某大型煉鑄鍛鋼聯(lián)合廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

林振楊，申秀秀

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

1 工程概況

本項(xiàng)目是某裝備產(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(zhǎng)度427.94 m， 總寬度379.84 m，廠房最大高度40.85 m（脊高）。 聯(lián)合廠房由廢鋼車間、清鏟車間、煉鑄車間、鍛造熱處理車間、機(jī)加工車間組成，各車間平面布置如圖1 所示。 廢鋼車間為南北向兩連跨，跨度依次為21 m，24 m，柱距有9.7 m、12 m 兩種，第一、二軸線分別有一處抽柱，吊車最大噸位為100 t。清鏟車間為東西向三連跨，跨度依次為24 m、24.9 m、30 m，柱距有12 m、18 m 兩種，吊車最大噸位為300 t。煉鑄車間為南北向五聯(lián)跨，跨度依次為20.9 m、30.4 m、32 m、24.4 m、18.2 m，柱距有9.7 m、12 m、18 m三種，第四、五軸線柱子分別有3 處抽柱，吊車最大噸位為320 t，其中第二、三跨為雙層吊車，煉鑄車間屋頂設(shè)有荷載較大的除塵罩及除塵管道等設(shè)施。 鍛造熱處理車間與機(jī)加工車間為南北向六聯(lián)跨， 跨度依次為33.2 m、30 m、18 m、33 m、26.1 m、33 m，吊車最大噸位為450 t。 其中第四跨從西向東先由高層、中層共兩層吊車變換為中層一層吊車，再變換成中層、低層兩層吊車，最后再變換成低層一層吊車，第六跨從西向東，先由高層一層吊車變?yōu)楦邔印?低層兩層吊車， 再變?yōu)榈蛯右粚拥踯嚒?廠房屋面及墻面采用彩色保溫壓型鋼板圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖1 聯(lián)合廠房各車間平面示意圖

2 工程項(xiàng)目特點(diǎn)

本項(xiàng)目位于智能高端裝備產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，建設(shè)用地非常緊張，在限定的用地范圍， 需要將數(shù)量繁多的工藝工段合理布置完善，導(dǎo)致了車間縱橫跨交織，高低跨相連，吊車層數(shù)的反復(fù)變化。 車間內(nèi)部設(shè)備布置緊湊，嚴(yán)重?cái)D壓了廠房鋼柱基礎(chǔ)承臺(tái)的空間，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。 車間安裝多層吊車且噸位較大，吊車層數(shù)變化多且軌高錯(cuò)落布置，柱網(wǎng)變化多且有抽柱大跨度，大大增加了結(jié)構(gòu)分析的工作量和構(gòu)造設(shè)計(jì)的難度。工藝設(shè)備種類繁多，鑄鋼平臺(tái)、電爐設(shè)備、鑄造坑、排屑溝槽、大型壓機(jī)、數(shù)控機(jī)床設(shè)備等幾乎布滿整個(gè)廠房地面，不僅平面位置上要與廠房基礎(chǔ)協(xié)調(diào)，縱向深度上亦要考慮避讓。

3 廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 平面布置和豎向布置

重型煉鑄鍛鋼聯(lián)合廠房的平面布置和選型是一個(gè)系統(tǒng)工程， 需要考慮的因素很多。 必須考慮工藝布局和建筑使用要求，結(jié)構(gòu)安全技術(shù)要求，經(jīng)濟(jì)合理性要求，工期要求，施工技術(shù)及地質(zhì)氣候等自然條件。 考慮工藝布局、吊車起重量及廠房的經(jīng)濟(jì)性、標(biāo)準(zhǔn)化，車間柱距采用12 m 的標(biāo)準(zhǔn)柱距，部分地方應(yīng)工藝設(shè)備和生產(chǎn)需要，抽柱形成24 m 柱距，縱向車間與橫向車間因設(shè)縫，柱距調(diào)整為9.7 m。 車間跨度根據(jù)吊車通行所需的最小寬度，并依據(jù)吊車輪壓等設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算分析排架柱的截面尺寸，進(jìn)而確定各排架柱的插入距。

廠房車間豎向高度確定：首先，根據(jù)生產(chǎn)工藝需求確定吊車的軌頂標(biāo)高；其次，考慮吊車上部留有足夠的安全空間；再次，考慮車道頂部管線的安裝空間；最后，計(jì)算分析屋架梁的高度，綜合確定車間排架的高度。

3.2 吊車荷載確定

根據(jù)GB 55001—2021《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》[1]規(guī)定安裝多臺(tái)起重機(jī)的廠房應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算參與組合的起重機(jī)數(shù)量， 根據(jù)GB 50009—2012 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]（以下簡(jiǎn)稱《荷載規(guī)范》）規(guī)定：計(jì)算排架考慮豎向荷載時(shí)，單層多跨廠房不宜多于4 臺(tái)； 雙層多跨廠房宜按上下層分別不多于4 臺(tái)進(jìn)行組合，且下層吊車滿載時(shí)，上層吊車按空載計(jì)算，上層吊車滿載時(shí)，下層吊車不計(jì)入。 計(jì)算水平荷載時(shí)，吊車臺(tái)數(shù)不應(yīng)多于2 臺(tái)。 當(dāng)計(jì)算吊車梁或制動(dòng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定、豎向撓度以及連接時(shí)，應(yīng)按實(shí)際情況考慮吊車組合臺(tái)數(shù)，但不多于2 臺(tái)，可按較大荷載的2 臺(tái)吊車同時(shí)緊靠， 輪壓位于梁上最不利位置計(jì)算。 當(dāng)計(jì)算吊車梁或制動(dòng)結(jié)構(gòu)疲勞和水平撓度時(shí)，按1 臺(tái)最大重級(jí)吊車考慮。

本項(xiàng)目R、U 軸抽柱處柱距最大為24 m，相鄰柱距為12 m，R 軸處吊車布置情況為左側(cè)上層（29.5 m 跨）2 臺(tái)320 t（12.8 m寬），下層（27.5 m 跨）1 臺(tái)260 t（15.5 m 寬）、2 臺(tái)150 t（11.5 m寬）、1 臺(tái)80 t、1 臺(tái)32 t，R 軸右側(cè)（22 m 跨）1 臺(tái)150 t、1 臺(tái)125 t（10.2 m 寬）、1 臺(tái)32 t、2 臺(tái)20 t，R 軸兩側(cè)共計(jì)12 臺(tái)吊車。 N軸線左右各兩層，共計(jì)15 臺(tái)吊車，為吊車數(shù)量最多處。 經(jīng)與甲方生產(chǎn)部門及工藝專業(yè)溝通確定，R 軸處排架柱設(shè)計(jì)時(shí)，24 m柱距左側(cè)上層考慮2 臺(tái)320 t 吊車， 下層考慮最不利的1 臺(tái)260 t+1 臺(tái)150 t 吊車， 右側(cè)考慮1 臺(tái)150 t+1 臺(tái)125 t 吊車。12 m 柱距左側(cè)上層考慮1 臺(tái)320 t，下層考慮1 臺(tái)260 t，右側(cè)考慮1 臺(tái)150 t 吊車。

3.3 風(fēng)荷載的計(jì)算

本項(xiàng)目由幾大生產(chǎn)工藝組成聯(lián)合廠房， 整體上縱向和橫向均高低錯(cuò)落，特別是煉鑄車間、鍛造熱處理-機(jī)加工車間的剛架形體，《荷載規(guī)范》[2]和GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[3]（以下簡(jiǎn)稱《門剛規(guī)范》），均沒有較為匹配的體型。 《門剛規(guī)范》風(fēng)荷載體型系數(shù)取值有前置條件是房屋高度不大于18 m，本項(xiàng)目檐口高度均在20 m 以上，因此，體型系數(shù)取值主要參照《荷載規(guī)范》，按下列情況分別考慮。

1）廢鋼車間與清理車間形體較為規(guī)整，符合封閉式雙坡屋面，計(jì)算排架時(shí)，風(fēng)荷載體型系數(shù)參照《荷載規(guī)范》表8.3.1第2 項(xiàng)取值。

2）煉鑄車間形體在《荷載規(guī)范》內(nèi)未有完全匹配的，比較近似于 “封閉式不等高不等跨且中跨帶天窗的三跨雙坡屋面”，風(fēng)荷載體型系數(shù)參考《荷載規(guī)范》表8.3.1 第13 項(xiàng)取值。

3）鍛造熱處理機(jī)加工車間形體在縱向方向有3 次較大變化。 1～21 軸鍛造熱處理車間與機(jī)加工車間相間的露天跨無(wú)屋頂，兩車間體型系數(shù)分別參照《荷載規(guī)范》表8.3.1 第14 項(xiàng)、第2 項(xiàng)取值。 22～33 軸范圍兩車間的露天跨有屋頂，且露天跨為單面開敞式屋頂。 露天跨體系系數(shù)參考《荷載規(guī)范》表8.3.1 第26 項(xiàng)取值， 其他跨參照 《荷載規(guī)范》 表8.3.1 第8 項(xiàng)（29～33軸）、第14 項(xiàng)（22～29 軸）取值。34～46 軸封閉三跨雙坡屋面，體型系數(shù)參照《荷載規(guī)范》表8.3.1 第8 項(xiàng)取值。

4）計(jì)算墻面和屋面檁條時(shí)，《門剛規(guī)范》對(duì)體型系數(shù)按角部、中間區(qū)、邊區(qū)進(jìn)行區(qū)域區(qū)分，且不利區(qū)域體型系數(shù)比《荷載規(guī)范》取值大，故按《門剛規(guī)范》最不利區(qū)域取大值進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.4 縱橫向溫度應(yīng)力分析

GB 55006—2021《鋼結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》[4]強(qiáng)調(diào)，剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置必要的縱向和橫向溫度區(qū)段， 每個(gè)溫度區(qū)段應(yīng)設(shè)置支撐系統(tǒng)，保證各區(qū)段空間穩(wěn)定。 本項(xiàng)目依據(jù)各生產(chǎn)車間的工藝要求，利用縱橫向車間布置形成的縫、車間之間的露天跨等條件劃分了廢鋼車間、清鏟車間、煉鑄車間、機(jī)加車間、鍛造熱處理車間等相對(duì)獨(dú)立的溫度區(qū)段。 機(jī)加車間與鍛造熱處理車間露天跨相連接的部分剛架橫向長(zhǎng)度為175 m，超過(guò)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]規(guī)定的150 m 限值。 考慮到超過(guò)不多，且屋面橫向高低錯(cuò)層，橫向不設(shè)伸縮縫，且不同高度的屋面可各自釋放一定的溫度應(yīng)力，因此，可不考慮橫向溫度應(yīng)力的影響。

本項(xiàng)目廢鋼車間總長(zhǎng)度346 m， 遠(yuǎn)超過(guò)鋼標(biāo)250 m 的限值，故在其中間位置26 軸處設(shè)伸縮縫，布置雙柱。 機(jī)加鍛造熱處理車間縱向長(zhǎng)度為426 m， 結(jié)合縱向吊車布置變化的情況，選擇在21 軸處設(shè)伸縮縫布置雙柱。 鍛造熱處理車間從21 軸至46 軸有240 m 長(zhǎng)， 不過(guò)在其中間部位29 軸處縱向屋面有高低錯(cuò)落，可以釋放縱向溫度應(yīng)力，因此，整個(gè)大聯(lián)合廠房在縱向亦可不考慮溫度應(yīng)力的影響。 當(dāng)前建設(shè)過(guò)程的聯(lián)合廠房如圖2 所示。

圖2 建設(shè)過(guò)程中的聯(lián)合廠房鳥瞰圖

3.5 車間抽柱設(shè)計(jì)分析

根據(jù)工藝布置需求，本項(xiàng)目廢鋼車間在28 軸線有兩處抽柱，一邊柱和一中柱；煉鑄車間分別在24 軸抽兩中柱和在28軸線上抽兩中柱和一邊柱。 抽柱處廠房要注意以下主要問(wèn)題：一是吊車梁跨度增大， 大跨度吊車梁的設(shè)計(jì)尤其要考慮變形的控制；二是屋面結(jié)構(gòu)布置需要考慮托梁的布置，托梁的計(jì)算及構(gòu)造、節(jié)點(diǎn)連接需要特別注意；三是為防止抽柱使得廠房整體剛度變?nèi)酰?應(yīng)設(shè)置縱向水平支撐協(xié)調(diào)抽柱榀剛架與標(biāo)準(zhǔn)榀剛架的變形。

在對(duì)抽柱榀剛架的計(jì)算分析中，托梁的模擬有兩種方法：一是增設(shè)上下鉸接的虛擬柱模擬托梁的作用， 虛擬柱的變形要與托梁的豎向變形相互協(xié)調(diào)； 二是利用軟件里面的彈簧支座模擬托梁作用。 本項(xiàng)目采用軟件中添加彈簧支座的方法來(lái)計(jì)算分析。

托梁與剛架梁連接一般有平接和搭接兩種方式。 采用平接時(shí)，剛架梁頂與托梁頂位于同一標(biāo)高，可節(jié)省廠房空間或者降低廠房整體高度，而采用搭接時(shí)，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造更簡(jiǎn)單，施工更便利，但是剛架梁的變形易使托梁扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。 綜合考慮，本項(xiàng)目采用托梁與剛架梁平接的做法，連接節(jié)點(diǎn)如圖3 所示。

圖3 托梁連接節(jié)點(diǎn)圖（單位：mm）

4 結(jié)語(yǔ)

1）本項(xiàng)目用地緊張，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的合理布置優(yōu)化，使廢鋼、熔煉、鑄造、熱處理、清鏟、機(jī)加工等生產(chǎn)系統(tǒng)及所屬工段自成一體互不干擾，相互間較好地銜接成一聯(lián)合整體，滿足了工藝生產(chǎn)的需求，取得了較高性價(jià)比。

2）對(duì)于柱距較大的多層吊車（噸位較大、重級(jí)工作制）多跨廠房，計(jì)算吊車荷載時(shí)，應(yīng)按實(shí)際布置及使用情況以及荷載的作用效應(yīng)，合理確定不同工況、不同效應(yīng)下參與組合的吊車臺(tái)數(shù)。 風(fēng)荷載的體型系數(shù)應(yīng)按實(shí)際情況分別考慮。

3）大型聯(lián)合廠房由于平面尺寸相當(dāng)大，需要關(guān)注縱橫向的溫度應(yīng)力分析， 盡量通過(guò)采取設(shè)置伸縮縫及有關(guān)構(gòu)造措施避免溫度應(yīng)力的影響。

4）廠房抽柱處應(yīng)注意合理設(shè)置縱橫向屋面支撐以加強(qiáng)整體剛度，注意托梁的模擬分析和節(jié)點(diǎn)連接方式。