多跨鋼結(jié)構(gòu)煉鋼主廠房框排架用鋼量控制

景偉

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東萊蕪 271104）

經(jīng)驗交流

多跨鋼結(jié)構(gòu)煉鋼主廠房框排架用鋼量控制

景偉

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東萊蕪 271104）

通過對實際工程中多跨鋼結(jié)構(gòu)煉鋼主廠房框排架用鋼量的計算分析，總結(jié)其中用鋼量規(guī)律，對不同類型煉鋼主廠房用鋼量指標區(qū)間及用鋼量指標優(yōu)化提出了建議。

鋼結(jié)構(gòu)；煉鋼主廠房；用鋼量

1 前言

煉鋼主廠房是為轉(zhuǎn)爐、電爐等煉鋼連鑄工藝服務(wù)，這類鋼結(jié)構(gòu)廠房有一定的共性，體現(xiàn)在吊車噸位、廠房高度、跨度、跨數(shù)、屋面荷載等方面。煉鋼主廠房鋼框排架一般采用較為通用的下柱格構(gòu)柱、上柱實腹柱、屋面采用實腹梁的形式。在實際工程應(yīng)用中，隨著鋼結(jié)構(gòu)的普及，該類廠房用鋼量出現(xiàn)優(yōu)化的趨勢。通過對十幾個煉鋼主廠房排架計算模型的還原，綜合考慮最大起吊噸位、廠房高度、跨度等因素，對占總用鋼量較大比例的框排架用鋼量進行對比分析，尋找合理的用鋼量指標控制區(qū)間。

2 廠房用鋼量指標分析

煉鋼主廠房可以分為柱系統(tǒng)、屋面系統(tǒng)、墻面系統(tǒng)和吊車梁系統(tǒng)［1］。這4個系統(tǒng)相互之間密切關(guān)聯(lián)，用鋼量指標的控制需要對各個系統(tǒng)進行平衡以達到最優(yōu)。4個系統(tǒng)中吊車梁系統(tǒng)較為獨立，影響吊車梁的主要因素是吊車噸位和廠房縱向跨度。墻面系統(tǒng)用鋼量與風荷載和廠房縱向跨度有關(guān)。屋面系統(tǒng)中檁條用鋼量與屋面風壓（與屋面體型密切相關(guān)）、積灰荷載、活荷載、雪壓和廠房縱向跨度等有關(guān)?？梢钥闯鲈谕饧雍奢d一定的情況下，吊車梁系統(tǒng)、屋面系統(tǒng)和墻面檁條均與廠房縱向跨度有關(guān)。根據(jù)相關(guān)資料和工程經(jīng)驗，煉鋼主廠房較為經(jīng)濟的縱向跨度為9～15 m。柱系統(tǒng)和屋面系統(tǒng)中鋼框排架占廠房總用鋼量比重較大（約占40%～60%），受工藝條件、廠房跨度、廠房高度、吊車噸位等影響較大。所以對鋼結(jié)構(gòu)廠房中框排架用鋼量進行控制對總體用鋼量控制意義重大。

2.1 主廠房共性

煉鋼主廠房的最高高度范圍為30～45 m，最大吊車起吊噸位范圍100～280 t。一般較高的廠房對應(yīng)著起吊噸位較高的吊車。最大吊車噸位一般出現(xiàn)在原料跨、鋼水接收跨、精煉跨，根據(jù)鋼包、鐵水包重量及爐容確定。其余跨吊車噸位較小，不同冶煉規(guī)模的廠房噸位差別較小。吊車工作級別一般為A6、A7。廠房一般包括原料跨、電爐（轉(zhuǎn)爐）跨、精煉跨、鋼包維修跨、鋼水接收跨、連鑄跨、過渡跨、出坯跨，有時也會把精整跨放在煉鋼主廠房中，其跨度一般為27～33 m。根據(jù)具體工藝布置確定實際跨數(shù)，一個完整的煉鋼主廠房并不是包含所有跨，一般可將幾跨進行整合，有時也存在個別跨比如出坯跨會設(shè)置兩跨的現(xiàn)象。各跨的常用跨度：原料跨、鋼包維修跨、過渡跨為21～24 m；電爐跨、精煉跨、鋼水接收跨、連鑄跨為24～27 m；轉(zhuǎn)爐跨為12～15 m；出坯跨為24～33 m。當然，根據(jù)工藝布置不同，跨度也會有比較大的變化，但最大跨度一般＜36 m。

廠房屋面荷載主要包括屋面板材、檁條、支撐、屋面梁等的恒載以及活荷載、積灰荷載、風載和雪荷載。其中，屋面梁跨度、屋面板材的類型、可變荷載的大小及組合對屋面系統(tǒng)用鋼量的影響較大。煉鋼廠房的積灰荷載有一定的分布規(guī)律，可參考GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定。

2.2 主廠房用鋼量的主要影響因素

就幾個主要因素對用鋼量的影響進行分析。

1）廠房高度對框排架用鋼量的影響。廠房高度與工藝有很大關(guān)系，轉(zhuǎn)爐煉鋼廠房一般高于電爐煉鋼廠房，爐容大小也直接影響廠房高度。煉鋼廠房最高高度一般為30～40 m。廠房高度增加柱用鋼量也相應(yīng)增加，對于邊柱，廠房高度增加，風荷載產(chǎn)生的彎矩加大，邊跨柱柱頂位移加大，故其用鋼量也會增加。邊跨一般為鋼坯跨或加料跨，根據(jù)冶煉規(guī)模的大小，一般標高變化幅度在6 m以內(nèi)。

2）吊車軌頂標高對框排架用鋼量影響。吊車軌頂標高由工藝確定，一般冶煉規(guī)模大的廠房軌頂標高也相應(yīng)較高，最大軌頂標高出現(xiàn)在煉鋼跨。根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求，吊車梁軌面標高處由1臺最大吊車水平荷載所產(chǎn)生計算變形值不超過基礎(chǔ)頂面至吊車梁頂面高度的1/1 250。軌頂標高越高，水平位移越大，鋼柱截面也要變大。

3）廠房跨度對框排架用鋼量的影響。工藝布置決定廠房跨度，跨度對屋面梁用鋼量的影響比較大。實腹鋼梁用鋼量比屋架用鋼量偏大，尤其是跨度大于27 m時用鋼量增大明顯。但實腹鋼梁制作簡便，廠房施工期和使用期涂裝、維護量小而方便，且質(zhì)量好進度快，屋面梁比屋架應(yīng)用日益廣泛。

4）吊車噸位對框排架用鋼量的影響。在保證鋼柱制作工藝的情況下，吊車豎向荷載對提高柱截面應(yīng)力比的影響有限。吊車水平荷載所產(chǎn)生的軌面位移往往對框排架結(jié)構(gòu)起著控制作用，吊車噸位越大，該水平位移越難滿足，故吊車噸位對框排架用鋼量的影響較大。

5）力學參數(shù)控制對框排架用鋼量的影響。力學參數(shù)對用鋼量的影響較為顯著，具體控制指標詳見表1（長細比150，寬厚比為GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第9.2.14條）。

應(yīng)力參數(shù)、構(gòu)造參數(shù)和變形參數(shù)要相互配合已達到最優(yōu)結(jié)果。綜合多個工程經(jīng)驗，廠房位移參數(shù)起控制作用，應(yīng)力比很難達到限值。構(gòu)造參數(shù)對用鋼量的影響較大，尤其是構(gòu)件的寬厚比、高厚比等參數(shù)直接對應(yīng)著構(gòu)件板材的厚度，對用鋼量的影響較為顯著，可根據(jù)抗震性能目標要求控制板件寬厚比。

表1 鋼結(jié)構(gòu)煉鋼廠房梁、柱力學參數(shù)控制

6）荷載大小對框排架用鋼量的影響。地震荷載對鋼結(jié)構(gòu)廠房的影響要遠低于混凝土廠房，因為鋼結(jié)構(gòu)廠房質(zhì)量輕地震荷載小，其次材料強度大、塑性性能好，抗震設(shè)防目標更容易實現(xiàn)。風荷載對邊柱的影響較大，對中柱的影響較小?；詈奢d、積灰荷載和雪荷載對屋面梁的影響較大。

2.3 工程實例分析

應(yīng)用PKPM軟件對十幾個煉鋼廠房進行計算，選取其中較為典型的幾個進行比較。廠房荷載參數(shù)、幾何參數(shù)、吊車噸位、用鋼量參數(shù)見表2（其中，g為重力加速度，m/s2；積灰荷載均為0.3 kPa）。用鋼量折算到每平米，計算方法為：排架用鋼量=框排架總用鋼量/（排架總跨度×排架間距）。

表2 各工程實例力學參數(shù)、幾何參數(shù)、吊車噸位、用鋼量

3 結(jié)語

1）煉鋼廠房吊車噸位一般對應(yīng)著冶煉規(guī)模，吊車噸位大的廠房一般高度較高、吊車軌面標高較高，相應(yīng)框排架用鋼量也較大?？梢詫⒆畲蟮踯噰嵨?50 t以上的煉鋼廠房作為重型煉廠廠房，其用鋼量的合理指標為60～90 kg/m2。最大吊車噸位150～75 t的煉鋼廠房可以作為中型煉鋼廠房，其用鋼量的合理指標為40～70 kg/m2。對于輕型煉鋼廠房，其用鋼量的合理指標為35～45 kg/m2。

2）排架用鋼量是煉鋼廠房總用鋼量的一部分，必須考慮整個廠房結(jié)構(gòu)系統(tǒng)統(tǒng)籌才能取得最優(yōu)的用鋼量結(jié)果。

3）地震荷載對鋼結(jié)構(gòu)廠房的影響要遠低于混凝土廠房。高地震設(shè)防烈度并沒有使用鋼量顯著增加，這與混凝土結(jié)構(gòu)有顯著不同。鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)有更優(yōu)越的抗震性能。

4）要統(tǒng)籌考慮力學參數(shù)對用鋼量的影響。煉鋼廠房的安全性要通過各方面的力學參數(shù)來保證，應(yīng)力參數(shù)和變形參數(shù)要綜合考慮，均需滿足國家現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)要求。在風荷載、地震荷載、吊車荷載較大的廠房，如重型煉、中型鋼廠房，變形參數(shù)往往起著控制作用。對于構(gòu)造參數(shù)，不同的參考文獻中對鋼結(jié)構(gòu)框排架廠房有不同的經(jīng)驗要求。由于鋼結(jié)構(gòu)框排架廠房材料模型、力學模型、結(jié)構(gòu)模型較為成熟，相關(guān)規(guī)范對應(yīng)力、變形、構(gòu)造參數(shù)的規(guī)定較為完備，吊車振動荷載也可控，結(jié)構(gòu)設(shè)計時還應(yīng)以計算和國家規(guī)范要求為依據(jù)，而不能照搬相關(guān)參考文獻中的經(jīng)驗要求［1］。

［1］包頭鋼鐵設(shè)計研究總院.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算［M］.2版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

TU391

B

1004-4620（2015）02-0077-02

2014-12-11

景偉，男，1980年生，2007年畢業(yè)于廣東工業(yè)大學巖土工程專業(yè)?，F(xiàn)為山東省冶金設(shè)計院股份有限公司工程師，從事冶金行業(yè)建筑工程設(shè)計工作。