叶常发
(福建六建集团有限公司 福建福州 350014)
摘 要：桁架檩条作为一种大柱距屋面檩条形式，是为了实现当下钢结构建筑大空间、大跨度的要求而开发应用的，填补了常规檩条与网架结构之间的空白。文章结合工程实例详细介绍桁架檩条的形式、结构布置及构造，以及与传统檩条形式的比较，总结出桁架檩条体系的优势及发展前景。
关键词：桁架檩条；大柱距；钢结构建筑；节约造价
钢结构建筑中，屋面檩条是主要的次构件结构，是为了承载屋面金属板等材料的传递构件。通常情况下，轻钢结构建筑的柱距在6m～9m之间，屋面檩条大多采用冷弯薄壁C、Z型檩条[2]。若因生产活动及工艺布置要求，钢结构建筑需要更大空间，当柱距达到12m～18m时，此两种形式檩条无法满足要求，就需用实腹式H型钢或高频焊H型钢作为檩条。这样就会使结构用钢量大幅增加，建筑造价上涨，以及施工难度加大。桁架檩条的出现，钢结构屋面在不需要采用网架结构的情况下，解决了常规檩条无法实现大跨度、大柱距以及H型钢檩条高用钢量、高自重的问题。在实现大柱距获得大空间的同时，桁架檩条不增加造价，安装简便，并且造型更丰富，观感更佳。
桁架檩条主要由上弦杆、腹杆、下弦杆组成，采用冷弯薄壁型钢作为弦杆，檩条上下弦杆均由薄壁钢板冷弯成“Ω”型以保证在平面内外具有足够的刚度，并节约材料。薄壁焊接钢管作为檩条中间腹杆，钢管直径为21.3mm～33.5mm，圆管与弦杆连接处经压扁后通过焊接连接成型(构造如图1)。因端部腹杆受力较大，为了提高承载力，一般采用50×50×5×5钢板焊接成T型钢。檩条高度一般为500mm～1 200mm，长度6m～24m。桁架檩条的经济矢高为跨度的1/12～1/20，檩条间距1.2m～1.8m，主要取决于屋面板的板型及其承载力[4]。桁架檩条另外一种形式为能承受轴向支撑力的檩条，其主要杆件采用较厚材料，下弦采用方管或钢板焊接成箱型，延伸与屋面钢梁连接，以达到连续支撑作用，相当于常规的刚性水平系杆作用。
图1 桁架檩条构造图
福建蓝海物流有限公司配送车间，系为周边各大汽车厂商作为零部件循环取货、仓储管理、物流包装、整车配送等服务的现代物流仓库。由于需保证物流车辆在车间内周转方便以及仓储物件个体的较大性，因此对厂房的开间要求较高，需要达到超出常规的柱距及空间。车间长度248.2m，宽137m，总建筑面积约44 159m2。厂房钢架为四连跨结构，每跨跨度30m，标准柱距18m。对于需要如此大跨度的屋面檩条，常规的C、Z型冷弯薄壁型钢檩条已无法满足结构受力要求。若选用实腹式H型钢或高频焊H型钢作为屋面檩条，经计算，18m跨度需选用H400×150×4.5×8高频焊H型钢檩条，该规格檩条重量为32.40kg/m，这样不仅用钢量大幅增长，增加建筑成本，而且型钢的高自重也对屋架带来更大的荷载。为此，设计采用由专业厂家生产制造的桁架檩条。
本工程设计桁架檩条高度为950mm，长度为16.1m与18m两种。檩条上弦杆厚度4.0mm，下弦杆厚度2.5mm，材料屈服强度为Q345B，有效面宽为131mm。中部腹杆采用Φ26.8×2.5和Φ33.5×2.5焊接钢管，屈服强度为Q235B，端部腹杆采用50×50×5×6钢板焊接成T型钢。另有檩条下弦杆采用BOX-120*4材料制作，兼作刚性水平系杆。其形式如图2：经比较，桁架檩条重量约为14.78kg/m，相比H400×150×4.5×8高频焊H型钢，重量仅为其45.6%，大大节约用钢量及降低屋架荷载。在18m跨度下，型钢檩条的垂直挠度为80.3mm，已接近《钢结构设计规范》中金属板屋面檩条挠度不大于L/200规定的限值，而桁架檩条的挠度值仅为27.1mm[5]，在保证屋面平整度的方面，桁架檩条也表现出更好的效果。
图2 不同作用形式檩条结构图
由于桁架檩条的上弦采用冷弯薄壁型钢，与常规檩条类似材质，屋面金属压型板可以直接用自攻钉固定在檩条上弦，也可以通过固定座与檩条连接。桁架檩条之间的连接比较简单，与Z型檩条不同，不需要连续搭接，而是与C型檩条一样，采用简支铰接连接，不存在类似Z型檩条需要连续搭接的问题，但是桁架檩条的檩间支撑系统比常规C、Z型檩条支撑系统要复杂。
(1)檩条与钢梁连接
桁架檩条与钢梁通过焊接在钢梁上的支托连接，檩条端部腹杆是所有腹杆中受力最大的杆件，通常由宽50mm，厚度5mm～10mm的扁钢弯成适当角度焊于弦杆内侧，通过支座螺栓连接而固定在钢梁上。当反向风力造成下弦杆受压时，端部腹杆需设置成T型截面，保证受压时的稳定性。本工程因处于沿海地带，风压较大，故端腹杆设置成T型截面。连接节点见图3。
图3 檩条与钢梁连接节点详图
(2)檩间支撑
作为桁架系统来说，檩间支撑是必要的，主要有平行支撑及斜向支撑两种构成方式。平行支撑由两根水平的连续构件构成，一根设置在檩条的上弦杆，另一根设置在檩条的下弦杆。支撑与檩条的有焊接或螺栓连接两种方式。平行支撑的长细比(L/R)不应大于300，其中L是平行支撑的固定点间距。交叉支撑是由相邻两根檩条上弦杆与另一根下弦杆之间联系的构件，应当使用长细比(L/R)不大于200的杆件。本工程檩间支撑采用L40*3角钢制作，采用螺栓与檩条弦杆固定，见图4。
图4 檩间支撑详图
(3)屋面水平支撑与桁架系杆连接
为了保证屋面刚度，屋面钢梁之间应设置水平支撑，由于使用桁架檩条的屋面系统钢梁之间间距较大，水平支撑跨度也就很大。如本工程刚架间距18m，若按照18m×18m之间设置水平支撑，支撑长度将达到25m，无论采用刚性支撑还是柔性支撑，因长细比过大，势必将产生较大的下挠。此时，采用桁架檩条的另一个作用就产生了，兼作系杆的桁架檩条下弦可与屋面的水平支撑共同组成支撑系统，有效降低支撑长度，减少杆件下挠现由于桁架系杆的过渡，既保证结构受力安全，又节约用钢量，且外观美观。如图5所示。
图5 屋面水平支撑系统图
由于使用桁架檩条，结构柱距就较大，为了减少墙面檩条的跨度，保证墙面檩条的合理布置，通常在侧墙两刚架柱之间增设墙架柱[2]。为保证墙架柱的结构稳定性，柱上端可以屋面桁架檩条或系杆连接。本工程标准柱距18m，结构柱之间设置两根墙架柱(如图6)，将墙面檩条跨度减少成为6m，故采用常规C250型檩条即可满足要求。
图6 墙架柱布置图
6.1 桁架檩条的优点
经过实际运用及测算，使用桁架檩条与传统檩条相比较，具备以下优点：
(1) 实现大空间的同时节约用钢量，降低造价
由于桁架檩条科学的构造，其平面刚度大，在增加平面外支撑后，桁架檩条的跨度远远大于同等用钢量的传统檩条，因此，能满足实现厂房大柱距、大空间的功能，达到更好的使用效果。钢结构构件经常在设计中遇到强度有余而刚度不足的问题，在通常的钢构件中，钢材的强度未能得到充分的利用。而桁架檩条的杆件通过科学设计，使用钢量更节约。由于用钢量的降低，建筑的钢结构部分必定降低，而且，由于实现大柱距，相应土建基础等投资也可减少约30%左右，从而大大降低建筑的总体造价，详见表1。
表1 桁架檩条与高频焊檩条的用钢量比较表
柱距(m)桁架檩条规格单重(kg/m)高频焊檩条规格单重(kg/m)节约用钢量比例(%)12600RJ2.3/2.09.95H300×150×3.2×4.517.914415700RJ3.0/2.011.49H350×175×4.5×6.026.075618800RJ3.8/2.514.56H400×150×4.5×8.032.4055
(2)能承受更大荷载及为管线提供穿越空间
经专业厂家计算表明，在12m跨度的情况下，750mm高的桁架檩条可承受2t/m的弦荷载，而挠度小于1/200。因此，可在檩条桁架空腹间内实现较大荷载的水电、暖通等专业设备穿越管线和安装吊挂，不必另设悬挂系统和空间，从而达成美观又实用的功能。
(3)安装简便，造型美观
桁架檩条由专业厂家生产加工运至施工现场，现场所有构件完全由螺栓拼接完成，节点安装简单。另因其上弦杆由薄壁钢材制作，屋面金属板可直接固定或通过板材支座固定在上弦杆上，相比H型钢檩条需通过焊接薄壁方管等构件来过渡固定，施工简易便利。桁架檩条因其整齐立体的杆件排列，在施工后能达到极好的视觉观感，这也是檩条的另一个优势。
图7 工程现场安装图
6.2 桁架檩条的优缺点
桁架檩条作为近年来的新兴产品，使用还并不广泛，也存在一定的缺点，其缺点主要有以下两点：
(1)使用局限及防火及耐腐蚀性较差
桁架檩条仅适用于建筑高度30m以下的单层钢结构建筑，以及抗震烈度8度以下的多层钢结构。因桁架檩条所有杆件都采用薄壁型钢，且杆件较细，耐腐蚀性及防火性能较H型钢檩条低，建筑物内部如果是较强化学腐蚀环境时，且对耐火极限较高要求时，不宜采用桁架檩条。
(2)制作加工较为复杂及运输成本较高
因桁架檩条始为北美传入国内，目前仅在钢结构较为发达的城市流通使用，与传统檩条相比，加工工艺较为复杂，需由专业生产设备轧制成型，对生产要求较高，能专业生产的厂家并不多，故生产供应有一定局限性。桁架檩条与其他空腹构件一样，需要较大的运输空间，且其重量较轻，故单位重量运输成本较高。有时因构件长度太长，运输路线限制或距离太长而无法实现，故此设计使用时应考虑运输成本及可行性。
本文通过工程实践详细介绍了桁架檩条的特性及连接构造，分析了桁架檩条与常规檩条的对比及优缺点。对于大柱网的钢结构建筑，桁架檩条因其构造科学，受力合理，节省材料的特点，可以实现节约成本，降低造价，实现大空间的目的。在提高桁架檩条防腐及防火性能及解决好加工、运输问题后，可以广泛推行应用。
参 考 文 献
[1] GB500017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2] 唐鹏，陈明，王昀. 欧本屋面檩条系统[J].建筑结构，2006(07):34-35.
[3] 潘泉. 桁架檩条的系统设计分析[J].钢结构，2008(06):23-23+6.
[4] 唐潮,唐华英. 桁架式檩条在钢结构厂房中的应用[J].钢结构，2009(07):50-52.
[5] 师先银，张晓丽，唐阳春. 大跨度屋面檩条选用分析[J].粮食流通技术，2014(03):14-18.
YE Changfa
(Fujian LiuJian group Co., Ltd., Fuzhou 350014)
Abstract：As a kind of space truss purlin roof purlin form, in order to achieve the current steel structure building with large space and large span requirements and application development, fills the gap between conventional and purlin truss structure. In this paper, combined with engineering examples, introduces the structure of truss purlin form, layout and structure, and compared with the traditional form of the purlin summed up the advantages and development prospects, truss purlin system.
Keywords：Truss purlin; Large space column; Steel structure building; Cost saving
作者简介：叶常发(1984.11- )，男 工程师，一级建造师。
E-mail:189xxx10201@fjljg.cn
收稿日期：2016-04-07
中图分类号：TU391
文献标识码：A
文章编号：1004-6135(2016)07-0047-04
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