柱距對(duì)重型門式剛架廠房經(jīng)濟(jì)性的影響

阮左正

（沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001）

1 重型鋼結(jié)構(gòu)廠房計(jì)算和分析

在工業(yè)廠房設(shè)計(jì)領(lǐng)域，常見的柱距有6m、7.5m、9m和12m，優(yōu)時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部抽柱，要求15m以上的柱距，但并不多見。本文以6m的普通柱距重型鋼結(jié)構(gòu)廠房為例進(jìn)行計(jì)算分析。

1.1 工程背景

某工業(yè)廠房，采用門式剛架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)柱距為9m。廠房?jī)?nèi)配備橋式天車。吊車荷載較大所在跨鋼柱采用格構(gòu)柱，其它采用焊接型鋼柱，鋼梁均采用焊接型鋼梁。該廠房的剖面如圖1所示。

圖1 剛架立面圖

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

屋面活載0.5kN/m2

基本風(fēng)壓0.55kN/m2

基本雪壓0.55kN/m2

灰荷載0.3kN/m2

地震設(shè)防烈度：7度0.1g；設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

起重機(jī)參數(shù)見表1：

表1 吊車型號(hào)及荷載

1.3 剛架計(jì)算和分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件采用建研院開發(fā)的PKPM軟件，通過二維建模計(jì)算單榀剛架。剛架柱截面特性見表2；剛架梁截面特性見表3；剛架梁和柱應(yīng)力比見圖2。

表2

表3

圖2 剛架梁和應(yīng)力比圖

1.4 吊車梁的設(shè)計(jì)分析

（1）車資料見表4（以柱距9m為例）

表4 計(jì)算輸入數(shù)據(jù)

（2）鋼吊車梁橫斷面尺寸及計(jì)算結(jié)果（見圖3）

圖3 9m跨吊車梁橫斷面尺寸

1.5 屋面和墻面檁條設(shè)計(jì)分析

屋面檁條設(shè)置雙層拉條，約束上下翼緣。墻面檁條設(shè)單層拉條，設(shè)在靠近廠房的一側(cè)，僅約束墻梁內(nèi)翼緣，而墻面壓型鋼板能阻止所在側(cè)翼緣墻梁的側(cè)向失穩(wěn)。檁條截面尺寸的計(jì)算結(jié)果如下：

檁條形式:卷邊槽形冷彎型鋼C280×80×25×3.0

墻梁形式:卷邊槽形冷彎型鋼C250×75×20×2.5

2 整體鋼材量對(duì)比和分析

上節(jié)中，詳細(xì)論述了柱距為9m的某重型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的主框架、吊車梁、檁條系統(tǒng)的計(jì)算過程。在同樣的外部參數(shù)和控制指標(biāo)下，對(duì)另外3種柱距下鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行分析計(jì)算，并得到不同柱距下廠房鋼材量。

2.1 剛架梁和剛架柱鋼材量分析

對(duì)于柱間距為6m、7.5m、9m和12m時(shí)的剛架內(nèi)力和鋼材量見表5。

表5 不同柱距下剛架梁和柱的應(yīng)力比、變形梁和鋼材量

不同柱距下每平米剛架鋼材量見圖4。

圖4 剛架單位面積鋼材量

2.2 鋼吊車梁鋼材量計(jì)算和分析

通過計(jì)算分別確定了其它3種跨度吊車梁的截面，分別為：如圖5所示。

圖5

經(jīng)計(jì)算和分析后，4種吊車梁的鋼材量見表6。

表6 吊車梁鋼材量

從圖6中可知，當(dāng)廠房柱距小于9m時(shí)，吊車梁系統(tǒng)鋼材量大概以15%幅度增加，當(dāng)柱距為12m時(shí)，吊車梁系統(tǒng)鋼材量發(fā)生了突然變化。若起重機(jī)起重量很大，或柱距再增加，比如18m、24m，吊車梁系統(tǒng)中的鋼材量將迅速變化。因此，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，大柱距吊車梁應(yīng)采用桁架式或魚腹式。

圖6 單位面積吊車梁鋼材量

2.3 廠房檁條系統(tǒng)鋼材量計(jì)算和分析

對(duì)于12m跨墻面檁條，應(yīng)采取措施減小跨度，常規(guī)做法是在中間設(shè)置墻架柱，因此6m和12m跨度的墻面檁條截面相同。經(jīng)計(jì)算采用C160×60×20×2.2。而7.5m跨墻面檁條采用C200×70×20×2.5。經(jīng)計(jì)算后的單位面積墻面檁條鋼材量見圖7。

圖7 單位面積墻面鋼材量量

對(duì)于12m跨屋面檁條，可采用薄壁H型鋼，經(jīng)計(jì)算采用H200×150×3.2×4.5;或者在跨中增設(shè)一道剛架梁，減小檁條跨度。此時(shí)，6m和12m跨度的屋面檁條可采用同一截面，即C200×70×20×3。7.5m跨屋面檁條采用C250×75×20×3。經(jīng)計(jì)算后的單位面積屋面檁條鋼材量見圖8。

圖8 單位面積屋面檁條鋼材

由圖7，8可得出：隨著柱間距的增大，檁條系統(tǒng)的鋼材量也隨之而增加，且增加幅度逐漸遞增，12m柱距檁條的用鋼量是6m柱距檁條用鋼量2倍之多，因此大柱距帶來的影響是檁條系統(tǒng)鋼材量大幅增加。

2.4 四種柱距鋼結(jié)構(gòu)廠房總體鋼材量對(duì)比

根據(jù)上述分析，四種柱距下廠房的總鋼材量見表7。

表7 單位面積總鋼材量統(tǒng)計(jì)（kg/m2）

從上表可得出，隨著柱距的增加，門式剛架本身所用鋼材占總鋼材用量的比例逐漸降低，起決定性作用的將是輔助構(gòu)件體系，比如屋面檁條、墻面檁條、吊車梁體系等等。所以，當(dāng)柱間距為12m時(shí)，重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的鋼材量可能會(huì)突然增加。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于類似于本工程的門式剛架結(jié)構(gòu)，主體剛架鋼材量占整個(gè)廠房結(jié)構(gòu)鋼材量的比例會(huì)隨著柱距不斷減小，而吊車梁、檁條系統(tǒng)等輔助構(gòu)件的鋼材量占比會(huì)不斷加大，因此合理布置次級(jí)構(gòu)件和輔助構(gòu)件可能更有利于節(jié)約鋼材。

（2）類似于本工程鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，僅從鋼材量這一指標(biāo)來衡量，6m、7.5m的柱距似乎更合理，但是廠房的經(jīng)濟(jì)性是由人工成本、機(jī)械成本、安裝成本等諸多指標(biāo)決定的。而9m柱距的廠房布置更靈活，美觀，安裝成本也較低。因此建議綜和考慮建筑材料成本和建筑安裝成本進(jìn)行綜合比較，選擇更合理、更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式。