某重型鋼結構廠房優化研究

杜 宇 段旭松

(中國十九冶集團有限公司勘察設計分公司，四川成都 611730)

0 引言

隨著國家對鋼材產業的鼓勵和引導，我國2011年中國粗鋼產量達到6.95億t左右，這為大力發展鋼結構創造了良好的外部基礎。在經濟高速發展的大環境下，鋼結構廠房由于其優越的結構性能和良好的綜合經濟效益，越來越多的應用到工業建筑當中，鋼結構工業廠房特別是帶有大噸位的重型鋼結構廠房在國內迅速發展，已進入一個新的快速發展階段。

1 背景工程簡介

本文所述某重型廠房擬建場地較為平坦，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類。該地區基本風壓0.30 kN/m2。擬建廠房平面為“一”字形，長度為360 m，跨度方向為144 m，總建筑面積超過50 000 m2。

1.1 模型分類

本工程為四連跨重鋼廠房，共有8臺吊車，其中A-B，B-C，DE軸跨內有雙層吊車，上層32 t，軌道標高7.6 m，下層10 t，軌頂標高10 m;C-D軸內上層吊車125 t，軌頂標高14.2 m，下層吊車50 t，軌頂標高10 m。吊車噸位大，數量多是本例重鋼廠房的特點，于是合理設計、保證廠房結構安全可靠，降低工程造價是亟待分析研究的對象。廠房剛架立面簡圖見圖1。

根據工藝要求，柱距要求在9 m～12 m最適合布置工位和設備。于是，下一階段的主要工作就是依據工藝要求對主剛架進行建模計算。據相關工程經驗，剛架橫梁的截面一般采用工字型鋼，初選橫梁截面高度可取跨度的1/40～1/30。本例中，由于柱距和屋面荷載已經確定，因此在計算優化后對于橫梁的變化不大，所以本例將重點對主鋼架的不同截面鋼架柱進行分析研究。由相關經驗可知，主剛架的用鋼量一般占總項目用鋼量的1/3～1/2，所以，對主剛架的合理設計和控制可以取得較好的經濟效益，為分析柱距、鋼柱對主剛架的影響，本文將主要以如下幾個模型進行分析，剛架柱截面初選主要依據經驗公式和參考《鋼結構設計手冊》［1］表10-3，本文依據柱距和格構柱截面共建立6個結構模型。

1.2 模型主剛架柱截面特性

各模型的二維計算簡圖如圖1所示，柱子編號從左至右分別為A-E號，各柱子主要截面參數見表1，表2。

模型中，柱子采用雙鋼管鋼混凝土組合截面的鋼管內填充C40混凝土，采用四鋼管鋼混凝土組合截面的鋼管內填充C30混凝土。經軟件計算，各模型應力比、柱頂位移、撓度均滿足規范要求，在此前提下以用鋼量為評價標準，對上述模型在不同柱網布置、不同柱截面形式時廠房結構的總用鋼量進行比較分析，提出了最為經濟的柱距及格構柱形式。

表1 9 m柱距各格構柱主要截面參數

表2 12 m柱距各格構柱主要截面參數

2 模型計算分析

經計算，各模型主剛架用鋼量見表3。

從表內數據可知，在柱距相同的情況下，H型鋼格構柱截面較鋼管混凝土組合式格構柱截面單榀用鋼量少2 t～7 t左右，總用鋼量少30 t～110 t左右，按鋼材出場單價8 000元計算，僅此一項就可節約造價約25萬元～90萬元。

表3 各模型用鋼量表

其余構件用鋼量單獨計算，最終用鋼量如表4所示。

從表3和表4可知，雖然12 m柱距標準榀數量較9 m柱距減少，但是經計算總用鋼量仍較9 m柱距多，因此9 m柱距是較合理的柱距，而在格構柱形式上，雙H型鋼格構柱與雙鋼管混凝土組合截面用鋼量相近，但是加上澆筑混凝土的造價，H型鋼格構柱是性價比最高的選擇。

表4 吊車梁及附屬構件用鋼量表

綜合上述數據，廠房所有構件總用鋼量見表5。

表5 各模型總用鋼量表

上述模型中各構件用鋼量占總用量比例如圖2所示。

模型分析結論如下:

1)柱距增加對于廠房整體用鋼量有明顯影響，柱距越大，單位用鋼量越大。以本文最終設計方案的雙H型鋼格構柱為例，9 m柱距較12 m柱距用鋼量下降9.04%，鋼材減少338.522 t，如以鋼材市場單價8 500元(含材料、制作、油漆、不含安裝)計算，可節省造價287.75萬元，經濟效益顯著。

2)柱距越大的吊車梁鋼材用量越大，單位造價也越高。

3)主剛架及吊車梁占到了結構總用鋼量的70%左右，降低造價最為直接有效的方法就是合理選取柱子截面和柱距，對主剛架和吊車梁進行優化，可以取得明顯的經濟效益。

4)通過本設計發現，在有大噸位吊車的廠房設計中應優先選擇全鋼結構的格構柱，單位用鋼量較鋼混凝土組合式格構柱低，而且還省去了混凝土購買和澆筑費用，此外制作工藝也較為簡單，快捷。

最終，經過與業主討論溝通，項目采用了最少用鋼量的模型，9 m柱距雙H型鋼格構柱截面，較其余模型總鋼材節省了10%左右，取得了較好的經濟效益。

3 結語

隨著重鋼廠房越來越多的應用到工業建筑領域，鋼結構優化必將迎來發展大潮，通過優化不僅可以使結構的受力更為合理，同時降低建造成本，提高鋼材利用效率，順應了資源節約型社會的發展趨勢。

［1］《鋼結構設計手冊》編委會.鋼結構設計手冊(上下冊)［M］.第3版.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［2］CECS 102-2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程［S］.

［3］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.