丹東某鋼結(jié)構(gòu)框排架廠房用鋼量優(yōu)化

景 偉

(山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 萊蕪 271104)

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丹東某鋼結(jié)構(gòu)框排架廠房用鋼量優(yōu)化

景 偉

(山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 萊蕪 271104)

以丹東某軋鋼鋼結(jié)構(gòu)框排架廠房為例，對該廠房的用鋼量進行了優(yōu)化設(shè)計，并從計劃階段、實施階段、改進階段闡述了該廠房結(jié)構(gòu)各子系統(tǒng)的優(yōu)化組合研究過程，以合理協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，減少廠房的用鋼量。

鋼結(jié)構(gòu)，框排架廠房，支撐體系，跨度

建筑鋼結(jié)構(gòu)框排架廠房因其適用范圍廣、施工周期短而被越來越多的業(yè)主接受。建筑鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性能一直是大家較為關(guān)注的一個問題。如何控制工程造價，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)經(jīng)濟上的綜合優(yōu)勢，工程設(shè)計階段是關(guān)鍵階段。我們針對丹東某軋鋼項目鋼結(jié)構(gòu)框排架主廠房用鋼量進行優(yōu)化，以降低工程造價，實現(xiàn)資源節(jié)約最大化的目的。

1 項目簡介

丹東某軋鋼項目鋼結(jié)構(gòu)框排架主廠房位于遼寧省丹東市東港，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為丙類。當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓為0.55 kPa，基本雪壓為0.40 kPa。軋鋼主廠房包括柱系統(tǒng)、吊車梁系統(tǒng)、屋面系統(tǒng)、墻面系統(tǒng)。主廠房結(jié)構(gòu)形式采用鋼結(jié)構(gòu)框排架，共4跨，包括軋輥間、主軋跨、加熱跨和原料跨，跨度分別為18 m,24 m,18 m,27 m，軌面標(biāo)高分別為11 m,15 m,15 m,11 m，屋面最高處標(biāo)高為20.500 m。軋輥間有兩臺最大起重量分別為16 t和10 t的吊車，主軋跨有三臺最大起重量分別為20 t,16 t和10 t的吊車柱，加熱跨有三臺最大起重量分別為10 t，16 t和16 t的吊車，原料跨有四臺最大起重量分別為10 t,10 t,16 t和16 t的吊車。主廠房柱采用型鋼格構(gòu)柱和焊接H型鋼組合的雙階柱或三階柱，屋面采用變截面焊接H型鋼，吊車梁采用簡支焊接H型鋼，屋面檁條采用輕型焊接H型鋼，墻面檁條采用C型鋼。

2 要因確定

丹東軋鋼項目主要從以下幾方面進行用鋼量的控制優(yōu)化：1)結(jié)構(gòu)的支撐體系選用。2)荷載選用分析、組合。3)結(jié)構(gòu)跨度選用。4)柱距選用。5)鋼材強度選用。6)鋼材規(guī)格及材質(zhì)選用。

3 優(yōu)化過程

3.1 計劃階段

綜合考慮本工程工藝、荷載等方面的因素，制定了本次優(yōu)化的目標(biāo)：通過設(shè)計過程中合理的用鋼量優(yōu)化，使本工程用鋼量相比傳統(tǒng)做法用鋼量(約130 kg/m2)減少10%～15%。

具體控制用鋼量措施如下：

1)選用合理的結(jié)構(gòu)支撐體系。結(jié)構(gòu)支撐包括：柱間支撐和屋面水平支撐。綜合考慮溫度作用、風(fēng)荷載和吊車荷載等因素合理布置柱間支撐，滿足主廠房縱向剛度的要求。屋面水平支撐采用拉桿設(shè)計，與采用壓桿設(shè)計相比也可大大降低用鋼量。

2)合理優(yōu)化荷載的選用和組合。綜合GB 50009—2012荷載設(shè)計規(guī)范與GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對屋面活荷載的規(guī)定認為，本工程為軋鋼主廠房，通過對類似工程的比較，我們認為計算屋面梁時屋面均布活荷載標(biāo)準值取為0.3 kPa是安全可靠的，在計算檁條時可將屋面均布活荷載標(biāo)準值取為0.5 kPa。

3)在滿足工藝要求和安全可靠的前提下，結(jié)構(gòu)跨度選用以節(jié)約用鋼量為目的進行合理優(yōu)化。廠房跨度要合理，綜合考慮柱子和屋面梁用鋼量之間的平衡，使二者用鋼量之和在滿足工藝要求和安全可靠的前提下取得最優(yōu)結(jié)果。

4)在滿足工藝要求和安全可靠的前提下，合理優(yōu)化柱距。柱的縱向間距對用鋼量指標(biāo)也有較大影響。本工程結(jié)合甲方原有地基處理結(jié)果，選用9 m柱距。

5)鋼材強度的選用要考慮鋼材的彈塑性特性，充分利用材料截面的塑性發(fā)展，尤其是充分利用屋面梁腹板屈曲后的強度，以達到降低用鋼量的目的。

6)鋼材材質(zhì)和規(guī)格選用也要考慮經(jīng)濟性。鋼材的規(guī)格選用要兼顧平面內(nèi)和平面外剛度的要求，盡量選用截面力學(xué)參數(shù)優(yōu)良、截面質(zhì)量較小的規(guī)格，這樣既有良好的力學(xué)性能又節(jié)約鋼材。

3.2 實施階段

廠房結(jié)構(gòu)是一個完整的系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的優(yōu)化要相互結(jié)合，以避免個別子系統(tǒng)的優(yōu)化帶來其他子系統(tǒng)用鋼量的增加。本項目選用的計算軟件為PKPM。在優(yōu)化的過程中要滿足工藝要求和安全可靠的前提，制定力學(xué)參數(shù)的控制指標(biāo)，見表1。

表1 廠房結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的控制指標(biāo)

本工程建在已經(jīng)部分經(jīng)過地基處理的場地上，廠房柱距根據(jù)地基處理結(jié)果定為9 m，吊車梁跨度相應(yīng)確定下來。對吊車梁需要反復(fù)試算以確定最優(yōu)截面，盡量做到應(yīng)力與撓度都能滿足表2中限值的要求。

框排架跨度的選擇需要滿足考慮工藝的要求，每一跨都有相應(yīng)的分區(qū)功能。本工程軋鋼主廠房跨度在滿足工藝要求的前提下，滿足單跨跨度不超過30 m并不低于15 m。

在確定好跨度后，建立計算模型對框排架進行計算。柱肢盡量選用成品H型鋼，以方便進行制作。經(jīng)過計算本工程位移對結(jié)構(gòu)體系起控制作用，型鋼柱肢的應(yīng)力比都能控制在限值范圍內(nèi)。對型鋼柱肢分別采用三種型鋼進行試算，并比較了三種型鋼的截面物理、力學(xué)特性(見表2)。選用HN400×200×8×13能較好兼顧節(jié)約材料和廠房縱向剛度合理的要求。

表2 三種型鋼的截面物理、力學(xué)表

3.3 改進階段

經(jīng)過前階段優(yōu)化，雖然減小了總用鋼量，但可能造成不方便施工等方面的問題，并不是最優(yōu)的結(jié)果，需要進行統(tǒng)一改進。問題主要包括如下方面：吊車梁截面過多，雖然用鋼量得到優(yōu)化但制作下料較為瑣碎，不利于板材的充分利用，故將相近截面進行統(tǒng)一；柱系統(tǒng)上柱截面過小，造成人孔制作困難，統(tǒng)一將上柱截面高度改為800 mm等。

3.4 總結(jié)階段

本次優(yōu)化取得了明顯的經(jīng)濟效果：經(jīng)過設(shè)計過程中合理的用鋼量優(yōu)化，本工程主廠房用鋼量為110 kg/m2，相比傳統(tǒng)做法用鋼量減少15%。

4 結(jié)語

本次對該鋼結(jié)構(gòu)廠房用鋼量的優(yōu)化獲得了如下結(jié)論：

首先，在鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)廠房不同的工藝要求、吊車噸位，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，確定經(jīng)濟的柱距、跨度，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)廠房的優(yōu)勢，加強結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的規(guī)格化、統(tǒng)一化、標(biāo)準化工作，以提高鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化生產(chǎn)水平。

其次，鋼結(jié)構(gòu)廠房的用鋼量優(yōu)化是系統(tǒng)性的優(yōu)化，廠房的各個子系統(tǒng)要相互配合，在各個子系統(tǒng)優(yōu)化之間尋找平衡點，找到最優(yōu)結(jié)果。

再次，要在經(jīng)濟性和安全性、適用性之間尋找平衡點，使優(yōu)化具有可行性和實際意義。用鋼量的優(yōu)化能不能使結(jié)構(gòu)保持足夠的可靠性和安全性，適不適合工藝流程的要求，加工、制作、運輸、施工方不方便，這都需要設(shè)計者進行反復(fù)的驗證。所以鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化不只是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的優(yōu)化，還是整個建設(shè)系統(tǒng)的優(yōu)化，優(yōu)化要有全局的眼光。

最后，我們認為鋼結(jié)構(gòu)軋鋼主廠房具有一定的共性，這體現(xiàn)在廠房跨度、跨數(shù)、高度、吊車噸位、屋面荷載情況，類似鋼結(jié)構(gòu)主廠房用鋼量可以控制在110 kg/m2左右。

[1]包頭鋼鐵設(shè)計研究總院.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.

[3]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范.

The steel consumption optimization of a steel structure frame-bent workshop in Dandong

Jing Wei

(ShandongMetallurgicalDesignInstituteLimitedCompanybyShare,Laiwu271104,China)

Taking a rolling steel structure frame-bent plant in Dandong as an example, this paper made optimization design to this workshop steel used amounts, and from the design stage, practice stage, improvement stage elaborated the optimization combination research on this workshop each subsystem, in order to reasonably coordinate the relation between each subsystem, reduced the workshop the steel used amounts.

steel structure, frame-bent workshop, support system, span

1009-6825(2015)01-0050-02

2014-10-29

景 偉(1980- )，男，工程師

TU391

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