熱連軋項(xiàng)目成品庫(kù)廠房經(jīng)濟(jì)柱距分析

劉 慧，楊志娟，王 濤

(中冶東方工程技術(shù)有限公司,山東 青島 266555)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)建筑發(fā)展日益成熟,目前國(guó)內(nèi)1580,1780,2250等熱連軋項(xiàng)目日益增多,工藝生產(chǎn)需求熱連軋項(xiàng)目中成品庫(kù)廠房柱距多為9 m～15 m,跨度多為27 m～33 m,配置吊車起重量40 t～50 t,吊車軌面12 m～15 m。考慮到業(yè)主越來(lái)越重視廠房的經(jīng)濟(jì)性,該類廠房設(shè)計(jì)時(shí)滿足工藝要求的前提下,廠房柱距盡量經(jīng)濟(jì)、合理[1]。本文結(jié)合實(shí)際工程對(duì)1780熱連軋工程中成品庫(kù)廠房在滿足工藝需求的前提下,計(jì)算分析不同柱距時(shí)廠房各系統(tǒng)的鋼材量指標(biāo),給出該類廠房合理的經(jīng)濟(jì)柱距。

1 廠房設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 材質(zhì)選擇

在設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合市場(chǎng)供應(yīng)情況優(yōu)先選用易于采購(gòu)的鋼材規(guī)格。目前工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中常用Q355鋼、Q235鋼,Q355鋼強(qiáng)度高于Q235鋼,加之市場(chǎng)上這兩種鋼材差價(jià)不大,一般為200元/t～300元/t,因此在強(qiáng)度控制構(gòu)件截面的情況下,鋼結(jié)構(gòu)廠房?jī)?yōu)先考慮選用Q355鋼。

1.2 結(jié)構(gòu)體系及截面選用

廠房的結(jié)構(gòu)布置需要綜合生產(chǎn)工藝需求、經(jīng)濟(jì)性要求又要保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和吊車運(yùn)行的安全性[2]。本次設(shè)計(jì)中成品庫(kù)廠房橫向采用剛接剛架體系,剛架梁采用焊接工字形變截面梁,變截面梁加工制作不及等截面梁容易,但截面變化形式符合梁的彎矩圖,用于大跨度車間利于節(jié)約鋼材。上柱采用焊接工字形截面,下柱采用鋼管混凝土柱,該類柱施工相比型鋼柱周期長(zhǎng),但節(jié)約鋼材[3]。柱下端與基礎(chǔ)固接,采用插入式柱腳。廠房縱向傳力體系由廠房柱、吊車梁或輔助桁架、系桿、柱間支撐組成。

屋蓋支撐需有效傳遞和分配風(fēng)荷載、吊車水平荷載和地震作用,保證屋蓋各構(gòu)件單元的穩(wěn)定性,并滿足結(jié)構(gòu)空間整體工作的要求。在廠房的每一個(gè)溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段中均應(yīng)設(shè)置獨(dú)立完整的屋蓋支撐體系[4]。屋蓋支撐可有效承擔(dān)和傳遞水平力,減小桿件的計(jì)算長(zhǎng)度。屋蓋結(jié)構(gòu)主要由屋面梁、檁條、支撐系統(tǒng)等組成,檁條采用高頻焊接H型鋼,檁條下設(shè)置隅撐以作為屋面梁下翼緣的側(cè)向支點(diǎn)。

吊車梁采用焊接H型鋼,吊車梁頂面設(shè)制動(dòng)板。廠房邊列設(shè)置輔助桁架,吊車梁下翼緣與輔助桁架下弦之間設(shè)置水平支撐。

墻架系統(tǒng)為全鋼結(jié)構(gòu)[5]?？v墻墻皮柱上端用彈簧板與天溝或屋面檁條等縱向構(gòu)件連接,中間與吊車梁輔助桁架相連傳遞水平力并作為墻皮柱平面內(nèi)支點(diǎn)。山墻墻皮柱上端與剛架梁用彈簧板連接,傳遞水平力,中間借助與吊車梁相連的山墻檢修走道作為墻皮柱平面內(nèi)支點(diǎn)。墻皮柱采用軋制工字鋼或焊接H型鋼,墻面檁條均采用冷彎薄壁C型鋼,檁條與墻皮柱用螺栓連接。山墻處按工藝需求設(shè)置吊車檢修走道。

1.3 廠房跨度及柱距分析

廠房柱距根據(jù)工藝布置、吊車起重量的不同,一般可采用6 m～24 m,荷載對(duì)跨度的影響大,而總的用鋼量又受跨度影響明顯,實(shí)際工程中合理的跨度在18 m～24 m。一般單層廠房建筑高度、跨度、柱距都是設(shè)計(jì)中影響經(jīng)濟(jì)性的因素,設(shè)計(jì)者應(yīng)結(jié)合高度和跨度的使用要求及荷載情況綜合考慮[6]。

廠房柱距的合理性尤為重要,柱距過(guò)大、過(guò)小都會(huì)使得用鋼量增加。柱距大檁條及屋面支撐等的用鋼量增加,總的剛架數(shù)量少了,剛架的用鋼量又會(huì)降低[7]。考慮到熱連軋項(xiàng)目中成品庫(kù)廠房吊車噸位不大,采用大柱距18 m～24 m時(shí)剛架梁柱截面、吊車梁截面加大,柱距大于12 m時(shí)屋面檁條用高頻焊接H型鋼代替冷彎薄壁C型鋼,柱距超過(guò)18 m時(shí)檁條截面明顯增大。結(jié)合實(shí)際工程,熱連軋項(xiàng)目中成品庫(kù)廠房的合理柱距范圍為12 m～15 m。

2 廠房柱距設(shè)計(jì)分析

2.1 工程簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)參數(shù)

本文結(jié)合實(shí)際工程石橫特鋼1780熱連軋綠色智能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目,該工程建設(shè)地為山東省泰安市。本工程安全等級(jí)為二級(jí),主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a,場(chǎng)區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度,基本地震加速度值為0.10g,地震分組為第二組。基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2(重現(xiàn)期為50 a),地面粗糙度為B類,基本雪壓為0.4 kN/m2(重現(xiàn)期為100 a)。

成品庫(kù)廠房為單層兩跨鋼結(jié)構(gòu)廠房,跨度為2×30 m,基本柱距為12.0 m,少數(shù)柱距為15.0 m,廠房總長(zhǎng)度為198 m,軸線面積為11 880 m2。成品庫(kù)屋面采用現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合(保溫)彩色壓型鋼板,彩板采用0.8 mm厚YX51-380-760型(角馳Ⅲ),彩板下部鋪50 mm厚超細(xì)玻璃絲綿。外墻標(biāo)高0.900 m以下為240 mm厚磚墻,標(biāo)高0.900 m以上外墻采用單層彩色壓型鋼板。剛架、檁條、墻梁及圍護(hù)結(jié)構(gòu)體型系數(shù)按文獻(xiàn)[8]GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范取值。屋面恒載(含檁條自重)為0.35 kN/m2,屋面活荷載為0.5 kN/m2。成品庫(kù)按工藝要求設(shè)置吊車,吊車軌面標(biāo)高為13.000 m,參數(shù)及運(yùn)行范圍見表1。

表1 吊車參數(shù)表

2.2 廠房結(jié)構(gòu)布置

以12 m柱距為例,給出成品庫(kù)剛架及柱間支撐布置示意圖,詳見圖1。成品庫(kù)廠房總長(zhǎng)度198 m,未超過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為金屬壓型板的房屋縱向溫度區(qū)段250 m的要求,故不需設(shè)置溫度伸縮縫。建設(shè)所在地抗震設(shè)防烈度為7度,廠房長(zhǎng)度大于150 m,故需設(shè)兩道下柱支撐,下柱支撐在溫度區(qū)段內(nèi)對(duì)稱設(shè)置,兩道下柱支撐的中點(diǎn)到縱向溫度區(qū)端頭距離為97.5 m,不大于溫度區(qū)段長(zhǎng)度的60%。

圖2為屋面檁條及支撐布置示意圖,檁條作為屋面支撐的縱向系桿。支撐作為檁條的側(cè)向支點(diǎn),滿足檁條對(duì)整體穩(wěn)定性的要求,這種構(gòu)件功能的擴(kuò)展可起到降低結(jié)構(gòu)耗鋼量的作用。屋面橫向支撐在廠房每個(gè)溫度區(qū)段兩端第一個(gè)柱距區(qū)間內(nèi)各設(shè)一道,當(dāng)溫度區(qū)段長(zhǎng)度較大時(shí)須在廠房中部增設(shè)屋面橫向支撐,其凈距不宜超過(guò)60 m。成品庫(kù)布置6道橫向支撐,兩側(cè)邊柱設(shè)置屋面縱向支撐,詳見圖2。

成品庫(kù)為等高兩跨,柱頂高度18.8 m,設(shè)有起重量40/5 t的A6吊車,詳見圖3。剛架下柱邊列肢寬1 600 mm,中列柱肢寬2 000 mm,柱肢采用D406×8鋼管混凝土柱,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。上柱截面高度800 mm,變截面剛架梁高度為1 000 mm～800 mm,800 mm,800 mm～1 200 mm。根據(jù)柱距不同調(diào)整梁柱截面板的寬度和厚度。

2.3 一個(gè)柱間各系統(tǒng)用鋼量分析

本文擬定成品庫(kù)廠房的基本柱距為12 m,13.5 m,15 m三種,計(jì)算各系統(tǒng)在一個(gè)柱間的用鋼量,表2—表5分別列出三種柱距下剛架系統(tǒng)、屋面系統(tǒng)、吊車梁系統(tǒng)、墻面系統(tǒng)用鋼量以及折算成單位面積用鋼量情況。

表2 剛架系統(tǒng)鋼材量

表3 屋面系統(tǒng)鋼材量

表4 吊車梁系統(tǒng)鋼材量

表5 墻面系統(tǒng)鋼材量

剛架系統(tǒng)用鋼量隨柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)用鋼量分別增加0.3 t,0.9 t,增幅分別為1.4%,4.2%。

剛架系統(tǒng)單位面積用鋼量隨柱距增大而減少,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別減少了3.0 kg/m2,5.0 kg/m2,減少幅度分別為10.0%,16.7%。

屋面系統(tǒng)的用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別增加了3.7 t,5.9 t,增幅分別為26.2%,41.8%。

屋面系統(tǒng)單位面積用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別增加了2.5 kg/m2,2.8 kg/m2,增加幅度分別為12.8%,14.4%。

13.5 m柱距增至15 m柱距時(shí)屋面系統(tǒng)單位面積用鋼量增大0.3 kg/m2,增幅為1.4%,單位面積用鋼量增加不明顯。

吊車梁系統(tǒng)的用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別增加了4.7 t,10.5 t,增幅分別為16.9%,37.8%。

吊車梁系統(tǒng)單位面積用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別增加了1.5 kg/m2,3.9 kg/m2,增加幅度分別為3.9%,10.1%。

墻面系統(tǒng)的用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別增加了0.8 t,1.6 t,增幅分別為20.0%,40.0%。

墻面系統(tǒng)單位面積用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別增加了0.4 kg/m2,0.7 kg/m2,增加幅度分別為7.1%,12.5%。

2.4 廠房各系統(tǒng)用鋼量分析

本文擬定成品庫(kù)廠房的基本柱距分別為12 m,13.5 m,15 m,計(jì)算各個(gè)系統(tǒng)的用鋼量。表6—表9分別列出了剛架系統(tǒng)、屋面系統(tǒng)、吊車梁系統(tǒng)、墻面系統(tǒng)在上述三種柱距時(shí)的用鋼量及單位面積用鋼量。

表6 剛架系統(tǒng)鋼材量

表7 屋面系統(tǒng)鋼材量

表8 吊車梁系統(tǒng)鋼材量

表9 墻面系統(tǒng)鋼材量

剛架系統(tǒng)用鋼量隨著柱距增大而減少,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別減少了18.5 t,33.6 t,單位面積用鋼量分別減少了1.6 kg/m2,2.9 kg/m2,減少幅度分別為4.3%,7.8%。

13.5 m柱距增至15 m柱距時(shí)剛架系統(tǒng)用鋼量減少15.1 t,單位面積用鋼量減少1.3 kg/m2,降幅為3.7%。

屋面系統(tǒng)用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別增加了27.8 t,38.0 t,單位面積用鋼量分別增加了2.3 kg/m2,3.2 kg/m2,增加幅度分別為8.3%,11.3%。

13.5 m柱距增至15 m柱距時(shí)屋面系統(tǒng)用鋼量增加10.2 t,單位面積用鋼量增加1.7 kg/m2,增幅為2.9%。

吊車梁系統(tǒng)用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別增加了7.5 t,28.1 t,單位面積用鋼量分別增加了0.7 kg/m2,2.4 kg/m2,增加幅度分別為1.8%,6.1%。

13.5 m柱距增至15 m柱距時(shí)吊車梁系統(tǒng)用鋼量增加20.6 t,單位面積用鋼量增大1.7 kg/m2,增幅為4.3%。

墻面系統(tǒng)用鋼量隨著柱距增大而增加。與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別增加了2.4 t,4.6 t,單位面積用鋼量分別增加了0.2 kg/m2,0.4 kg/m2,增加幅度分別為1.6%,3.2%,增加不明顯。

13.5 m柱距增至15 m柱距時(shí)墻面梁系統(tǒng)用鋼量增加2.2 t,單位面積用鋼量增大0.2 kg/m2,增幅為1.6%。

圖4表示出了各個(gè)系統(tǒng)在12 m,13.5 m,15 m柱距時(shí)鋼材用量,從圖4中可以看出剛架系統(tǒng)的用鋼量隨著柱距增大而減小,屋面系統(tǒng)、吊車梁系統(tǒng)及墻面系統(tǒng)用鋼量均隨柱距增大而增大,其中墻面系統(tǒng)用鋼量增加幅度較小。

2.5 廠房總用鋼量分析

廠房總用鋼量如表10所示。

表10 廠房總鋼材量

廠房總用鋼量隨柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)分別增加了19.2 t,37.1 t,單位面積用鋼量分別增加了1.7 kg/m2,3.2 kg/m2,增加幅度分別為1.5%,2.8%。

13.5 m柱距增至15 m柱距時(shí)廠房總用鋼量增加了17.9 t,單位面積用鋼量增大1.5 kg/m2,增幅為1.3%,增加不明顯。

3 結(jié)論

1)成品庫(kù)廠房在12 m,13.5 m,15 m三種柱距下,一個(gè)柱間剛架系統(tǒng)單位面積用鋼量隨柱距增大而減小,屋面系統(tǒng)、吊車梁系統(tǒng)、墻面系統(tǒng)單位面積用鋼量均隨柱距增大而增加。與13.5 m柱距相比,15 m柱距時(shí)屋面系統(tǒng)、墻面系統(tǒng)單位面積用鋼量增幅不明顯。

2)成品庫(kù)廠房單位面積用鋼量隨柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時(shí)增幅分別為1.5%,2.8%。13.5 m柱距增至15 m柱距時(shí)單位面積用鋼量增幅為1.3%,增加不明顯。

3)類似的熱連軋工程成品庫(kù)廠房?jī)H從用鋼量考慮經(jīng)濟(jì)柱距建議采用12 m。