湖北某重型廠房剛架設(shè)計(jì)方案分析

蔡家潤(rùn)，張運(yùn)森，劉炎炎

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 工業(yè)與智能中心，河南 鄭州450007)

湖北某重型廠房包括主廠房和生產(chǎn)輔房?jī)刹糠?，建筑面積約為40 000 m2，主廠房分為重型車間和數(shù)控車間兩部分，結(jié)構(gòu)形式為單層剛排架，基本柱距為12 m.其中重型車間橫向總寬84 m，跨度自南向北分別為24 m、36 m、24 m，縱向總長(zhǎng)201 m，檐口高度32 m；數(shù)控車間橫向總寬91.6 m，跨度自南向北分別為19.3 m、24 m、24.3 m、24 m，縱向總長(zhǎng)201 m，檐口高度14.85 m.按建設(shè)方要求，先建設(shè)重型車間，后建設(shè)數(shù)控車間.

1 剛架廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 方案一：設(shè)單排柱

在設(shè)計(jì)重型車間時(shí)，考慮到數(shù)控車間的要求，每榀剛架的長(zhǎng)度需要175.6 m.這超出了現(xiàn)行GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的限值[1].該規(guī)范規(guī)定：當(dāng)單層房屋在縱向(橫向)幾何長(zhǎng)度超出限值時(shí)，需設(shè)置縱(橫)向溫度伸縮縫，否則需考慮溫度變形和溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響[2-3].

主廠房平面布置如圖1所示.

圖1 主廠房平面布置圖

1.2 方案二：設(shè)雙排柱

將重型車間和數(shù)控車間分別作為獨(dú)立單元，在設(shè)計(jì)重型車間結(jié)構(gòu)時(shí)就不必考慮數(shù)控車間的影響.這樣，每榀剛架的橫向?qū)挾任闯^規(guī)范的限值，可以不考慮溫度應(yīng)力的影響.

1.3 方案三：?jiǎn)闻胖显O(shè)滑動(dòng)支座

設(shè)計(jì)重型車間時(shí)在其最北側(cè)的剛架柱上預(yù)留牛腿，并在牛腿上安裝滑動(dòng)支座，以抵消溫度應(yīng)力產(chǎn)生的位移，減小溫度應(yīng)力對(duì)剛架主體的影響[4].

2 內(nèi)力計(jì)算

2.1 方案一的內(nèi)力計(jì)算

在方案一(即橫向?qū)挾瘸^規(guī)范限值)中，為了計(jì)算結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)，將兩個(gè)車間按一個(gè)單元來考慮溫度應(yīng)力的影響[5].主廠房的剖面布置(單排柱)如圖2所示.圖2中：Gn為吊車噸位；S為吊車跨度；A5為吊車工作等級(jí)；…分別為A軸、B軸…….下文字母含義相同.

圖2 主廠房的剖面布置圖(單排柱)

以結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)荷載效應(yīng)基本組合，采用軟件可計(jì)算出各柱的內(nèi)力、溫度應(yīng)力比、位移等(表1).荷載效應(yīng)基本組合考慮了恒荷載(0.4 kN/m2)、活荷載(0.4 kN/m2)、風(fēng)荷載(0.35 kN/m2)、溫度荷載(升溫36 ℃，降溫-5 ℃)[6].

表1 方案一柱內(nèi)力、溫度應(yīng)力比、位移及柱截面

2.2 方案二的內(nèi)力計(jì)算

方案二將兩個(gè)車間分別作為獨(dú)立單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，即通過雙排柱形成橫向溫度伸縮縫.主廠房的剖面布置(雙排柱)如圖3所示[7].

以結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)荷載效應(yīng)基本組合，采用軟件可計(jì)算出各柱的內(nèi)力、溫度應(yīng)力比、位移等(表2).荷載效應(yīng)基本組合也考慮恒荷載(0.4 kN/m2)、活荷載(0.4 kN/m2)、風(fēng)荷載(0.35 kN/m2)、溫度荷載(升溫36 ℃，降溫-5 ℃)[8].

表2 方案二柱內(nèi)力、溫度應(yīng)力比、位移及柱截面

2.3 方案三的內(nèi)力計(jì)算

方案三在單排柱上設(shè)置滑動(dòng)支座，可將橫向超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)分為主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求的溫度區(qū)段限值.主廠房的剖面布置(滑動(dòng)支座)如圖4所示.子結(jié)構(gòu)通過在剛架梁端部設(shè)置的滑動(dòng)支座與主結(jié)構(gòu)連接.這種構(gòu)造措施允許主結(jié)構(gòu)柱頂一定限值的自由位移，從而釋放大部分內(nèi)力.當(dāng)柱頂位移達(dá)到限值后，主結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)共同工作，以抵抗水平荷載[9].

以結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)荷載效應(yīng)基本組合,采用軟件可計(jì)算出各柱的內(nèi)力、溫度應(yīng)力比、位移等(表3).荷載效應(yīng)基本組合同樣考慮恒荷載(0.4 kN/m2)、活荷載(0.4 kN/m2)、風(fēng)荷載(0.35 kN/m2)、溫度荷載(升溫36 ℃，降溫-5 ℃).

圖4 主廠房的剖面布置圖(滑動(dòng)支座)

3.設(shè)計(jì)方案的對(duì)比

3.1 柱截面

表1與表3的計(jì)算結(jié)果顯示，方案一因GZ-G柱、GZ-H柱截面較大，所以其每榀剛架用鋼量比方案三多500 kg.

表2與表3的計(jì)算結(jié)果顯示，方案二因GZ-H柱截面較大，且比方案三多用一排剛架柱，所以其每榀剛架用鋼量比方案三多3 050 kg.

表3 方案三柱內(nèi)力、溫度應(yīng)力比、位移及柱截面

3.2 基礎(chǔ)問題

方案一：GZ-G柱的基礎(chǔ)截面尺寸為4 800 mm×2 200 mm，GZ-H柱的基礎(chǔ)截面尺寸為6 000 mm×3 000 mm.

方案二：GZ-D1柱的基礎(chǔ)截面尺寸為3 200 mm×1 600 mm，GZ-G柱的基礎(chǔ)截面尺寸為4 800 mm×2 000 mm，GZ-H柱的基礎(chǔ)截面尺寸為4 200 mm×2 600 mm.由于重型車間已經(jīng)建好，基礎(chǔ)施工已完畢，GZ-D1的基礎(chǔ)與原基礎(chǔ)相碰觸而無法避讓.

方案三：GZ-G柱的基礎(chǔ)截面尺寸為3 600 mm×1 600 mm，GZ-H柱的基礎(chǔ)截面尺寸為3 800 mm×2 500 mm.

3.3 構(gòu)造措施

方案二中雙排柱的立面布置和基礎(chǔ)如圖5所示.從圖5可以看出，如只需滿足剛架柱的布置需要，D軸與1/D軸的距離僅為2 000 mm即可；如需滿足基礎(chǔ)的布置需要，D軸與1/D軸的距離則為5 250 mm.采用此方案就會(huì)增加廠房的建筑面積.

方案三采用在D軸處柱頂橫梁端部設(shè)置滑動(dòng)支座的構(gòu)造措施(圖6).這種構(gòu)造措施可提供主結(jié)構(gòu)柱頂一定限值的自由位移，從而釋放大部分的溫度應(yīng)力，當(dāng)柱頂位移達(dá)到限值后，主結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)共同工作來承擔(dān)水平荷載.此外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)建筑圍護(hù)體系，包括：在有滑動(dòng)支座的兩側(cè)分別設(shè)置屋面支撐；屋面板在此處斷開并分別采用可拉伸的蓋板與兩側(cè)結(jié)構(gòu)體連接.

圖5 雙排柱立面布置和基礎(chǔ)圖

圖6 滑動(dòng)支座構(gòu)造

3.4 對(duì)比結(jié)果分析

(1)從經(jīng)濟(jì)性上比較，方案一的后兩排邊柱截面較大.對(duì)于每榀剛架，方案一比方案三多用鋼500 kg.方案二的最后一排邊柱截面較大且增加一排剛架柱.對(duì)于每榀剛架，方案二比方案三多用鋼3 050 kg.方案三用鋼量最少.方案一的后兩排基礎(chǔ)截面都比方案三大，方案二的后兩排和雙柱處基礎(chǔ)截面都比方案三大，方案三基礎(chǔ)面積最小.因此，方案三經(jīng)濟(jì)上最省.

(2)從技術(shù)性上比較，方案三可以靈活設(shè)計(jì)，如果后期有工藝上的變動(dòng)，因主體鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完畢，就不會(huì)出現(xiàn)方案二中基礎(chǔ)碰撞而無法處理的問題.因此采用該方案最合理.

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某重型廠房剛架設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析可知，鋼構(gòu)重型車間后期緩建普通鋼構(gòu)部分總體超寬，最后兩排邊柱受溫度應(yīng)力影響較大.采用單排柱上設(shè)置滑動(dòng)支座措施，允許主結(jié)構(gòu)柱頂一定限值的自由位移，從而釋放大部分溫度應(yīng)力，同時(shí)，計(jì)算主結(jié)構(gòu)在最不利工況下柱頂?shù)淖畲笪灰?，將該位移作為滑?dòng)支座的位移限值.這種措施既能有效減小單層多跨超寬鋼結(jié)構(gòu)車間的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力、降低工程造價(jià)，又可不設(shè)置伸縮縫，保持廠房的連續(xù)性，提高空間使用率，對(duì)類似工程具有參考意義.