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钢结构彩钢棚架设计计算与说明

一、引言

钢结构彩钢棚架因其自重轻、强度高、施工便捷、造型灵活及造价相对经济等特点，在工业厂房、仓储物流、体育场馆、大型集会场所乃至小型临时设施中均得到了广泛应用。其主要由钢结构承重体系（如刚架、桁架、檩条等）与彩色压型钢板围护系统（屋面及墙面）构成。本文旨在从专业角度阐述钢结构彩钢棚架设计计算的核心要点与关键环节，并辅以必要说明，为工程实践提供参考。

二、设计原则与前期准备

（一）设计基本理念

钢结构彩钢棚架设计应始终坚持“安全、适用、经济、耐久”的基本原则。在满足预期使用功能的前提下，确保结构在各种可能的荷载组合作用下具有足够的承载能力和稳定性，并力求结构形式简洁合理，便于施工与维护。

（二）前期准备工作

1.明确设计任务与条件：详细了解棚架的使用功能、跨度、高度、柱距、屋面活荷载、雪荷载、风荷载等基本参数要求，以及场地地质条件、周边环境限制和业主的特殊需求。

2.收集相关资料：包括但不限于现行国家及地方相关设计规范、标准图集、材料性能参数（钢材强度、弹性模量、彩钢板厚度及力学性能等）。

3.初步方案构思：根据使用要求和场地条件，初步确定棚架的结构形式（如门式刚架、排架、桁架式等）、跨度、坡向、坡度等。

三、荷载分析与组合

荷载是结构设计的根本依据，准确分析与合理组合是保证结构安全的前提。

（一）恒荷载（Gk）

主要包括棚架结构自重（刚架、檩条、支撑、连接件等）和屋面及墙面围护系统自重（彩钢板、保温层、采光板等）。计算时应根据构件截面尺寸、材料密度及构造做法精确估算或查阅相关图集手册。

（二）活荷载（Qk）

1.屋面活荷载：按《建筑结构荷载规范》取用，一般情况下，不上人屋面可取0.5kN/m2，上人屋面或有特殊使用要求时需相应提高。

2.雪荷载（Sk）：根据建筑物所在地区的基本雪压，考虑屋面坡度、积雪分布系数等因素计算确定。对于坡度较大的屋面，雪荷载可适当折减。

3.积灰荷载：对于某些工业厂房，需根据生产工艺特点考虑屋面积灰荷载。

（三）风荷载（Wk）

风荷载是轻型钢结构棚架设计中至关重要的荷载，其大小与基本风压、地面粗糙度类别、棚架高度、体型系数及风振系数等有关。需特别注意风荷载对屋面可能产生的吸力以及对整体结构的推力或扭矩。对于敞开式或半敞开式棚架，风荷载体型系数的选取尤为关键。

（四）荷载组合

根据《建筑结构荷载规范》进行荷载效应组合，基本组合用于承载力极限状态设计，标准组合用于正常使用极限状态验算。常见的组合形式如：1.2恒载+1.4活载（或雪荷载，取大值）；1.2恒载+1.4风荷载；1.2恒载+1.4×0.9（活载+风荷载）等。具体组合应根据实际情况并满足规范要求。

四、结构构件设计计算

（一）刚架（或桁架）设计

1.选型与布置：门式刚架因其受力合理、形式简洁、施工方便，在中小跨度棚架中应用广泛。需确定刚架的跨度、高度、柱距、屋面坡度等几何参数。

2.内力分析：可采用结构力学方法（如力法、位移法）或借助专业结构设计软件（如PKPM、3D3S、STAADPro等）进行分析，计算在各种荷载组合下刚架各控制截面的弯矩、剪力、轴力。

3.截面设计与验算：根据内力分析结果，选择合适的型钢截面（如H型钢、变截面H型钢）。验算内容包括：

*强度：构件净截面强度、节点域强度等。

*稳定性：整体稳定性（平面内、平面外）、局部稳定性（翼缘、腹板）。对于受压构件或压弯构件，稳定性验算是重点。

*刚度：验算结构在正常使用荷载组合下的挠度是否满足规范限值，以保证使用功能和舒适度。

（二）檩条设计

檩条是屋面系统的主要承重构件，支承于刚架横梁或桁架上。

1.形式选择：常用冷弯薄壁型钢檩条（如C型钢、Z型钢），具有自重轻、截面特性好的优点。

2.荷载传递：将屋面荷载传递给刚架。计算时需考虑檩条自重、屋面活荷载（或雪荷载）、风荷载（吸力或压力）。

3.内力计算：檩条通常按单向受弯构件设计，计算其在竖向荷载和风荷载作用下的弯矩、剪力。

4.截面验算：强度、整体稳定性（考虑拉条的作用）、挠度。对于Z型钢檩条，需注意搭接长度和连接节点设计。拉条和撑杆的设置应满足檩条稳定性要求。

（三）支撑系统设计

支撑系统是保证钢结构棚架整体稳定性和空间刚度的关键，不可或缺。

1.屋盖支撑：包括上弦横向水平支撑、下弦横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑及系杆等。其作用是传递山墙风荷载、保证屋架平面外稳定、承担并传递纵向水平力。

2.柱间支撑：设置在纵向柱列中，承受纵向水平荷载（如风荷载、吊车纵向制动力等），并将其传递至基础，同时保证厂房纵向刚度和稳定。

3.支撑布置：应根据棚架的跨度、高度、柱距、荷载情况及抗震设防烈度等综合确定，通常在温