帶雙層吊車的大柱距重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)

馬曉輝

(上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200040）

1 工程概況

某風(fēng)電裝配廠位于臨海強(qiáng)風(fēng)、高烈度地區(qū)，其主車間——裝配車間為設(shè)有雙層吊車的重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房。平面軸線尺寸72 m×166.8 m（見(jiàn)圖1），南北向（橫向）跨度36 m×2，東西向（縱向）主要柱距為12 m，因工藝布置需要，東端局部柱距28 m、6.8 m各一列，屋面梁底凈高27.8 m。車間內(nèi)設(shè)雙層橋式吊車（見(jiàn)圖2），下層吊車軌頂標(biāo)高17 m，每跨內(nèi)各設(shè)3臺(tái)50 t吊車；上層軌頂標(biāo)高22 m，南跨（D～G軸）內(nèi)設(shè)100 t、150 t、300 t 3臺(tái)吊車，北跨（G～K軸）內(nèi)設(shè)100 t、250 t、500 t 3臺(tái)吊車。所有吊車均為中級(jí)工作制，地面控制。

圖1 車間平面布置圖

圖2 橫向剛架立面圖

建設(shè)場(chǎng)地臨海，基本風(fēng)壓0.8 kN/m2，地面粗糙度類別為A類，抗震設(shè)防烈度8度，場(chǎng)地類別為第Ⅲ類，特征周期為0.55 s。車間內(nèi)工藝、公用管線吊載很大，南北向管線沿山墻布置，固定在抗風(fēng)柱上，東西向管線沿各柱列布置，部分吊于屋面，部分吊于下層吊車梁下，吊載4～8 kN/m，最重處達(dá)12 kN/m。

2 結(jié)構(gòu)體系

本項(xiàng)目屬重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，風(fēng)荷載、水平地震荷載及吊車水平荷載均較大，因此，橫向采用剛接框架體系，縱向采用柱間支撐體系，屋面設(shè)置完整的支撐系統(tǒng)，形成有效的抗側(cè)力體系。剛架柱為階形柱，下柱采用雙肢H形鋼格構(gòu)柱，上柱采用H形鋼柱，屋面梁采用H形鋼梁，柱與基礎(chǔ)、屋面梁均剛接。柱間支撐為上、中、下3層支撐（見(jiàn)圖3），上支撐對(duì)應(yīng)上柱，采用單片圓管，中、下支撐對(duì)應(yīng)下柱，采用雙片槽鋼。屋面支撐包括縱向、橫向支撐（見(jiàn)圖4），采用圓管截面。28 m柱距處設(shè)有托梁、托架、屋面次梁及墻架柱。

圖3 縱向柱間支撐立面圖

圖4 屋面結(jié)構(gòu)平面圖

3 柱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 純鋼格構(gòu)柱和鋼管格構(gòu)柱的比選

帶大噸位吊車的重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房下柱普遍采用格構(gòu)柱，多為雙肢H形鋼格構(gòu)柱、雙肢或四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱。鋼管混凝土格構(gòu)柱的鋼含量較純鋼格構(gòu)柱少20%左右，且側(cè)向剛度更大，可更有效地控制柱頂位移[1]。但本項(xiàng)目最終還是選擇采用純鋼格構(gòu)柱（見(jiàn)圖5a、5b），主要基于以下幾點(diǎn)考慮：（1）鋼管混凝土格構(gòu)柱施工工藝復(fù)雜，周期較長(zhǎng)，而本項(xiàng)目工期緊張，只有采用純鋼格構(gòu)柱才能滿足需求；（2）本項(xiàng)目建筑高度不大，采用純鋼格構(gòu)柱已經(jīng)能控制柱頂位移滿足規(guī)范[2]中1/400的規(guī)定；（3）本項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地臨海，地基條件差，采用純鋼格構(gòu)柱可減小結(jié)構(gòu)自重。

圖5 剛架柱簡(jiǎn)圖

3.2 剛架柱截面設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目G軸中列柱肢距2.5 m，D軸、K軸邊列柱肢距2.25 m，因K軸的吊車較D軸重，其下柱的截面較D軸大。縱向上，28 m柱距處的加強(qiáng)榀的柱截面較一般中間榀柱大，山墻處的邊榀的柱截面較一般中間榀柱小。因此，本項(xiàng)目共有9種剛架柱見(jiàn)表1，即根據(jù)建筑平面特點(diǎn)及吊車使用情況，充分細(xì)化柱的截面設(shè)計(jì)，以減少用鋼量，同時(shí)每列柱的肢距統(tǒng)一，每榀柱的寬度統(tǒng)一，以便于其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)及工藝的布置。

表1 剛架柱截面匯總表

3.3 肩梁設(shè)計(jì)

剛架柱在標(biāo)高14.985 m處設(shè)挑出牛腿支承下層吊車梁，在標(biāo)高16.838～18.810 m范圍設(shè)肩梁支承上層吊車梁及上柱。立面上2層吊車之間間隙小，肩梁的下翼緣亦作為下層吊車梁上翼緣的側(cè)向連接點(diǎn)（見(jiàn)圖5），所以，肩梁高度需同時(shí)核對(duì)上下吊車的軌高、吊車梁高度，最終取為1 972 mm。對(duì)中列柱，上層吊車梁直接支于下柱的2個(gè)分肢，上柱翼緣開(kāi)槽插入肩梁；對(duì)邊列柱，上層吊車梁直接支于下柱的1個(gè)分肢，上柱外側(cè)翼緣直接連接下柱的另1個(gè)分肢，內(nèi)側(cè)翼緣開(kāi)槽插入肩梁。肩梁起“轉(zhuǎn)換梁”作用[3]，受力表現(xiàn)為深受彎構(gòu)件，承受很大剪力，設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注腹板的強(qiáng)度、局部穩(wěn)定性以及腹板相關(guān)焊縫的強(qiáng)度。對(duì)此，按受彎構(gòu)件計(jì)算并確定腹板的基本厚度，上柱插入肩梁的翼緣作為加勁肋再驗(yàn)算腹板的局部穩(wěn)定性，確定最終厚度。相關(guān)焊縫均采用全熔透等強(qiáng)焊縫，并避免焊縫密集相交。

4 吊車梁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 吊車梁截面設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用焊接H形鋼吊車梁。在同一列柱上，存在12 m、28 m和6.8 m 3種柱距，形成3種跨度的吊車梁。28 m柱距處的吊車梁高度最大，而此處的工藝凈空需求卻最高——14 m。

吊車梁設(shè)計(jì)時(shí)大多數(shù)以12 m跨度吊車梁為基準(zhǔn)，28 m跨度吊車梁采用變高截面梁，端部高度同12 m跨度吊車梁。12 m跨度吊車梁截面按高、窄、薄形設(shè)計(jì)，以減少用鋼量；28 m跨度吊車梁盡量控制梁高，截面相對(duì)呈矮、寬、厚形，以增大梁下凈空，亦減小截面變高的量。下層吊車梁均按2臺(tái)50 t吊車設(shè)計(jì)；上層南跨吊車梁按1臺(tái)150 t和1臺(tái)300 t吊車組合設(shè)計(jì)，28 m處限制其他吊車進(jìn)入，僅按1臺(tái)300 t吊車設(shè)計(jì)；上層北跨吊車梁按1臺(tái)250 t和1臺(tái)500 t吊車組合設(shè)計(jì)，28 m處限制其他吊車進(jìn)入，僅按1臺(tái)500 t吊車設(shè)計(jì)。這樣在符合吊車的實(shí)際使用需求下，減小28 m跨度吊車梁的截面，相應(yīng)的吊車只需增加紅外自動(dòng)限位裝置即可。吊車梁截面匯總見(jiàn)表2。

表2 吊車梁截面匯總表

另外，上層南北跨的吊車噸位不同但吊車梁截面取相同的高度、不同的寬度和板件厚度，以便于柱系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的布置。各吊車梁中，厚度超過(guò)40 mm的板件采用Z向性能鋼板。最終，在控制用鋼量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)28 m柱距以及高位置的高凈空要求，如圖3所示，上下層吊車梁在此處幾乎貼近，留出安裝間隙。

4.2 支座形式

吊車梁支座形式通常有2種（見(jiàn)圖6），分別為凸緣支座、平板支座。本項(xiàng)目采用凸緣支座做法：（1）凸緣支座更符合吊車梁簡(jiǎn)支的計(jì)算假定；（2）雖然吊車梁關(guān)于柱對(duì)稱，但吊車運(yùn)行可能使柱一邊的吊車梁受力，另一邊不受力，平板支座會(huì)引起剛架柱在弱軸方向偏心受力，在吊車噸位大時(shí)非常不利，凸緣支座可有效避免該問(wèn)題；（3）本項(xiàng)目中支承吊車梁的肩梁和牛腿都是H形截面，凸緣支座的端部可更直接地傳力于肩梁和牛腿的腹板，同時(shí)腹板在此處貼上端刨平頂緊的楔形板。

圖6 吊車梁支座形式

4.3 變截面做法

大跨度吊車梁端部變截面做法通常有3種（見(jiàn)圖7）：楔形、直角形和圓弧形。選型時(shí)主要考慮各做法的抗疲勞性能。研究表明[4]，楔形變截面的疲勞裂紋敏感區(qū)位于斜翼緣上轉(zhuǎn)折點(diǎn)，直角形的裂紋敏感區(qū)位于端封板與插入板的焊縫位置，圓弧形的裂紋敏感區(qū)位于整個(gè)圓弧翼緣；楔形變截面的疲勞裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)能最小，即抗疲勞性能最好，直角形次之，而圓弧形的疲勞裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)能遠(yuǎn)大于其他兩種，抗疲勞性能很差，所以新版GB 20017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》限制使用圓弧形做法。因此，本項(xiàng)目最終采用楔形變截面做法。

4.4 焊縫設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工

28 m吊車梁設(shè)有縱向、橫向加勁肋和短加勁肋，且限于加工、運(yùn)輸因素，還需要分段運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)焊接，因此焊縫眾多。可靠的焊縫設(shè)計(jì)和施工是保證吊車梁抗疲勞性能的關(guān)鍵因素，除進(jìn)行疲勞驗(yàn)算外，還要采取多方面的構(gòu)造措施和施工措施。橫向加勁肋與下翼緣保持一定的距離，變截面處頂緊不焊，起落弧避開(kāi)下端，中間連續(xù)圍焊，不得中斷?？v向、橫向、短加勁肋焊縫、現(xiàn)場(chǎng)拼接焊縫互相錯(cuò)開(kāi)，避免密集相交，也要避開(kāi)變截面處的疲勞裂紋敏感區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)拼接焊縫采用陶瓷墊片V形坡口全熔透焊縫，墊片長(zhǎng)度大于翼緣板寬度，在外面起落弧，最后割去磨平，按一級(jí)焊縫100%進(jìn)行探傷檢驗(yàn)。

5 吊車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吊車制動(dòng)系統(tǒng)是保證吊車梁穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)整體性的重要因素。作為吊車梁的側(cè)向支撐，制動(dòng)系統(tǒng)除需要承受吊車的橫向剎車力外，還應(yīng)能承受受壓翼緣軸力的1/60。作為結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的一部分，制動(dòng)系統(tǒng)還承受對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載和地震作用。

下層吊車梁上弦設(shè)制動(dòng)板，邊列柱處設(shè)置H形鋼作輔梁。28 m吊車梁增設(shè)垂直支撐，如圖8a所示。

上層吊車梁上弦設(shè)制動(dòng)桁架，下弦設(shè)水平桁架，邊列柱尚設(shè)置輔助桁架，間隔一定距離設(shè)置垂直支撐，如圖8b所示。28 m吊車梁的輔助桁架高度同吊車梁端部高度，跨中位置吊車梁高度大于輔助桁架時(shí)，垂直支撐構(gòu)造如圖8c所示。

圖8 吊車梁垂直支撐簡(jiǎn)圖

6 其他設(shè)計(jì)

6.1 屋面托梁（架）設(shè)計(jì)

屋面、墻面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在28 m柱距處的設(shè)計(jì)。對(duì)于大柱距處的屋面結(jié)構(gòu)，通常有以下做法：（1）設(shè)屋面次梁，次梁直接支承于大跨度吊車梁上；（2）縱向增設(shè)托梁或托架，屋面次梁支承于托梁或托架上。做法（1）可以減少用鋼量，但無(wú)法避免吊車運(yùn)行引起屋面結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；做法（2）可有效避免振動(dòng)。因本項(xiàng)目屋面有較多的工藝、公用管線，所以選擇方案（2），在D軸設(shè)托架，G軸、K軸設(shè)托梁（見(jiàn)圖4），其中，D軸設(shè)托架是因?yàn)檐囬g南側(cè)尚有低矮的倉(cāng)庫(kù)屋面鋼梁搭接于該托架的下弦標(biāo)高處。

托梁、托架在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮向下受彎和向上受彎2種工況。首先，在恒載、活載、吊載作用下，托梁、托架向下受彎，上翼緣（或上弦）受壓。為減小平面外計(jì)算長(zhǎng)度，可在托梁、托架兩邊設(shè)屋面水平支撐（見(jiàn)圖4），計(jì)算長(zhǎng)度可減小為9.3 m。同時(shí)，本項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地風(fēng)荷載大，存在風(fēng)吸力大于屋面自重的工況。此時(shí)，托梁、托架向上受彎，下翼緣（或下弦）受壓，雖然該工況的荷載小，但無(wú)法設(shè)置水平向支撐、減小平面外計(jì)算長(zhǎng)度，需要補(bǔ)充復(fù)核該工況。截面設(shè)計(jì)上，托梁翼緣盡量寬，截面呈矮、寬型，托架弦桿采用方鋼管。

6.2 墻架設(shè)計(jì)

28 m柱距外墻處設(shè)2根墻架柱，柱底立于基礎(chǔ)上，柱頂、柱中與屋面結(jié)構(gòu)、雙層吊車的制動(dòng)系統(tǒng)側(cè)向連接（見(jiàn)圖5c），水平受約束、上下自由，按多階抗風(fēng)柱設(shè)計(jì)。此時(shí)，吊車的制動(dòng)系統(tǒng)除承受吊車水平荷載外，尚承受墻面風(fēng)荷載，按最不利組合設(shè)計(jì)。風(fēng)荷載工況下，制動(dòng)系統(tǒng)的水平變形需滿足GB 20017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)抗風(fēng)桁架1/1000的限值。

7 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了某風(fēng)電裝配廠裝配車間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目有大跨度、大柱距、大噸位雙層吊車等特點(diǎn)，主要介紹廠房柱系統(tǒng)、吊車梁系統(tǒng)以及制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：

1）剛架柱下柱采用雙肢H形鋼格構(gòu)柱、T形鋼綴條，上柱采用H形鋼柱。根據(jù)建筑平面特點(diǎn)及吊車使用情況，充分細(xì)化柱的截面設(shè)計(jì)，規(guī)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件的同時(shí)，減少用鋼量。對(duì)肩梁和柱腳進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，保證連接可靠。

2）采用焊接H形鋼吊車梁。根據(jù)建筑平面特點(diǎn)及吊車使用情況，充分優(yōu)化吊車梁的截面設(shè)計(jì)，減少用鋼量，提高結(jié)構(gòu)凈空。重點(diǎn)關(guān)注吊車梁的支座形式、變截面做法以及焊縫的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工，以保證吊車梁的抗疲勞性能。

3）根據(jù)吊車噸位、吊車梁高、跨度綜合采用制動(dòng)板、制動(dòng)桁架2種制動(dòng)系統(tǒng)，輔以輔梁、輔助桁架、下弦水平桁架、垂直支撐等，保證吊車梁穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)整體性。

作為重型鋼結(jié)構(gòu)廠房，合理的結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尤為重要。建設(shè)和后續(xù)使用情況表明，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、適用，獲全國(guó)機(jī)械工業(yè)優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng)，為類似鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。