大功率機(jī)車檢修基地雙層吊車廠房的結(jié)構(gòu)分析

周　杰

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

大功率機(jī)車檢修基地采用流水檢修工藝，主要包括檢修組合車庫、解體組裝庫、優(yōu)化噴漆庫、轉(zhuǎn)向架檢修庫、返修庫、機(jī)車調(diào)試庫、機(jī)車整體試驗庫，并新設(shè)檢修綜合樓、移車臺、淋雨試驗等檢修設(shè)施。新設(shè)機(jī)車出入線、機(jī)車停留線、交車棚及房屋、機(jī)車外皮清洗機(jī)、股道管理自動化系統(tǒng)等機(jī)車整備設(shè)施，預(yù)留機(jī)車整體吹掃庫等。其中解體組裝庫是大功率機(jī)車檢修基地中檢修工藝生產(chǎn)線上最為重要也是最復(fù)雜的的一個環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)檢修工藝要求吊車頻繁作業(yè)，并具有多種工作級別，且應(yīng)具備大噸位整體吊裝能力。因此，該庫房具有跨度大、長度超長、帶有雙層大噸位吊車等一系列特點，這種廠房也是首次應(yīng)用于鐵路工業(yè)檢修車庫中，對鐵路行業(yè)房屋建筑設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。本文擬通過對雙層吊車廠房的排架結(jié)構(gòu)特性分析及比選，提出適用于大功率機(jī)車檢修基地雙層吊車鋼結(jié)構(gòu)廠房的合理結(jié)構(gòu)形式。

1　排架柱形式的比選擇

在以往廠房設(shè)計中，通常豎向受力結(jié)構(gòu)體系為排架結(jié)構(gòu)，而排架柱的常見的形式主要有實腹和格構(gòu)兩大類，對于鋼結(jié)構(gòu)，在柱截面高度大于1 000 mm時，下柱宜采用格構(gòu)柱，上柱一般為實腹柱，這是因為格構(gòu)柱可用較少的條形鋼材，通過有機(jī)的組合達(dá)到較大的截面慣性矩。

圖1　實腹柱和格構(gòu)柱比較(單位：cm)

如圖1，某雙層吊車廠房中柱采用格構(gòu)柱：焊接H型鋼+焊接H型鋼，截面寬度2 050 cm×420 cm，其截面特性：

A=414 cm2，Ix=270 697 cm4，Iy=8 316 599 cm4；

若采用實腹柱2 500 cm×800 cm×18 cm×25 cm，其截面特性：

A=841 cm2，Ix=213 452 cm4，Iy=8 331 752 cm4

在同樣的力學(xué)參數(shù)時，實腹柱用鋼量將多出近一倍(僅柱截面)，因此有條件采用格構(gòu)柱時，可以大幅度地降低工程用鋼量。相關(guān)研究表明，吊車噸位越大、廠房跨度越大，這種經(jīng)濟(jì)性將越明顯。

經(jīng)研究分析，格構(gòu)柱和實腹柱受力的區(qū)別在于格構(gòu)柱的兩肢可分為屋蓋肢和吊車肢，在豎向荷載下兩肢分別獨自受力。屋蓋肢主要承受風(fēng)荷載、上柱傳來的屋蓋荷載和吊車水平荷載。廠房邊柱的吊車肢僅承受吊車的豎向荷載，廠房中柱的兩個肢均為吊車肢。此時，吊車肢還將承擔(dān)通過肩梁傳來的上柱荷載，而兩跨的吊車荷載則分別各自承擔(dān)，如圖2所示。

圖2　肩梁和柱關(guān)系

2　格構(gòu)柱截面形式的選擇

常用的格構(gòu)柱截面形式如圖3所示。

圖3　格構(gòu)柱常用截面形式

上述截面形式中，a、b、d、e截面多用于邊列柱，c、f截面多用于中列柱。

d、e、f類截面格構(gòu)柱一般為鋼管柱中灌注混凝土，適用于有重級、特重級吊車的鋼結(jié)構(gòu)廠房，其焊接、構(gòu)造工序比較復(fù)雜，不利于下層吊車牛腿施工。

對于大功率機(jī)車檢修基地，雙層吊車廠房上層吊車噸位一般不超過100 t，下層吊車一般噸位不超過15 t，牛腿采用懸挑就基本可以滿足相關(guān)計算和構(gòu)造要求。因此，建議選用焊接H型鋼截面作為吊車肢，如圖3中a、b、c三種截面形式。

a類截面：角鋼+焊接H型鋼，應(yīng)用于邊柱，是適用最廣泛的格構(gòu)柱截面，角鋼承受廠房風(fēng)荷載以及上柱傳來的屋蓋荷載和吊車水平荷載，焊接H型鋼承受吊車的豎向荷載。通過計算，當(dāng)屋面荷載不大(廠房跨度不大)，采用角鋼和焊接H型鋼的鋼材強(qiáng)度能夠充分得到利用。

b類截面：槽鋼+焊接H型鋼，應(yīng)用于邊柱，適用于跨度比較小、和吊車噸位不大的格構(gòu)柱廠房。當(dāng)廠房跨度較大時，槽鋼必須通過“一”字形鋼板(偏鋼)焊接，再加上綴條的作用，容易在槽鋼肢形成應(yīng)力集中。

c類截面：焊接H型鋼+焊接H型鋼，既可應(yīng)用于邊柱，也可應(yīng)用中柱。應(yīng)用中柱的時候，可以根據(jù)兩邊吊車不同噸位選擇不同的焊接H型鋼。應(yīng)用于邊柱時，結(jié)合H型鋼作為綴條，施工便利，利于下層吊車牛腿構(gòu)造。

3　某工程格構(gòu)柱截面設(shè)計

工程概況：某雙層吊車廠房，跨度27 m，柱距9 m，在高程+13.000 m設(shè)置75t橋式吊車兩臺和+9.000 m設(shè)置10 t橋式吊車兩臺(吊車荷載見表1)，設(shè)計依據(jù)如下。

主體結(jié)構(gòu)使用年限：50年；

恒荷載：0.4 kN/m2；

活荷載：0.5 kN/m2；

基本風(fēng)壓：0.5 kN/m2；

基本雪壓：0 kN/m2。

場地地震效應(yīng)：抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計特征周期0.35 s。

表1　某工程吊車數(shù)據(jù)

設(shè)計分別通過多方案比選擇，對以下面四種組合方式的格構(gòu)柱截面進(jìn)行了分析研究(如圖4、表2所示)。

圖4　格構(gòu)柱截面試算

方案柱截面方案一-14×550+2L140×12+H600×350×12×20方案二H600×350×12×20+H600×350×12×20方案三-16×550+2(-140×12)+H600×350×12×20方案四H600×350×12×20+H600×350×12×20

表3　計算結(jié)果

經(jīng)計算比較可知：

在充分發(fā)揮鋼材性能方面，從該工程邊界條件來看，廠房跨度27 m，有上、下兩層吊車，通過軟件分析，計算結(jié)果如表3所示，本著充分發(fā)揮材料特性為原則的情況下，采用格構(gòu)柱(方案一)(角鋼+焊接H型鋼)較為合理。

4　結(jié)束語

格構(gòu)柱的計算應(yīng)主要包括柱身強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、單肢穩(wěn)定、綴板(條)計算，并應(yīng)注意肩梁節(jié)點的計算和柱腳節(jié)點計算等。由于分肢平均應(yīng)力大于整個構(gòu)件的平均應(yīng)力，分肢穩(wěn)定性得到保證，整個構(gòu)件平面外的穩(wěn)定也得到保證。因此，其彎矩平面圖外的整體穩(wěn)定性不必計算。

格構(gòu)柱的內(nèi)力可通過計算軟件分析得出，但由于軟件對各桿件的計算尚不盡如人意，有些細(xì)部(如綴條)甚至計算中未能充分考慮。因此，還需要采用手工計算作為補充。

吊車肢計算時，為了確保安全，考慮到格構(gòu)柱綴件體系傳遞兩肢間的內(nèi)力情況較為復(fù)雜，同時考慮吊車梁最大壓力全部作用于吊車肢上的設(shè)計工況，應(yīng)對吊車肢進(jìn)行補充核算工作。

[1]GB50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[2]TB10011—2012 鐵路房屋建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S]

[3]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》編委會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004

[4]CECS102：2002 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]