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)

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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(shí)，當(dāng)?shù)踯嚇蚣芑蛐≤嚌M載運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的縱向、橫向制動(dòng)力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理控制廠房的縱向、橫向水平位移，通過對(duì)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(dòng)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(dòng)桁架系統(tǒng)，可以滿足鋼吊車梁的平面外穩(wěn)定。

吊車制動(dòng)力； 雙肢柱； 柱間支撐； 制動(dòng)桁架

1 工程概況

中國(guó)環(huán)流器二號(hào)HL-2M裝置改造與升級(jí)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(zhǎng)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(tái)。發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)為塊式整體基礎(chǔ)。頂部與檢修平臺(tái)連為一體，檢修平臺(tái)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?jī)?nèi)設(shè)置了一臺(tái)工作級(jí)別為A3級(jí)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(jí)為二級(jí)。

2 荷載標(biāo)準(zhǔn)值

2.1 活荷載

檢修平臺(tái)：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(hào)QU120。

吊車最大輪壓為550 kN，每側(cè)共8個(gè)輪，剎車輪按一半取為4個(gè)，吊車縱向制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值Fx=550×4×10 %=220 kN，吊車橫向制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值Fy=(68+400) ×10×8 %=375 kN[1]。

3 結(jié)構(gòu)布置

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(shí)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 柱頂水平位移的計(jì)算

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(shí)廠房不發(fā)生大的晃動(dòng)。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(guó)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(duì)廠房進(jìn)行了空間整體計(jì)算，再對(duì)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(gè)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(shí)，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(shí)對(duì)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(zhǎng)36.3 m，溫度變化對(duì)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(zhǎng)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(shí)縱向制動(dòng)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 吊車梁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 吊車梁系統(tǒng)布置

為滿足吊車小車橫向運(yùn)行時(shí)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(dòng)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(shí)設(shè)置輔助桁架和下翼緣水平支撐，組成空間制動(dòng)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(dòng)桁架外邊寬1.3 m，制動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)最大豎向彎矩Mmax1=2 781.3 kN·m，由橫向水平制動(dòng)力產(chǎn)生的絕對(duì)最大水平彎矩Mmax2=108.5 kN·m，絕對(duì)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。

6 結(jié)束語

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(shí)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(dòng)桁架、輔助桁架和下翼緣水平支撐組成的空間制動(dòng)桁架體系，可以承擔(dān)吊車橫向、縱向制動(dòng)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(dòng)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(cè)[M]//建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系列手冊(cè).第3版. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

TU375

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[定稿日期]2016-05-28

[作者信息]李立偉(1973～)，男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。