鋼結(jié)構(gòu)在某重型工業(yè)廠房中的實際應(yīng)用

張小云，趙昆

（中機(jī)第一設(shè)計研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有不可替代的特點，如材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、材質(zhì)均勻、工程造價低、施工工期短和可工廠化加工制造等，使得鋼結(jié)構(gòu)在超高建筑結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)中得到了大量應(yīng)用。

本文針對某智能制造類重鋼廠房設(shè)計過程時遇到的技術(shù)難點及解決方案進(jìn)行闡述及分析，希望能為類似工程提供新的建議和思路。

2 工程概況

本項目建設(shè)地點位于江蘇省揚州市，廠房為單層鋼結(jié)構(gòu)廠房。建筑面積為21 945.86 m2，建筑高度20.80 m。為單層戊類廠房，由齒件精加工區(qū)、殼體精加工區(qū)、裝配區(qū)、試車區(qū)組成，廠房跨度為27 m+27 m+27 m+30 m，柱距9 m、12 m不等，內(nèi)有行車數(shù)十臺，行車為中級工作制，最大噸位160 t，最高軌高為12 m。

結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作年限為50 a，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度（0.15 g），設(shè)計地震分組為第三組[1]，場地類別為Ⅲ類?；撅L(fēng)壓0.4 kN/m2，基本雪壓0.4 kN/m2（100年重現(xiàn)期），地面粗糙度B類[2]。

廠房在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要克服多項難點：（1）廠房由于場地內(nèi)有暗塘和古墓分布，為了保證古墓的完整性，廠房需要在左側(cè)邊跨兩處地下有古墓的位置進(jìn)行抽柱，柱平面布置如圖1所示；（2）考慮精加工區(qū)有恒溫要求，廠房右側(cè)兩跨內(nèi)需做吊頂，其中吊頂內(nèi)需放置組裝式空調(diào)系統(tǒng)；（3）廠房內(nèi)設(shè)有三坐標(biāo)檢測區(qū)，因自身對溫度控制要求嚴(yán)格，同時區(qū)域內(nèi)放置精密設(shè)備，需考慮此獨立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（4）廠房南側(cè)端部設(shè)有不同方向的剛架，需考慮未來接跨的可行性等難點。

3 結(jié)構(gòu)方案

建筑結(jié)構(gòu)形式為單層工業(yè)廠房，吊車噸位為160 t及100 t的柱跨，柱截面采取格構(gòu)柱，吊車噸位為32 t的柱跨，柱截面采取實腹式組合柱，采用插入式柱腳；屋蓋形式按輕型屋面設(shè)計，屋面梁采用變截面工字形實腹式鋼梁，屋面板為雙層夾芯板，冷彎薄壁Z形檁條[3]。

針對本項目的特點，對于難點做下述處理。

1）由于項目場地內(nèi)有古墓，文物部門要求對其保護(hù)，故采接，柱腳鉸接，三坐標(biāo)區(qū)通過建筑墻板獨立圍成小區(qū)域。

4）廠房南側(cè)端頭設(shè)獨立單坡剛架，同時考慮未來二期有接跨的可能。經(jīng)過多方面因素的綜合考慮，不采取接跨方式，兩者獨立計算，預(yù)留結(jié)構(gòu)縫距離及基礎(chǔ)杯口。取抽柱托梁的方式，局部抽柱后柱距由9 m變?yōu)?8 m，吊車梁采用變截面形式。其中，在抽邊柱位置增加抗風(fēng)桁架，另外抽邊柱處增加一個墻架柱，與托梁與抗風(fēng)桁架連接，有減小檁條計算長度的作用，可使墻面檁條仍按9 m設(shè)計，墻架柱柱腳連接方式為鉸接。

2）由于廠房精加工區(qū)要求空間恒溫，故采取吊頂方案，其優(yōu)點：一是可以減小空間體量，降低空調(diào)的負(fù)荷；二是空調(diào)下吹風(fēng)方式可使廠房溫度均勻；三是空調(diào)隱藏放在吊頂內(nèi)，保持廠房內(nèi)空間整潔、美觀。

3）廠房內(nèi)設(shè)置三坐標(biāo)檢查區(qū)，此處需精密恒溫，由墻板圍城獨立區(qū)域，原設(shè)計方案為獨立門剛，后由于設(shè)備尺寸要求大，空間受限，此檢查區(qū)僅增加墻架柱，墻架柱上端與鋼梁連

圖1 柱平面布置圖（單位：mm）

4 模型建立及結(jié)果分析

4.1 模型建立

軟件采用PKPMV1.2 STPJ模塊進(jìn)行二維設(shè)計，考慮到本項目的特點，模型需要根據(jù)不同情況分別建模分析，包括9 m柱距標(biāo)準(zhǔn)榀剛架、10.5 m柱距剛架、抽中柱剛架、抽邊柱剛架以及抽柱旁邊榀剛架。圖2為其中有代表的模型簡圖，分別為標(biāo)準(zhǔn)榀、抽中柱、抽邊柱模型。屋面梁恒載取0.35 kN/m2，活載取0.5 kN/m2，吊頂處梁恒載取0.33 kN/m2，活載取0.4 kN/m2，并于梁上空調(diào)的位置設(shè)15 kN集中荷載。吊頂處豎向吊柱設(shè)為單拉桿，兩端鉸接，橫向吊頂鋼梁兩端鉸接，鋼梁、吊柱均采用高頻焊接型鋼。廠房下柱柱截面見表1。抽柱位置頂端采用托梁方式，托梁采用PKPM軟件里彈簧支座來模擬作用。因為托梁可提供給剛架的抗側(cè)剛度小，故采用此方式時可僅考慮托梁的豎向剛度，而不考慮托梁的抗側(cè)剛度，同時抽柱位置需設(shè)置縱向水平支撐，增強(qiáng)廠房空間的穩(wěn)定性[4]。

表1 廠房下段柱柱截面

圖3 剛架應(yīng)力比圖

4.2 結(jié)果分析

經(jīng)過建模計算后，標(biāo)準(zhǔn)榀、抽中柱、抽邊柱模型的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比、左風(fēng)下節(jié)點位移圖、鋼梁撓跨比分別如圖3、圖4及表2所示。經(jīng)過比對分析可知：

1）抽柱的影響。托梁限制了梁端的彎矩，使得梁跨中彎矩增大，跨中撓度增大，尤其抽邊柱的模型，為了使撓度差別不會過大，梁高由850 mm增加到950 mm；柱頂位移方面，抽中柱的模型中其他各柱柱頂位移相比標(biāo)準(zhǔn)榀的柱頂位移在風(fēng)荷載及地震作用下均有所增加，而抽邊柱的模型中其他柱柱頂位移相比標(biāo)準(zhǔn)榀來說，風(fēng)荷載作用下柱頂位移增加，而地震作用下柱頂位移變化不大。

2）吊頂夾層的影響。對于跨度為30 m的邊跨來說，吊頂夾層的方式對于梁端彎矩的增加較多，對廠房上柱的也有影響，梁柱節(jié)點位置需采取栓焊方式連接，但其優(yōu)點在于，吊頂?shù)姆绞娇梢韵拗屏肆旱膿隙扰c位移，同時滿足了工藝及暖通的需求，提高廠房空間的整潔與美觀，綜合考慮各方面，亦利大于弊。

圖4 左風(fēng)1節(jié)點位移圖（單位：mm）

表2 各模型撓跨比

5 結(jié)語

隨著工業(yè)建筑的蓬勃發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中已得到了廣泛利用，鋼結(jié)構(gòu)的理論研究也日益成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，不僅僅只是保證強(qiáng)度和穩(wěn)定的要求，還需根據(jù)工藝的需求、場地的條件、各專業(yè)的配合、施工方案及經(jīng)濟(jì)條件等多方位因素綜合考慮，同時根據(jù)廠房自身功能特點，合理且適宜地制訂結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，使得廠房的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性得到更大的保障。