某高跨雙層吊車鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)

王 琴

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

某高跨雙層吊車鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)

王 琴

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

以帶有雙層吊車的某冷軋高強(qiáng)鋼高跨單層鋼結(jié)構(gòu)廠房為例，對(duì)廠房柱子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路、構(gòu)造要求、計(jì)算依據(jù)和計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行了分析和介紹，以采用更合理的結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到工程的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

鋼管混凝土，四肢格構(gòu)式柱，雙層吊車，鋼結(jié)構(gòu)廠房

1 工程概況

該工程為冷軋熱鍍鋅和高強(qiáng)鋼試驗(yàn)機(jī)組廠房，廠房縱向長度共486 m，橫向?qū)挾?7 m，廠房總建筑面積約2.77萬m2，分為兩跨，左邊跨30 m寬為熱鍍鋅機(jī)組廠房，右邊跨27 m寬為冷軋高強(qiáng)鋼試驗(yàn)機(jī)組廠房，共設(shè)10臺(tái)吊車，吊車軌頂標(biāo)高分別為15.000 m，44.000 m，64.000 m，33.500 m，工作級(jí)別為A5/A6，按廠房高度可分為低跨廠房(柱頂高度22.000 m，縱向長165 m)、中跨廠房之一(柱頂高度51.000 m，縱向長111 m)、中跨廠房之二(柱頂高度40.500 m，縱向長159 m)及高跨雙層吊車廠房(柱頂高度71.000 m，縱向長51 m)四種形式。本文主要對(duì)高跨雙層吊車廠房進(jìn)行分析，剛架立面圖如圖1所示。

建設(shè)地區(qū)基本風(fēng)壓w0=0.45 kN/m2，基本雪壓S0=0.55 kN/m2，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類。

2 結(jié)構(gòu)體系

該廠房所在地為北方采暖地區(qū)，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表8.1.5的要求，采暖房屋縱向溫度區(qū)段控制值為220 m，設(shè)計(jì)時(shí)在低跨廠房、中跨廠房及高跨雙層吊車廠房分界處設(shè)置伸縮縫，每一區(qū)段均符合要求。

廠房采用框排架結(jié)構(gòu)，橫向采用剛架受力體系，縱向由排架柱、柱間支撐、系桿及吊車梁系統(tǒng)組成。高跨雙層吊車廠房下階柱采用四肢格構(gòu)式鋼管混凝土柱，沿縱向在下柱中部設(shè)置管廊桁架(兼作系桿)，中階柱采用四肢格構(gòu)式鋼管柱，鋼管中不填充混凝土；廠房上階柱和屋面梁均采用H型鋼。

3 廠房柱結(jié)構(gòu)方案的比較

單層廠房柱下階柱常用形式為H型鋼格構(gòu)式柱和鋼管混凝土格構(gòu)式柱，鋼管混凝土格構(gòu)式柱有兩肢和四肢兩種類型。

3.1 H型鋼格構(gòu)式柱

當(dāng)廠房高度較高、吊車起重量較大時(shí)，廠房下柱常采用H型鋼格構(gòu)式柱，一般在吊車梁下設(shè)置一個(gè)柱肢，其受力合理、側(cè)向剛度較大，相對(duì)于實(shí)腹式柱可大大節(jié)省鋼材量，是一種結(jié)構(gòu)計(jì)算和施工都很成熟的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 鋼管混凝土格構(gòu)式柱

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是指在鋼管之內(nèi)填充混凝土而形成的組合構(gòu)件，由于鋼管對(duì)混凝土的約束緊箍效應(yīng)，當(dāng)鋼管混凝土柱受壓時(shí)混凝土處于三向受壓狀態(tài)，大大提高了混凝土的抗壓承載力，能充分利用混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)混凝土的存在也能克服鋼管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生局部屈曲的缺點(diǎn)，因而該結(jié)構(gòu)能更有效地發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)。從視覺上看，鋼管混凝土格構(gòu)柱外形更輕盈、美觀。

3.3 經(jīng)濟(jì)性比較

該工程初步設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)剛架柱結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較，采用PKPM軟件對(duì)下階柱和中階柱采用H型鋼格構(gòu)式柱、兩肢鋼管混凝土格構(gòu)式柱和四肢鋼管混凝土格構(gòu)式柱的情況分別進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見表1。從表中結(jié)果可以看出，在計(jì)算應(yīng)力相差不大時(shí)，采用H型鋼格構(gòu)柱時(shí)的鋼材量比鋼管混凝土格構(gòu)式柱的鋼材料要大很多，而在風(fēng)荷載作用下的柱頂位移1/330遠(yuǎn)小于采用鋼管混凝土格構(gòu)式柱時(shí)的1/415和1/475，不滿足規(guī)范要求的1/400，這表明鋼管混凝土格構(gòu)式柱比H型鋼格構(gòu)式柱有更好的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度和更大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，柱子的用鋼量也可大大降低；與兩肢鋼管混凝土格構(gòu)式柱相比，四肢鋼管混凝土格構(gòu)式柱所用鋼材重量略多，而鋼管內(nèi)填充混凝土少，但四肢鋼管混凝土側(cè)向更穩(wěn)定，鋼管混凝土的強(qiáng)度能更充分地利用起來，根據(jù)《CECS 28—2012 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》第4.1.8條，鋼管混凝土柱長細(xì)比不宜大于80，而該工程下柱較高，采用兩肢、四肢格構(gòu)式柱時(shí)柱長細(xì)比分別為113，67，顯然采用兩肢格構(gòu)式柱不符合規(guī)范要求，故最終設(shè)計(jì)時(shí)采用四肢鋼管混凝土格構(gòu)式柱。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由于該高跨雙層吊車廠房上層吊車軌頂標(biāo)高較高，為64 m，中階柱高度有20 m，考慮施工的方便可行性，且以防從柱底采用泵送頂升澆灌法澆灌時(shí)壓力過大引起鋼管薄弱處爆裂，在計(jì)算允許的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)中階柱采用四肢鋼管柱，鋼管內(nèi)不填充混凝土，在下層肩梁標(biāo)高以上1 m鋼管拼接點(diǎn)處設(shè)置盲板，以擋住混凝土上升，相應(yīng)肩梁處鋼管側(cè)面開泄流孔和泄氣孔。

4 廠房剛架的計(jì)算與設(shè)計(jì)

4.1 剛架計(jì)算

廠房剛架按平面剛架進(jìn)行計(jì)算，采用PKPM軟件進(jìn)行計(jì)算，下階柱按四肢鋼管混凝土格構(gòu)式柱輸入，中階柱按四肢鋼管柱輸入，屋面梁與上柱剛接。剛架計(jì)算中格構(gòu)式柱的應(yīng)力比為構(gòu)件考慮偏心率影響的整體承載力折減系數(shù)和長細(xì)比影響的整體承載力折減系數(shù)后其作用軸力與整體承載力的比值，基于此，選擇合適的柱肢距比較關(guān)鍵；在滿足整體承載力要求的同時(shí)應(yīng)注意單肢承載力也需滿足要求。計(jì)算結(jié)果表明，由風(fēng)荷載引起的柱內(nèi)力為地震荷載的5倍以上，風(fēng)荷載在此類高跨廠房內(nèi)力組合中起絕對(duì)控制作用，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》將風(fēng)荷載作用下的柱頂位移控制在1/400以內(nèi)。

4.2 型鋼柱、梁板件寬厚比及構(gòu)件長細(xì)比限制

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.2.14條第2款及條文說明，輕屋蓋廠房塑性耗能區(qū)板件寬厚比限值可根據(jù)其承載力的高低按性能目標(biāo)確定；塑性耗能區(qū)外的板件寬厚比限值，可按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用。因該工程地震作用不起控制作用，所有剛架均按2倍多遇地震作用組合計(jì)算并不影響計(jì)算結(jié)果，則按抗規(guī)9.2.14條條文說明，型鋼柱和屋面梁板厚比可按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求采用。鋼管混凝土格構(gòu)式柱構(gòu)件按CECS 28—2012 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范長細(xì)比不宜大于80，其他構(gòu)件可按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》單層廠房柱長細(xì)比不超過150的規(guī)定控制。

4.3 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

由于鋼管混凝土柱系四肢柱，下階柱與中階柱、中階柱與上柱的肩梁構(gòu)造要比兩肢柱肩梁復(fù)雜得多，肩梁類似于四條腿的桌子，肩梁處鋼管均須開十字形槽口插入肩梁腹板，肩梁上下蓋板開施工用人孔，而吊車梁突緣支座作用點(diǎn)位于鋼管兩肢連線的中點(diǎn)處，其下腹板厚度按計(jì)算確定。該肩梁施工精度要求較高、鋼管開槽口插入肩梁腹板時(shí)對(duì)接困難，施工難度較大，用鋼量也多。

柱腳構(gòu)造采用鋼管柱肢直接插入基礎(chǔ)杯口基礎(chǔ)的形式，鋼管插入深度不小于單肢鋼管直徑的2.5倍或格構(gòu)式柱總寬度的一半，當(dāng)柱底所受彎矩或拉力較大時(shí)鋼管插入杯口深度按計(jì)算確定，插入式柱腳比一般剛接柱腳構(gòu)造簡單，施工方便，且用鋼量少。

5 結(jié)語

四肢鋼管混凝土柱應(yīng)用于較高的帶有雙層吊車的單層廠房，能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)承載力高、平面內(nèi)和平面外剛度均較大的特性，相對(duì)用鋼量少，結(jié)構(gòu)體系合理可靠，可以取得最佳經(jīng)濟(jì)效果。

[1] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] CECS 28—2012，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[4] 鄭 聰.某重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)[J].福建建筑，2012(8):15.

[5] 種道坦，李新泰.某門式輕鋼廠房加固及分析[J].山西建筑，2014，40(2)：56-58.

The steel structure workshop design of a high span double-layer crane

Wang Qin

(SouthChinaMetallurgicalEngineeringTechnologyLimitedCompany,Wuhan430223,China)

Taking a cold rolled high strength steel high span monolayer steel structure workshop with double crane as an example, this paper respectively analyzed and introduced the structure design idea, construction requirements, calculation basis and calculation results of plant column subsystem, so as to use more reasonable structure form, to achieve the economic and safety of engineering.

steel tube concrete, limb lattice column, double crane, steel structure workshop

2015-01-04

王 琴(1983- )，男，工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師

1009-6825(2015)08-0061-02

TU391

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