設(shè)置重載吊車的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計

黑龍江省建筑設(shè)計研究院

摘要：本文就主要通過工程實(shí)例來進(jìn)行探究，分析實(shí)例工程的荷載取值、結(jié)構(gòu)布置以及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，對比分析兩個結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的不同，得出更加實(shí)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，以更好的對單層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。希望通過本文的探究，能夠?yàn)橄嚓P(guān)的人員提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：重載吊車；單層鋼結(jié)構(gòu)；廠房；結(jié)構(gòu)設(shè)計

我國土木工程要想得到更好的發(fā)展，就需要廣泛的應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)。而在鋼結(jié)構(gòu)中，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。這一結(jié)構(gòu)基本上是由吊車梁以及各種支撐構(gòu)件等構(gòu)成的一種空間體系，其作為一種承重結(jié)構(gòu)而存在，其能夠承受廠房結(jié)構(gòu)的橫向和豎向荷載。而在生產(chǎn)要求進(jìn)一步提升的基礎(chǔ)上，廠房中的吊車載重性能也需要有所提升，下面本文就主要針對工程實(shí)例來對設(shè)置重載吊車的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行深入的分析。

1、工程概況

某工程為制造車間鋼結(jié)構(gòu)廠房，該廠房主要是用來進(jìn)行核電模塊生產(chǎn)的基地，該廠房的占地面積就達(dá)到了8895㎡，而其高度則為26.8m，該廠房的樓層數(shù)總共為一層，屬于平房。該廠房采用的結(jié)構(gòu)形式主要為雙跨高單層剛架結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用的高單層剛架每一個跨度均達(dá)到了23.5m，而且每一個高單層剛架上均設(shè)置了一個垮臺，該垮臺可承受重量為500/160KN的吊車，在吊車的軌道頂部，標(biāo)準(zhǔn)高度設(shè)置為19.5m，而每一根柱之間的距離均為8.5m，柱的總長度達(dá)到了179.5m。同時，該廠房的檐口高度設(shè)定為26.1m，廠房在建設(shè)的時候，有一定的傾斜坡度。該廠房采用的是7級抗震級別進(jìn)行設(shè)計，在設(shè)計的過程中，使得地震的加速度值設(shè)定為0.10g。

2、荷載取值

該廠房所承受的荷載主要來自于豎向荷載和橫向荷載。這兩種荷載中，豎向荷載除了包含自身的重量之外，還包含了吊車所呈現(xiàn)的豎向荷載，另外還有屋面所具有的荷載。而水平荷載，則主要承擔(dān)的是調(diào)車的水平荷載以及地震作用等。

嚴(yán)格的依照當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓進(jìn)行選值，可以將基本風(fēng)壓值設(shè)定為0.45KN/㎡，而通過對廠房建設(shè)地的地面粗糙度進(jìn)行分析，可以將該區(qū)域的地面粗糙等級劃分為B級。根據(jù)計算的結(jié)果，該廠房屋面的恒荷載值為0.40KN/㎡，活荷載值則為0.60KN/㎡，而雪荷載值則可以取0.60KN/㎡，相較于恒荷載值來說，活荷載值以及雪荷載值均較高。而吊車選擇的時候，要選擇荷載為550KN重量的吊車。

3、結(jié)構(gòu)布置

3.1剛架主體部分布置。在對剛架的主體部分進(jìn)行布置的過程中，需要選用的鋼型號為Q345B鋼，而在主剛架中，則需要應(yīng)用到的柱類型為階形柱。一般來說，在中柱的下半段位置處，其受到壓力相對較大，同時平面上計算長度也相對較長，如果采用工字形的截面進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，那么將無法高效的滿足剛架主體結(jié)構(gòu)布置的實(shí)際需求。因此，需要合理的應(yīng)用實(shí)腹形式的箱型柱焊接截面，除了中柱的下半段柱采用這種截面形式之外，其他的柱段均可以采用工字形實(shí)腹形式截面。一般來說，這種工字形的截面最適合應(yīng)用在剛架梁中。依據(jù)截面與梁柱進(jìn)行連接，嚴(yán)格的依據(jù)彎矩的變化情況來進(jìn)行彎矩具體數(shù)值的確定，將彎矩變化的分界點(diǎn)當(dāng)做分段點(diǎn)，將分段的比值確定為1：2：1，這樣可以使得鋼材得到更為充分的應(yīng)用，以減少浪費(fèi)。

3.2由于吊車噸位較大，吊車梁采用焊接實(shí)腹式工字形等截面梁，設(shè)置水平制動系統(tǒng)，制動梁外側(cè)翼緣選用槽鋼。

3.3屋面支撐采用柔性拉桿加剛性系桿。階形柱的下段柱受大噸位吊車縱向剎車力作用較大，且截面較高，柱間支撐宜在兩個柱肢內(nèi)成對設(shè)置，即為雙片支撐。

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

采用PKPM系列軟件STS鋼結(jié)構(gòu)版塊中的框架設(shè)計軟件，建立廠房框架三維模型，除梁、柱構(gòu)件外，支撐構(gòu)件（柱間支撐、屋面支撐）也需要準(zhǔn)確輸入。由于吊車荷載作用在牛腿處的吊車梁上，所以在牛腿處應(yīng)設(shè)置一個標(biāo)準(zhǔn)樓層，并且在沿吊車運(yùn)行軌跡方向上應(yīng)定義框架梁，或者將吊車梁按兩端鉸接梁定義、輸入，這是因?yàn)榈踯嚭奢d的移動順序是通過運(yùn)行軌跡上的梁來確定的。

4.1方案一

①主剛架梁的豎向撓度限值取其跨度的1/400，水平撓度限值取其跨度的1/500；對于吊車梁，豎向撓度限值取其跨度的1/1000。

②柱、吊車梁和吊車梁以下作為受壓桿的柱問支撐構(gòu)件長細(xì)比幾鎮(zhèn)150，吊車梁以下作為受拉構(gòu)件的柱問支撐長細(xì)比γ300，其他受拉桿長細(xì)比γ400。

③為加強(qiáng)廠房整體剛度，對于有大噸位吊車的廠房應(yīng)采用剛接柱腳。在基礎(chǔ)設(shè)計中，構(gòu)造上應(yīng)保證柱腳底部能承受較大的彎矩和水平剪力，并應(yīng)保證地基土不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

經(jīng)計算，剛架的應(yīng)力、剎梁撓度及柱側(cè)移均不超過鋼規(guī)規(guī)定的限值。風(fēng)荷載作用下柱頂最大水平位移：

d=Hc/781=32.868mm

4.2方案二

方案二在方法一的基礎(chǔ)上將結(jié)構(gòu)中各受力構(gòu)件進(jìn)行分類，主剛架梁按《門規(guī)》進(jìn)行驗(yàn)算：

①主剛架柱、吊車梁及制動系統(tǒng)的限值依據(jù)同方案。

②主剛架梁設(shè)計依據(jù)《門規(guī)》，豎向撓度限值取其跨度的1/180。經(jīng)計算，剛架的應(yīng)力、剎梁撓度及柱側(cè)移均不超過《鋼規(guī)》規(guī)定的限值。風(fēng)荷載作用下柱頂最大水平位移：

d=Hc/781=33.665mm

5、結(jié)果分析

對比分析以上兩種設(shè)計方案中剛架梁的計算結(jié)果，第二種方案比第一種的用鋼量少3.62%。將第一種設(shè)計方案用PKPM系列軟件STS鋼結(jié)構(gòu)版塊中的門式剛架二維設(shè)計進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)鋼梁的受力狀態(tài)與門式剛架結(jié)構(gòu)相同，下部吊車荷載對屋面影響不大。鋼梁的撓度最大為L/352，大于《鋼規(guī)》要求、小于《門規(guī)》要求，這比完全按照《鋼規(guī)》要求控制的經(jīng)濟(jì)效果要好，且施工過程中梁起拱后可達(dá)到或接近《鋼規(guī)》要求。

這是因?yàn)殚T式剛架的梁柱是作為一個整體承受各種荷載的。對于豎向荷載來說，在吊車梁以下部分，門式剛架與框架的受力情況基本相同，因此門式剛架結(jié)構(gòu)是可以承受大噸位吊車荷載的；吊車梁以上的受力，含大噸位吊車的廠房與一般輕型廠房沒有本質(zhì)上的區(qū)別。對于橫向水平荷載，關(guān)鍵在于控制剛架的側(cè)移。因此，將框架結(jié)構(gòu)與門式剛架結(jié)構(gòu)相結(jié)合，依據(jù)《鋼規(guī)》控制剛架柱側(cè)移和吊車梁變形、《門規(guī)》控制剛架梁的變形，這一思路是完全可行的，只是應(yīng)當(dāng)充分考慮柱變形對屋面梁的影響。

另外，柱構(gòu)件應(yīng)采用剛接柱腳，構(gòu)件的驗(yàn)算規(guī)范指定為《鋼規(guī)》?？紤]到梁構(gòu)件一般采用坡面梁，會存在一定的軸力影響，尤其是采用變截面梁的情況下。

基于以上兩個原因，本文認(rèn)為方案二的設(shè)計方法可以適用于此類結(jié)構(gòu)。

6、結(jié)語

通過本文的分析可以充分的了解到，如果吊車的重量超過了200KN，而采用的單層剛結(jié)構(gòu)廠房又不具備特殊性，那么就需要合理的應(yīng)用類似于剛架形式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，有效的將下半部分的框架與上半部分的剛架結(jié)合在一起，從而構(gòu)成輕型的屋面結(jié)構(gòu)體系。然而，在進(jìn)行設(shè)計的過程中，也需要嚴(yán)格的注重各項(xiàng)設(shè)計規(guī)范，依據(jù)規(guī)范展開設(shè)計，同時要合理的對結(jié)構(gòu)承重力進(jìn)行計算，在地震高發(fā)區(qū)，要對地震作用進(jìn)行系統(tǒng)的計算，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)置重載吊車的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。

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