大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化改進(jìn)措施在新疆地區(qū)應(yīng)用

袁石鋼

【摘要】隨著新疆經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，新疆工業(yè)也取得了相應(yīng)的進(jìn)步，大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)急需要大量的工業(yè)廠房。而工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計具有特殊性，目前新疆大多數(shù)工業(yè)廠房使用的是鋼結(jié)構(gòu)這種經(jīng)濟(jì)實用的建筑材料，不僅能經(jīng)濟(jì)性好且更具有耐久性，可保證廠房使用的安全。因此本文就新疆大型化煉鋼廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中遇到的問題和看法提出探討。

【關(guān)鍵詞】大空間工業(yè)廠房;鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計;優(yōu)化措施

工業(yè)廠房是企業(yè)重要的生產(chǎn)場所，廠房的質(zhì)量關(guān)系工業(yè)生產(chǎn)的效率和工作人員的生命安全，應(yīng)得到足夠的重視。鋼結(jié)構(gòu)工程以其優(yōu)越性逐漸替代了新疆傳統(tǒng)的廠房磚混結(jié)構(gòu)，得到了廣泛的應(yīng)用，決定著建筑物的質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房具有良好的抗震性能以及自重較輕等特點，其結(jié)構(gòu)性能影響著企業(yè)的生產(chǎn)活動，因此，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計迫在眉睫。

1、鋼結(jié)構(gòu)的材料選用

眾所周知，大型鋼結(jié)構(gòu)廠房的合理選材是降低項目整體投資的主要因素之一，廠房主梁柱材采用性價比高的Q345B鋼材。對于處在腐蝕環(huán)境中的承重結(jié)構(gòu)，則一般采用Q235NH和Q345NH等牌號的耐候結(jié)構(gòu)鋼。

2、鋼結(jié)構(gòu)主體梁柱的設(shè)計

2.1承重柱結(jié)構(gòu)設(shè)計選型

2.1.1大型冶金廠房中的承重柱一般采用階梯形柱

其下段通常采用綴條格構(gòu)柱，而上段既可采用實腹式，亦可采用格構(gòu)式，但上段以實腹式截面為多。格構(gòu)柱的單肢柱有H型鋼柱、鋼管柱鋼管砼柱（即鋼管內(nèi)填芯高強(qiáng)混凝土）等幾種形式。單肢柱采用鋼管柱，雖然理論上鋼管柱各方向受力性能穩(wěn)定，但存在鋼管柱的弧面連接及大管的加工焊縫長等缺陷，在實際應(yīng)用中比較麻煩;鋼管砼柱雖能夠減小鋼管截面，但后期混凝土灌漿的可操作性較差，主要是因為大型冶金廠房主柱高度都有20～30米（甚至更高），鋼管內(nèi)部灌漿時需開通氣孔，鋼柱過長時可能還需要設(shè)置中間孔，以利于通氣及灌漿的振搗實，給施工帶來困難。近幾年，單肢柱采用H型鋼的形式，因其加工的完整性及施工的便利性得到更廣泛應(yīng)用。格構(gòu)柱的綴條可采用角鋼、槽鋼和T型鋼等，當(dāng)承載較小時可采用槽鋼和角鋼作為綴條，當(dāng)?shù)踯噰嵨怀^160噸時，可采用T型鋼作為綴條，更好地維護(hù)格構(gòu)柱的整體性。格構(gòu)柱采用鋼接柱腳，為節(jié)約用鋼量、降低造價和方便施工，格構(gòu)柱常采用分離式柱腳。露出式柱腳常采用靴梁式，埋入式柱腳直接埋入杯口基礎(chǔ)中，并設(shè)置剪力釘，在柱底板增加定位地腳螺栓以增加定位精度。

2.1.2廠房主鋼柱肩梁結(jié)構(gòu)形式

大型冶金廠房主鋼柱肩梁的設(shè)計是柱設(shè)計的重要部分。柱肩梁位于上段柱和下段格構(gòu)柱交接處，用以將上柱的內(nèi)力傳遞到下柱并兼作吊車梁的支座。因此，肩梁必須有足夠的剛度和強(qiáng)度，以保證階形柱的整體工作。柱的肩梁構(gòu)造有單壁式肩梁和雙壁式肩梁兩種形式。單壁式肩梁因其加工的方便性被廣泛采用。柱肩梁是廠房柱最重要的受力和傳力節(jié)點，其腹板厚度及高度的準(zhǔn)確度至關(guān)重要。

2.1.3承重屋面鋼梁結(jié)構(gòu)形式

大型冶金廠房中的承重屋面鋼梁實腹式型鋼梁和桁架式屋架體系。由于桁架式屋架體系有上下弦，支撐體系上下弦需要布置，安裝復(fù)雜，施工周期長，因而實腹式H型鋼梁已成為大型冶金廠房屋架梁的主流形式。廠房屋面梁和鋼柱上段柱的連接常采用端板連接。

2.2支撐系統(tǒng)的布置

支撐系統(tǒng)是保證主體結(jié)構(gòu)整體剛度和承重安全穩(wěn)定性的重要組成部分。大型冶金廠房中，作用于廠房山墻上的風(fēng)荷載、吊車的縱向水平荷載、縱向地震力等均要求廠房有足夠的縱向剛度，在結(jié)構(gòu)上需要通過合理設(shè)置柱間支撐和對應(yīng)的屋蓋支撐系統(tǒng)來實現(xiàn)。每列柱都必須設(shè)置柱間支撐，多跨廠房的中列柱的柱間支撐與起邊列柱的柱間支撐布置在同一柱子開間。柱間支撐的布置在滿足廠房縱向剛度和抗震要求的同時，還應(yīng)滿足廠房溫度區(qū)間段的要求。大型冶金廠房的橫向溫度區(qū)段的跨度為120米，縱向溫度區(qū)段的長度為220米。在實際設(shè)計中，可能出現(xiàn)設(shè)備與柱間支撐相碰的情況，因此需要靈活調(diào)整柱間的各種形式。大型冶金廠房下柱格構(gòu)式雙肢柱，應(yīng)在每個分肢設(shè)置支撐，并將兩支撐相連，以加強(qiáng)支撐的整體穩(wěn)定性。屋面支撐的布置大都對應(yīng)柱間支撐布置，若屋面有設(shè)置天窗，則天窗支撐系統(tǒng)應(yīng)與屋面支撐系統(tǒng)和柱間支撐系統(tǒng)對應(yīng)，形成更為穩(wěn)固的剛度體系。屋面梁若采用桁架式屋蓋，則屋面支撐需設(shè)置上弦的屋面橫向水平支撐和縱向水平支撐，以及下弦的屋面橫向水平支撐和縱向水平支撐，并必須在上下弦支撐間設(shè)置垂直支撐。

2.3圍護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計

圍護(hù)系統(tǒng)包括廠房的檁條、墻梁、屋面板、墻面板和拉條的布置與設(shè)置。隨著冶金工藝的不斷升級和主體冶煉設(shè)備的大型化，很多廠房采用大柱距結(jié)構(gòu)，有的甚至在24米以上。因此，墻面體系應(yīng)采用增加中間小墻柱的設(shè)計方式以減小墻梁跨度、達(dá)到減小墻梁斷面的目的。圍護(hù)系統(tǒng)中的拉條系統(tǒng)是保證檁條、墻梁與屋面板和墻面板共同作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。廠房屋面的檐口和屋脊處應(yīng)設(shè)置斜拉條和剛性撐桿，以組成穩(wěn)定的桁架結(jié)構(gòu)體系，達(dá)到增強(qiáng)屋面檁條和屋面板共同作用的整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。針對重型冶金主廠房常常是連續(xù)多跨車間的情況，當(dāng)屋面單坡長度大于50米時，需在中間增加一道雙向斜拉條和剛性秤桿組成桁架結(jié)構(gòu)體系。

2.4吊車梁系統(tǒng)的設(shè)計

吊車梁系統(tǒng)是大型冶金廠房的重要組成部分，是保障各生產(chǎn)作業(yè)吊車的安全運行，并將吊車的荷載傳遞至主鋼柱的重要受力系統(tǒng)。大型冶金廠房的吊車梁常采用焊接工字形吊車梁，由上翼緣寬鋼板、下翼緣窄鋼板和中間腹板焊接而成。工字形吊車梁一般設(shè)計成等高度、等截面的形式，根據(jù)需要也可采用變高度、變截面的形式。由于大型冶金廠房的吊車噸位很大，鋼柱采用格構(gòu)柱、牛腿采用肩梁形式，所以均采用突緣式的吊車梁。

在吊車梁載荷核算時，一般按照兩臺最大起重量相等的吊車進(jìn)行設(shè)計核載，或按照生產(chǎn)工藝實際排列兩臺起重量進(jìn)行設(shè)計核載，同時考慮吊車的等級。在大型冶金工程中大型起重設(shè)備常用工作級別為A7或A6;廠房柱距一般都在12米以上，因此采用實腹式工字形吊車梁的高度基本都在1.8米以上。為了滿足受力后的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定要求，一般同時設(shè)置橫向加勁肋和縱向加勁肋。在大型冶金廠房實際設(shè)計過程中，常因設(shè)備空間要求，需要局部加大柱距，當(dāng)局部因跨度加大需要加高吊車梁斷面但牛腿位置高度又不變時，可采用端部變截面的魚腹式吊車梁，以達(dá)到在端部高度不變的條件下增加吊車梁的高度;當(dāng)需要跨度更大或者強(qiáng)度和穩(wěn)定要求更高的吊車梁時，可考慮采用箱形吊車梁。對于跨度大于24米的吊車梁，制作時按跨度的1/1000起拱。吊車梁的焊縫應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、焊縫形式、工作環(huán)境以及應(yīng)力狀態(tài)等情況進(jìn)行確認(rèn)?？傮w來說，吊車梁和制動結(jié)構(gòu)、輔助桁架及支撐系統(tǒng)形成一個穩(wěn)定的箱形體系，以承受吊車的豎向荷載以及橫向水平荷載，并同時保證自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

結(jié)語：

綜上所述，新疆重型冶金廠房的設(shè)計因工藝復(fù)雜、設(shè)備眾多，使其設(shè)計所涉及的內(nèi)容更紛繁復(fù)雜，既需要滿足規(guī)范的設(shè)計規(guī)定，還需要考慮綜合經(jīng)濟(jì)效益。另外，隨著新疆冶煉技術(shù)的不斷提升、冶煉設(shè)備大型化及國外先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)，不斷給設(shè)計人員帶來新的挑戰(zhàn)和考驗。因此，需要不斷提高設(shè)計人員的專業(yè)水平，以設(shè)計出更適合現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)和符合高質(zhì)量要求的重型冶金工程廠房。

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