新型轻钢拱型屋盖在垃圾处理场的应用

摘要：新型轻钢拱型屋盖，造型美观，屋架结构杆件设计合理，节约钢材，但计算繁锁，在天津市贯庄垃圾处理场设计时采用了简便的平面设计理论进行了计算。
关键词：断型轻钢拱型屋盖；简便结构计算；设计
作为天津市重点工程的贯庄垃圾处理场，位于天津市津汉公路北侧，我们在此垃圾处理场的规划、建筑设计上注意到使先进的生产工艺得到充分的体现。屋盖的造型在建筑上至关重要。结合场区总体规划要求，在满足工艺要求的情况下，我们在一次发酵仓、成品库工程中采用拱型轻钢屋盖，屋面配以红色压型复合轻钢板，和墙面形成了鲜明的对比，既突出了单体建筑的功能与个性，又能统一于群体建筑之中。建筑无论在平面设计上，还是在立面设计上都突出了“新”字。优美别致的建筑造型与先进的垃圾处理生产工艺及室外环境相协调，融汇到整个场区绿化、道路、生产室内、外设施的群体面貌中。给工作和生产人员创造了一个舒适的工作和生活环境，让到过那里的人们从头脑中打破了传统的垃圾处理场旧面貌的印象，可以充分感受到现代化生产企业的浓厚气息。在场区外主干道上眺望场区群体建筑高低错落，单体建筑体型简洁大方，局部处理手法细腻，外檐色彩明快，鸟瞰效果极为显著。
1拱型轻钢屋盖的优越性
拱型轻钢屋盖外型为圆弧线，体型轻巧、美观。檐口高度一定时，增加了室内空间，便于生产的实施及垃圾一次发酵，并增加了室内自然风的对流，改善了内部环境质量。
屋盖结构在工业建筑中的造价占整个建筑的比例较大，在满足运用、美观的条件下，经济的设计能起到决定性的作用。作为屋盖的主要承重构件—屋架，传统的三角形、梯型角钢屋架，相对重量较大，构造复杂，制作下料、焊接麻烦。屋面只能做成二坡平顶，外观呆板，单调，其优点设计理论成熟，便于结构计算。而我们的设计采用了拱型空间桁架式拱梁屋架，（如图1)结构形式为二铰拱，拱梁为三角形截面，采用3根圆钢管（便于做成弧线型），圆管之间腹杆采用圆钢筋。下弦采用水平圆钢筋拉杆（用花兰螺栓绷紧）。在荷载作用下，上弦拱梁产生较大的压弯内力，下弦产生较大的拉力。这时上弦拱梁是空间截面、抗压弯能力最强，下弦圆钢筋抗拉能力最大。这样充分发挥了各杆件的力学性能。由于屋架杆件受力合理，拱梁腹杆内力不大，长度短，所以能充分利用较短圆钢筋，小材大用。杆件节点直接焊接，免去了节点板所有钢材，构造简单，制做方便。由于拱梁为三角形截面，平面外刚度大，减少了垂直支撑钢材用量。屋架整体具有较大的强度和稳定性的同时，减少了钢材用量，比传统屋架可降低造价的四分之一。
2几何截面尺寸的确定及简化计算
为了满足建筑上不同跨度的要求，达到设计标准化，施工机械化，减少构造类型，缩短工期，根据规范及对厂房定位轴线的要求，设计的定型跨度尺寸有：24m、18m、12m，跨高比为5:1（这时在水平风载作用下，拱型屋面f/l＝1/5＝0．2，．迎风面μs＝0，使风力作用最小），屋架间距尺寸有6m、4m。一次发酵仓采用的跨度是18m,屋架间距6m。这种屋架结构内力分析计算工作量大，不便于手算，但目前尚未有相应的软件可利用。为此，我们通过对拱梁三角形截面在荷载作用下受力性能的分析研究，参考三铰直梁屋架内力分析方法，确定采用简便的平面计算方法。计算桁架平面位于通过下弦形心的竖直平面上，桁架高度取斜面高度hl，求得的上部圆管和腹杆内力分别由2根上部圆管和2根腹杆分担。然后确定拱梁杆件截面尺寸，验算杆件的强度及稳定性，由于拱梁为三角形截面，平面外刚度大，在平面外两个垂直支撑点间距范围内，满足平面外稳定的要求。

图1空间桁架式圆弧拱屋架立面计算简图
3构造设计及屋面围护结构设计
屋架端支座节点设计，考虑制作简单、受力合理、端部垂直剖面为矩形，四边为圆管，中间为扁钢，增加了节点的稳定性，便于圆管、拉杆连接（如图2）。为了满足抗震设计烈度为7°的要求，设置了上弦水平支撑、垂直支撑及纵向抗风柱，抗风柱顶部与拱梁用弹簧板拉结，使屋盖形成一个完整的空间结构体系。为防止屋架在风作用下，拱拉杆可能受压，适当加强了排架柱平面内刚度及屋架端支屋与柱顶的拉接。
屋面板采用彩色复合压型轻钢板，板材集保温、隔热、防水为一体。具有室内外美观，重量轻，耐腐蚀，高强度，安装快等特点。

图2立面桁架拱梁计算截面简图
4结论
轻钢拱型屋盖不但满足了生产工艺要求，而且外型美观，受力性能良好，节约钢材，降低成本，施工方便。具有独特的生命力。天津市贯庄垃圾处理场已于2000年底建成并投入使用，效果良好。但是，此拱型屋架下部拉杆比较柔细，不能设置上弦至水平拉杆之间的垂直支撑，故不宜在高地震烈度区采用大跨度屋架，此外杆件节点制作质量还不易保证。但随着设计结构构造的不断完善，制作生产水平的不断发展，新型轻钢拱型屋盖在屋盖设计中的地位会不断提高。
参考文献