的稳定性和强度，必要时可以采用适当的加固方案，确保钢结构的整体稳定性。
        3.3施工模拟分析及实际施工方案
        根据施工方案进行实际施工计算模拟分析。为满足施工要求，避免全高支模。首先逐层施工斜撑内的框架，按照常规的楼层施工顺序向上及向外侧进行施工，将已施工完成的结构作为后施工结构的支点。待施工到一定楼层时，便可同时向上施工上层框架、向下施工下层悬挂框架。在悬挑区域的下部楼层设置整层高的悬挑钢平台，通过拉索与主体结构相连，在平台上支模建造斜撑上部悬挑区域，待施工到一定楼层后，逐次拆模，最后建造斜撑下部悬挂框架。
        4管桁架施工的注意事项
        主要有以下措施：（1）管桁架杆架相对较为特殊，通常采用无缝钢管，经过合理的调查研究，选择高频焊直缝焊接钢管，这种钢管不但满足管桁架杆架支设要求，还可以减少不必要的成本费用，但是在制造该类型的钢管时，要注意保护杆件直焊缝，避免对钢管材料产生破坏。（2）在制造管桁架时，需要配备三向相关切割设备，在制造时严格按照规章制度操作，才能精确焊接对位，同时还可以提高杆件的焊接质量，满足后续的施工需求。（3）为了让屋盖结构更加美观自然，在连接桁架和管桁架支撑结构时，可以不适用节点板，同时还可以减少一定的成本费用。
        结语
        综上所述，在建筑工程科学技术不断发展的背景下，对于现代化大型复杂建筑的大跨度空间钢结构施工来说具有一定的促进作用。通过掌握其施工技术特点，应用高空散装技术以及分段吊装技术，能够保障建筑结构的多样性和稳固性。并且通过开环控制、闭环控制以及自适应控制方法可以在很大程度上保障大跨度空间钢结构的施工质量和水平，有利于促进建筑行业的发展进步。
        参考文献
        [1]蔡瑞琦.重型大截面桁架拼装施工技术在电子厂房大跨度钢结构屋面中的应用[J].工程建设与设计，2019（12）：184-185.
        [2]张路，朱禹风，崔小连，等.2019北京世园会妫汭剧场钢结构屋面体系选型及分析[J].建筑结构，2019（17）.
        [3]朱思宇，梁存之，张建林.某大跨度煤棚结构方案选型及计算[J].建筑钢结构进展，2018（5）：70-75，97.