某大型煉鑄鍛鋼聯(lián)合廠房結(jié)構(gòu)選型設(shè)計

林振楊，申秀秀

（1.中機第一設(shè)計研究院有限公司，合肥 230601；2.匯杰思創(chuàng)(北京)建筑設(shè)計有限公司，北京 101403）

1 工程概況

本項目是在用地極其緊張的裝備產(chǎn)業(yè)園區(qū)新建大型煉鑄鍛鋼聯(lián)合廠房，建筑面積133 707.39 m2，建筑物總長度427.94 m，總寬度379.84 m，廠房最大高度40.85 m（脊高）。廠房由廢鋼車間、清鏟車間、煉鑄車間、鍛造熱處理車間、機加工車間組成，配置20～450 t 不等的吊車。廠房地上部分全部采用鋼排架結(jié)構(gòu)，屋面梁采用變截面H 形鋼梁，柱采用格構(gòu)式單階或多階排架柱，下段柱為雙肢格構(gòu)式組合柱，中間段為實腹式組合柱，上段柱為實腹式H 形鋼柱，采用獨立承臺樁基礎(chǔ)。該廠房的平面尺度、高度，工藝復(fù)雜程度均為國內(nèi)少見。聯(lián)合廠房建筑效果圖如圖1 所示。

圖1 聯(lián)合廠房建筑效果圖

2 設(shè)計基本數(shù)據(jù)

本項目抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計基本地震加速度為0.20g，地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅲ類。場地土基本凍深0.8 m?？紤]到廠房的重要程度，按百年一遇確定基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2，地面粗糙度類別為B 類?；狙簽?.35 kN/m2。屋面設(shè)計活荷載為0.5 kN/m2。吊車工作級別為A5～A7。

3 廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 排架柱選型

經(jīng)過綜合考慮各種因素，選用上柱為實腹式，中、下段柱為格構(gòu)式階形柱，根據(jù)構(gòu)造要求[1]，取柱寬為柱截面高度的1/3左右，上柱截面高度取下柱截面高度的4/5 左右，合理調(diào)整柱肢間距，使吊車梁支點均作用于吊車肢中心，初步確定排架柱主要尺寸。

對于有大噸位吊車的重型鋼結(jié)構(gòu)廠房格構(gòu)柱可以采用型鋼或者鋼管（包含鋼管混凝土）組合截面。以N 軸有4 層肩梁的復(fù)雜階形柱為例，考慮到車間的可持續(xù)發(fā)展及復(fù)雜工藝設(shè)備管道吊掛等因素的影響，柱最大應(yīng)力比按照0.8 進(jìn)行控制，兩種形式的柱截面如圖2 和圖3 所示。比較兩種形式剛架的自振周期，焊接型鋼格構(gòu)柱的自振周期更大，說明鋼管混凝土格構(gòu)柱車間的整體剛度更好。比較兩者的用鋼量，鋼管混凝土格構(gòu)柱可節(jié)約20%。

圖2 N 軸柱截面簡圖（焊接型鋼格構(gòu)柱）

圖3 N 軸柱截面簡圖（鋼管混凝土格構(gòu)柱）

考慮到鋼管混凝土格構(gòu)柱寬度相較更大，使得本身用地緊張的車間有效使用空間更有限，且現(xiàn)場施工安裝難度更大，施工周期更長，而且整個廠房吊車的噸位跨度較大（32～450 t），并不是所有跨均可采用鋼管混凝土格構(gòu)柱，若部分采用，廠房內(nèi)的視覺觀感較差，在和甲方及有經(jīng)驗的施工方在經(jīng)濟(jì)技術(shù)、材料、施工技術(shù)、施工進(jìn)度、施工質(zhì)量等方面的綜合探討比較后，最終選擇了焊接型鋼格構(gòu)柱的形式。柱腳采用構(gòu)造較為簡單、傳力性能優(yōu)越、鋼材用量較省的杯口插入式柱腳，柱腳插入深度需滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016 年版）[2]的要求。

3.2 柱間支撐的設(shè)計

本項目的吊車布置較復(fù)雜，煉鑄車間N 軸和R 軸柱列分別有4 層和3 層吊車，且就吊車噸位最大為320 t。鍛造熱處理車間D～E 軸跨，在縱向1～15 軸為高、中兩層吊車，16～21 軸取消高層吊車，僅中層一層吊車，22～29 軸新增低層吊車，共中、低兩層吊車，29～46 軸再取消中層吊車，僅低層一層吊車。根據(jù)排架柱的選型及吊車梁的布置等不同情況，并結(jié)合廠房內(nèi)部空間使用的需求，進(jìn)行柱間支撐選型設(shè)計。具體有如下形式：車間外圍柱列下柱支撐采用構(gòu)造簡單、受力明了、用料較省的十字交叉支撐；車間中間柱列下柱支撐采用了用料較多、剛度較差的門形支撐，以保證車間內(nèi)的通行暢通，以及柱間布置工藝設(shè)備的需求；中段柱根據(jù)其高度與柱距的關(guān)系，按照高度與柱距的比值由大到小，依次選用十字交叉撐、八字撐、桁架式撐的形式。從桿件受力合理、板材經(jīng)濟(jì)方面考慮，支撐傾角控制在35°～55°[3]。

3.3 吊車梁系統(tǒng)的設(shè)計

吊車梁的設(shè)計需要考慮吊車噸位及工作級別的影響，本項目吊車噸位較大（最大450 t），且工作級別為重級，不僅需要進(jìn)行疲勞驗算，而且需要控制豎向和水平向的變形[4]。吊車梁的類型有型鋼梁、吊車桁架、焊接組合工字形梁、焊接箱形梁。經(jīng)過綜合考慮，本項目宜采用后面兩種形式。焊接工字形梁承載性能良好，工作可靠，施工簡便，且易于梁截面優(yōu)化。焊接箱形梁由上下蓋板及兩側(cè)腹板組成封閉箱型梁，有較好的整體剛度和抗扭剛度，但是制作施工復(fù)雜。綜合考慮，本項目采用了焊接工字形吊車梁。為了保證柱肩梁設(shè)計的簡便安全，不同跨度的吊車梁端部采用相同的截面高度，因部分抽柱而形成大跨度的吊車梁采用了變截面高度。

焊接工字形梁腹板的耗鋼量較大，為了減少用鋼量，且還必須保證腹板的穩(wěn)定性，對于梁高大于3 m 的，計算優(yōu)化設(shè)置縱向和橫向加勁肋，通過合理控制加勁肋的間距，保證腹板在吊車動荷載作用下的穩(wěn)定性。

3.4 屋蓋系統(tǒng)的設(shè)計

屋蓋系統(tǒng)的設(shè)計不僅與建筑體型密切相關(guān)，而且需要滿足通風(fēng)、采光、排水以及部分車間的除塵功能（例如煉鑄車間）的需求，同時各構(gòu)件之間關(guān)系比較復(fù)雜，再遇到車間抽柱的情況，對屋蓋系統(tǒng)的布置更加需要重視。屋蓋系統(tǒng)的耗鋼量約占整個廠房的百分之三四十。屋蓋系統(tǒng)可采用的方案形式比較多，設(shè)計時需綜合研究，詳細(xì)比較才能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

本項目煉鑄車間各跨高低錯落，屋頂有除塵罩及大型除塵管道的布置，且有幾處抽柱的情況。鍛造熱處理車間不僅橫向高低錯落，車間沿著縱向也有幾次變高度，整個屋面形體較為復(fù)雜。經(jīng)考慮，屋蓋采用平面結(jié)構(gòu)體系，不僅能夠很好地適應(yīng)本項目的平面及豎向不規(guī)則、橫向及縱向的錯落變化，而且長遠(yuǎn)來看，也能更好地適應(yīng)廠房的改擴(kuò)建需要。

本項目采用了有檁輕型彩鋼板屋蓋，屋蓋梁選用了制作安裝較簡單的實腹式焊接變截面工字形梁，梁柱連接采用剛性連接，不僅可以滿足屋面承載需求，且能有效減小整個屋蓋系統(tǒng)的高度。屋蓋在對應(yīng)于柱間支撐的位置設(shè)置了橫向水平支撐，在邊列排架柱處、等高屋面的中柱選擇吊車噸位大的一邊或者跨度大的一邊、不等高屋面的中柱兩側(cè)設(shè)置縱向水平支撐。由于本項目柱距為12 m，屋蓋支撐布置時，采取了一級主系桿（12 m 跨）間再設(shè)二級次系桿（跨度6 m 左右），從而可以選擇截面較小的角鋼交叉支撐。

4 結(jié)語

1）重型高大工業(yè)廠房采用鋼管混凝土格構(gòu)柱和箱形吊車梁的結(jié)構(gòu)形式，通常情況下可以提高廠房的剛度、節(jié)省用鋼量。但是考慮到施工制作難易程度、施工周期的長短及車間的可持續(xù)改造發(fā)展等因素的影響，往往采用焊接型鋼格構(gòu)柱和H 形截面吊車梁的方案，其綜合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)更佳。

2）柱間支撐的布置需要根據(jù)工藝布局需要，考慮構(gòu)件傳力的合理性，構(gòu)造的難易，選擇合理經(jīng)濟(jì)的支撐形式。

3）高大廠房采用實腹式變截面工字形屋面梁和有檁輕型彩鋼屋面，屋面梁與柱剛接，可提高廠房的剛度，降低廠房整體高度，方便施工安裝且易于維護(hù)改造，整體效果較好。