單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房主鋼架結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討

劉曉峰

隨著我國(guó)制造業(yè)和工業(yè)的不斷發(fā)展，為滿足功能上的需求，重型鋼結(jié)構(gòu)單層廠房的建設(shè)迎來高峰期。采用PKPM2010版中STPJ功能模塊，針對(duì)目前單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房主鋼架結(jié)構(gòu)使用的鋼管混凝土格構(gòu)柱和H型鋼格構(gòu)柱進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算，得出單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的經(jīng)濟(jì)、合理的的格構(gòu)形式，為工程提供借鑒和參考。

單層廠房重型鋼結(jié)構(gòu)主鋼架鋼架柱優(yōu)化一、前言

隨著我國(guó)制造業(yè)和工業(yè)的不斷發(fā)展，需要建造跨度、高度、柱網(wǎng)間距、平面空間尺寸及起吊噸位更大的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房來滿足制造上的要求。在重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房中，約為50%～70%的鋼材需要應(yīng)用于鋼架柱和吊車梁。鋼材的價(jià)格價(jià)位昂貴，因此對(duì)單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房主鋼架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定合理的用鋼量以降低建造成本意義巨大。

二、單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房工程概況

某設(shè)備加工制作車間廠房地處北京市工業(yè)園區(qū)位置，該廠房設(shè)計(jì)為單層重型鋼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)290m，寬為45m，柱子間距10m。廠房主鋼架跨度為40m，并設(shè)有兩臺(tái)3000/32吊車和150/20t吊車。軌道軌頂標(biāo)高為23.7m。

三、主鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該廠房為典型的單榀鋼結(jié)構(gòu)排架結(jié)構(gòu)形式的廠房，本文采用PKPM2010版中STPJ功能模塊對(duì)主鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析計(jì)算。

1.荷載設(shè)計(jì)取值

該鋼架結(jié)構(gòu)廠房采用永久荷載+附加活荷載組合方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。永久荷載為鋼結(jié)構(gòu)的恒荷載（0.50KN/㎡）；附加活荷載由活載（0.50KN/㎡）、風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載及吊車荷載組成。其中風(fēng)荷載的基本風(fēng)壓為0.56 KN/㎡，地面粗糙系數(shù)為B類，按照規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中的相關(guān)條款確定風(fēng)的高度系數(shù)和體型系數(shù)。雪荷載的基本雪壓為0.26 KN/㎡（約100年重現(xiàn)一次），按照規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中的相關(guān)條款確定屋頂積雪厚度分布系數(shù)。地震荷載考慮到廠房為人員較多的場(chǎng)地，故采用多遇地震設(shè)計(jì)，抗震設(shè)防烈度為7度，地震分組為第一組，場(chǎng)地列別為IV類，場(chǎng)地的特征周期為0.90s，阻尼比的值取0.05。吊車荷載按一臺(tái)3000/32吊車和兩臺(tái)150/20t吊車計(jì)算。

2.構(gòu)造柱的設(shè)計(jì)方案

使用PKPM2010版中STPJ功能模塊對(duì)單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房主鋼架結(jié)構(gòu)使用的鋼管混凝土格構(gòu)柱和H型鋼格構(gòu)柱進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算，兩種方鋼架柱截面尺寸和先關(guān)構(gòu)建尺寸的等規(guī)格見表1和表2。

3.結(jié)算結(jié)果分析對(duì)比

通過PKPM計(jì)算，單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房主鋼架結(jié)構(gòu)使用的鋼管混凝土格構(gòu)柱和H型鋼格構(gòu)柱均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）的要求，相關(guān)計(jì)算結(jié)果和鋼材使用量圖表3所示。

由表3可以得出，采用鋼管混凝土的廠房主鋼架結(jié)構(gòu)，其鋼架柱的最大應(yīng)力比和風(fēng)荷載引起的柱頂位移比采用H型鋼的廠房主鋼架結(jié)構(gòu)相對(duì)較小，說明采用鋼管混凝土的鋼架結(jié)構(gòu)的剛度值較高，安全系數(shù)較大。同時(shí)，采用鋼管混凝土的鋼架結(jié)構(gòu)用鋼量相對(duì)采用H型鋼的廠房主鋼架結(jié)構(gòu)減少了約為20%。因此，無論從結(jié)構(gòu)的受力方面考慮還是從建造成本上的考慮，采用鋼管混凝土的鋼架結(jié)構(gòu)相對(duì)較為合理、經(jīng)濟(jì)和安全。

四、鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化與分析

根據(jù)使用功能要求的不同，單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的吊車噸位層次不齊。通常選用鋼管混凝土格構(gòu)柱和H型鋼格構(gòu)柱的廠房主鋼架結(jié)構(gòu)形式，但此兩種形式的具體應(yīng)用與吊車的噸位有一定的相關(guān)性，因此要對(duì)二者的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化分析。

優(yōu)化分析通過調(diào)整吊車的荷載組合，構(gòu)件鋼管混凝土格構(gòu)柱和H型鋼格構(gòu)柱兩種結(jié)構(gòu)模型，分析在吊車荷載變化情況下兩種結(jié)構(gòu)形式的受力狀態(tài)。相關(guān)模型的計(jì)算結(jié)果見表4和表5。

分析表4和表5可知：①兩種結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)力比較為接近，差異不大。②鋼管混凝土柱頂位移相對(duì)H型鋼柱頂位移減小10%～15%。說明鋼管混凝土結(jié)構(gòu)形式位移較小，對(duì)結(jié)構(gòu)使用和安全都有理。③在水平吊車荷載作用下，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)牛腿標(biāo)高較H型鋼牛腿標(biāo)高減小20%～25%，能說明鋼管混凝土結(jié)構(gòu)形式能夠有效緩解吊車運(yùn)行過程中的卡軌現(xiàn)象。④鋼管混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)H型鋼結(jié)構(gòu)鋼材用量能減少約為20%。

五、結(jié)論

本文對(duì)單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房主鋼架結(jié)構(gòu)使用的鋼管混凝土格構(gòu)柱和H型鋼格構(gòu)柱采用PKPM進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算，得出單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的經(jīng)濟(jì)、合理的的格構(gòu)形式，為工程提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]周瑞.某重型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40（4）：34-37.

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