李立偉
(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司, 河北石家莊 050021)
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設(shè)有400 t吊車的框排架廠房設(shè)計(jì)
李立偉
(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司, 河北石家莊 050021)
框排架廠房設(shè)有大噸位吊車時,當(dāng)?shù)踯嚇蚣芑蛐≤嚌M載運(yùn)行時會產(chǎn)生很大的縱向、橫向制動力,設(shè)計(jì)時應(yīng)合理控制廠房的縱向、橫向水平位移,通過對框排架廠房進(jìn)行整體和單榀建模分析,設(shè)置雙肢柱、縱向柱間支撐可有效控制廠房的水平位移。在吊車梁與混凝土柱間設(shè)制動桁架、輔助桁架和下翼緣水平支撐,組成剛度很大的空間制動桁架系統(tǒng),可以滿足鋼吊車梁的平面外穩(wěn)定。
吊車制動力; 雙肢柱; 柱間支撐; 制動桁架
中國環(huán)流器二號HL-2M裝置改造與升級項(xiàng)目(核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置)新建電機(jī)廳,位于四川省成都市雙流縣,為地上一層廠房,長36.3 m,寬24.0 m,結(jié)構(gòu)總高度24.75 m。在廠房中部設(shè)有額定功率19.5×104kW立式脈沖發(fā)電機(jī),在標(biāo)高5.40 m處局部設(shè)有檢修平臺。發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)為塊式整體基礎(chǔ)。頂部與檢修平臺連為一體,檢修平臺與主體結(jié)構(gòu)設(shè)抗震縫脫開。為滿足設(shè)備的吊裝和檢修要求,廠房內(nèi)設(shè)置了一臺工作級別為A3級的400/32 t吊車,吊車跨度為21 m,牛腿標(biāo)高為14.70 m,廠房一層平面見圖1。
圖1 一層平面
廠房采用鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)(縱向?yàn)榭蚣?,橫向?yàn)榕偶?,抗震設(shè)防類別丙類,7度抗震設(shè)防,設(shè)計(jì)地震分組為第三組,設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10g,框架抗震等級為二級。
2.1 活荷載
檢修平臺:10.0 kN/m2;不上人屋面:0.5 kN/m2。
2.2 風(fēng)荷載
基本風(fēng)壓W0=0.30 kN/m2,βz=1,μs=1.3,μz=1.34;風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk=0.30×1×1.3×1.34=0.52 kN/m2??v向風(fēng)荷載由抗風(fēng)柱和山墻邊列柱承擔(dān);橫向風(fēng)荷載考慮由雙肢柱的外側(cè)柱肢和上柱承擔(dān)。
2.3 吊車荷載
吊車參數(shù):吊車總重量181 t,其中小車重量68 t,額定起重量400 t,最大輪壓為550 kN,小車機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌距5.8 m,大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)軌距21.0 m,鋼軌型號QU120。
吊車最大輪壓為550 kN,每側(cè)共8個輪,剎車輪按一半取為4個,吊車縱向制動力標(biāo)準(zhǔn)值Fx=550×4×10 %=220 kN,吊車橫向制動力標(biāo)準(zhǔn)值Fy=(68+400) ×10×8 %=375 kN[1]。
廠房沿縱向柱距6.0 m,縱向柱的下柱采用鋼筋混凝土雙肢柱,上柱采用矩形柱;兩側(cè)山墻各設(shè)有兩根抗風(fēng)柱,山墻邊列柱與相鄰抗風(fēng)柱的間距8.9 m。廠房結(jié)構(gòu)總高度24.75 m,周邊沿高度方向共設(shè)置4道框架梁。為避免施工時設(shè)置滿堂腳手架,屋頂沿橫向設(shè)24 m跨鋼主梁,鋼主梁與柱頂采用鉸接支座,鋼次梁水平布置,屋面板采用壓型鋼板非組合樓蓋。
4.1 柱頂水平位移的容許值
設(shè)有400 t吊車廠房結(jié)構(gòu)除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外,還應(yīng)具有足夠的抗側(cè)剛度,以保證吊車滿載運(yùn)行時廠房不發(fā)生大的晃動。本工程設(shè)計(jì)主要依據(jù)的規(guī)范有《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》[3],柱頂水平位移的容許值見表1。另外參考機(jī)械、冶金工業(yè)廠房相關(guān)規(guī)范要求,本工程400 t吊車廠房的柱頂位移容許值按[3]控制。
4.2 計(jì)算模型和整體最大層間位移角計(jì)算
計(jì)算采用中國建筑科學(xué)研究院編制的PKPM系列軟件,
表1 柱頂水平位移的容許值
注:表中位移的容許值均按平面結(jié)構(gòu)圖形計(jì)算;Hc為柱下端基礎(chǔ)頂面到吊車梁軌頂面的高度。
首先用SATWE軟件對廠房進(jìn)行了空間整體計(jì)算,再對吊車荷載作用下的廠房構(gòu)架縱、橫向用PK軟件分別進(jìn)行計(jì)算。其中縱向構(gòu)架按框架計(jì)算,橫向構(gòu)架按排架計(jì)算。整體計(jì)算結(jié)果見表2,兩方向最大層間位移角均滿足規(guī)范要求。
表2 整體計(jì)算最大層間位移角
4.3 廠房柱橫向水平位移計(jì)算
廠房構(gòu)架橫向按排架計(jì)算,柱截面尺寸由橫向位移限值控制,為滿足剛度要求并減少材料用量,吊車梁軌道以下采用鋼筋混凝土雙肢柱。雙肢柱兩個柱肢均為截面800 mm×700 mm的矩形柱,組合截面的總高度2 500 mm,中間斜腹桿截面600 mm×400 mm,沿豎向間距2 075 mm,設(shè)有吊車梁的內(nèi)側(cè)柱肢上端為斜腹桿的設(shè)置起點(diǎn)[4],雙肢柱地面以下采用截面為3 000 mm×1 200 mm的矩形混凝土柱。廠房柱的橫向水平位移計(jì)算值為Hc/1 950 4.4 廠房柱縱向水平位移計(jì)算 廠房縱向共6跨,基礎(chǔ)頂面標(biāo)高-4.00 m,屋頂梁標(biāo)高24.30 m。不設(shè)柱間支撐時,廠房柱吊車梁軌頂處的縱向位移計(jì)算值為Hc/1 281,不能滿足規(guī)范要求;為滿足吊車橋架縱向運(yùn)行時對廠房的位移要求,須沿縱向框架柱的下柱設(shè)置柱間支撐。因廠房縱向總長36.3 m,溫度變化對廠房影響較小,為增大廠房整體剛度,將下柱柱間支撐設(shè)在第1、5跨,將上柱柱間支撐設(shè)在第1、3、5跨,在標(biāo)高9.70 m柱間支撐間設(shè)通長剛性系桿。雙肢柱的下柱采用雙片柱間支撐,截面如下:內(nèi)側(cè)柱肢支撐采用組合槽鋼[20a,組合截面寬度400 mm;外側(cè)柱肢支撐采用組合角鋼∟125×80×10,組合截面寬度250 mm;上柱采用單片柱間支撐,為單角鋼∟125×8。 鋼筋混凝土雙肢柱縱向受力按如下原則分配:風(fēng)荷載全部由外側(cè)柱肢承擔(dān),吊車橋架運(yùn)行時縱向制動力按吊車梁形心與兩側(cè)柱肢形心距離的比值分配。吊車梁形心距雙肢柱外側(cè)柱肢距離1.4 m,距雙肢柱內(nèi)側(cè)柱肢距離0.4 m,由此可得:雙肢柱外側(cè)柱肢承擔(dān)的吊車荷載F1=220×0.4/1.8=48.9 kN;內(nèi)側(cè)柱肢承擔(dān)的吊車荷載F2=220×1.4/1.8=171.1 kN。 廠房柱的縱向水平位移計(jì)算值為Hc/4 250 5.1 吊車梁系統(tǒng)布置 為滿足吊車小車橫向運(yùn)行時吊車梁的穩(wěn)定要求,在吊車梁與縱向框架柱之間設(shè)置制動桁架,雖然吊車梁跨度較小,但考慮到吊車噸位很大且缺乏類似工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),同時設(shè)置輔助桁架和下翼緣水平支撐,組成空間制動桁架體系,見圖2、圖3。吊車梁采用Q345B鋼,截面1 840 mm×500 mm/400 mm×14 mm×20 mm,帶懸挑端采用平板支座,其余采用凸緣支座。吊車梁形心與制動桁架外邊寬1.3 m,制動桁架直腹桿最大間距1.3 m,弦桿采用槽鋼[32a,腹桿采用單角鋼∟100×6~125×8,制動桁架與混凝土柱采用3M24摩擦型高強(qiáng)螺栓連接;輔助桁架高度同吊車梁高,上弦桿與制動桁架的弦桿共用,下弦桿采用槽鋼[20a,腹桿采用單角鋼∟100×6~125×8;下翼緣水平支撐寬度1.3 m,腹桿采用單角鋼∟90×6~100×6。制動桁架、輔助桁架和下翼緣水平支撐均采用Q235B鋼。 圖2 吊車梁系統(tǒng)平面布置圖 圖3 吊車梁系統(tǒng)剖面圖 5.2 吊車梁系統(tǒng)計(jì)算 用PKPM系列STS軟件和Midas Gen軟件分別對鋼吊車梁系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和有限元分析,主要計(jì)算結(jié)果如下:吊車梁絕對最大豎向彎矩Mmax1=2 781.3 kN·m,由橫向水平制動力產(chǎn)生的絕對最大水平彎矩Mmax2=108.5 kN·m,絕對最大剪力Vmax=2 264.5 kN。上翼緣最大應(yīng)力σu=142.3 N/mm2≤[σu]=295 N/mm2,下翼緣最大應(yīng)力σd=125.9 N/mm2≤[σd]=295 N/mm2,撓跨比1/3 925≤1/800。 設(shè)有大噸位吊車廠房結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗側(cè)剛度,以滿足吊車滿載運(yùn)行時的工作要求,設(shè)置雙肢柱、縱向柱間支撐可有效控制廠房的水平位移。由吊車梁、制動桁架、輔助桁架和下翼緣水平支撐組成的空間制動桁架體系,可以承擔(dān)吊車橫向、縱向制動力,保證吊車梁系統(tǒng)整體穩(wěn)定。2015年4月廠房成功完成了總重388 t的發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子整體吊裝,在吊裝過程中吊車行走平穩(wěn),廠房主體振動及吊車梁系統(tǒng)變形均表現(xiàn)正常。 [1] GB 50009-2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006年版)[S]. [2] GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. [3] SL 266-2001 水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. [4] 北京有色金屬設(shè)計(jì)研究總院.混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊[M]//建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系列手冊.第3版. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003. TU375 B [定稿日期]2016-05-28 [作者信息]李立偉(1973~),男,大學(xué)本科,高級工程師,一級注冊結(jié)構(gòu)工程師,從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。5 吊車梁系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6 結(jié)束語