大同某重工大修車間結構設計

姚蘊興

(大同市建筑設計研究院，山西 大同 037006)

1 工程簡介

1)工程概況。大同市同煤集團某廠在現有廠區內車間東側擴建大修車間24.0 m×102 m，檐口高度15.2 m，南北方向為6.0 m+12×7.7 m+6.0 m=102 m柱距，新建廠房內設2 臺吊車(100 t/A6和32 t/A6)橋式吊車，軌頂標高10.5 m;新舊車間之間凈距7.06 m，設非標跨度吊車(20 t/A5)用于日常小件設備的吊裝存儲，軌頂標高7.0 m。吊車布置見圖1。2)自然條件?；撅L壓 0.55 kN/m2，地面粗糙度 B 類，基本雪壓 0.25 kN/m2，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第一組，抗震設防類別為丙類，場地類別為Ⅱ類。3)工程特點。a.廠房吊車噸位大，100 t吊車為單側4輪，最大輪壓38.7 t，32 t吊車為單側2輪，最大輪壓32.4 t。b.結構計算復雜，原廠房為50 t和16 t吊車，新建廠房與原廠續接，結構計算需考慮新建廠房吊車動力荷載、地震荷載和單側風壓的變化對原廠房的影響。c.新建4層鋼混凝土結構辦公樓緊貼廠房，設計時要考慮廠房與辦公樓間基礎的碰撞，主體結構沉降差異和濕陷性黃土地基的處理。

圖1 吊車布置圖

2 結構布置與選型

根據生產工藝要求，考慮經濟性和原有廠房的布置，新建廠房橫縱向與原廠房采用同樣的柱距布置和層高，以便新舊車間的互通和兩主廠房間附跨的吊車安裝和使用。辦公樓采用鋼混凝土結構，總尺寸為56.0 m×7.8 m。橫向軸距為7.8 m，跨度較小，可采用單跨框架，但采用單跨框架有以下弊端:1)抗震的安全儲備不高，在大震下容易局部破壞導致整體垮塌，多層建筑中抗震規范限制使用;2)新舊基礎的限制，單跨框架無法解決原有基礎與新建柱占位問題，雙跨框架可拔掉靠近廠房部分占位柱，形成局部懸挑。綜合考慮決定使用雙跨框架并以伸縮縫與廠房分開。

2.1 主鋼架

柱子為廠房的主要受力構件，支撐屋架墻面與吊車梁，可采用格構式或實腹式，格構式柱單個桿件斷面較小但整體組合斷面大，加工和下料工藝復雜，用鋼量小，人工費高，占地大;實腹式組合柱為焊接型或國標型鋼，施工簡單，組合斷面小但用鋼量高。本工程由于吊車噸位大和場地工藝要求，決定下柱采用帶肩梁的實腹式組合截面柱，上柱采用焊接H型鋼。下柱為焊接組合:H500×400×18×14/1000×300×14×12，上柱為焊接 H 型鋼:H550×300×10×14，剛架采用Q345B鋼，上柱剛架內側與軌道中心距離為1000－550=450 mm，滿足吊車兩側最小寬度340 mm的要求，軌頂標高為10.5 m，檐口高度為15.2 m，吊車上部凈距為15.2 －10.5 －0.7(梁高)=4.0 m，滿足吊車上部凈空 3.74 m 的要求。剛架梁采用變斷面焊接H型鋼H220×(500～700)×14×8，主體鋼架的撓度控制在1/400范圍內，滿足設計規范要求。

2.2 吊車梁系統

吊車梁為支撐吊車的主要受力構件，直接承受動力荷載，吊車梁的設計主要考慮吊車噸位和工作制級別的影響。本工程2臺吊車分別為100 t/20 t A6，32 t/5 t A6工作制，吊車噸位大且為重級工作制，不僅要考慮吊車梁的疲勞驗算，同時要控制豎向和水平向的變位。綜合考慮，本工程采用焊接H型鋼吊車梁H1300×500×300×22×16(見表1)，Q345C鋼，采用突緣支座，使吊車梁壓力中心線盡量接近柱肩梁中心，吊車梁縱向設制動板和制動梁(槽鋼)連接，并設角鋼加勁肋以增強制動系統的整體剛度，沿吊車梁腹板兩側面設橫向加勁肋間距2000 mm，加勁肋距下翼緣50 mm。

表1 吊車梁參數匯總表

2.3 支撐系統

1)支撐系統內力計算。a.風荷載，按山墻受風面積的一半傳遞給屋架，經計算Fw=67.78 kN。b.地震力按底部剪力法計算，屋蓋和吊車梁作為兩個計算節點賦予質量G2，G1，H2=15.200 m，H1=9.000 m，G2(屋蓋及剛架自重+上柱自重的一半+上柱高度范圍內墻板自重的一半和雪荷載);G1(吊車自重及起吊重量+上下柱自重的一半+上下柱墻板自重的一半)。經簡化計算F1=115.4 kN，F2=128.2 kN。c.吊車縱向剎車力 Hk=0.1，Pmax=142.2 kN。

2)屋蓋支撐系統。a.屋蓋支撐系統承受和傳遞山墻的風荷載，縱向地震荷載通過屋蓋的支撐傳遞給廠房下部支撐結構。b.保證安裝時的結構整體穩定，屋蓋三道支撐分別設在兩端開間和縱向柱間支撐的中間跨內。支撐節點風荷載為Fw=48.03 kN。屋面支撐斜桿按單拉桿設計采用角鋼∠70×4，長細比不大于400，應力比0.880;剛性系桿按軸心受壓計算，為圓管φ121×3.0，長細比不大于200。

3)柱間支撐。廠房縱向分為三道上柱柱間支撐承受山墻風荷載和地震力，每道支撐承擔1/3荷載，中部一道下柱支撐(門式支撐)承擔全部風荷載+地震力+吊車縱向剎車力。上柱支撐斜桿采用單拉桿設計長細比小于400，柱頂縱向設水平剛性桁架，組成上柱支撐;下柱斜支撐按拉壓桿設計，由于吊車噸位較重且為重級工作制，柱距較大，下柱設雙片支撐2∠125×8，綴板間距1000 mm，經計算下柱支撐應力比為0.821，滿足要求(見圖2)。

圖2 ?軸結構立面布置圖（1： 200）

2.4 墻面和屋面

屋面和墻面用普通夾芯板，恒載不大于0.4 kN/m2，采用C型鋼，按雙向受彎設計，既承受墻板自重又承受水平風荷載。

3 地基基礎設計

1)本工程地基為Ⅰ級非自重濕陷性黃土地基，且黃土地層分布不均勻，故采用換土墊層法處理地基，換填厚度為1.0 m 3∶7灰土至設計基底標高，換填后承載力要求大于160 kPa。柱基礎為柱下獨立基礎，按主剛架受力方向控制基礎長寬比不大于1.5，基地面積取荷載標準組合下 Nmax，Nmax，Mmax，Mmax，Vmax，Vmax，分別計算最大底面積，按荷載基本組合下的 Nmax，Nmax，Mmax，Mmax，Vmax，Vmax分別計算最大配筋面積，綜合取最大值，獨立基礎間設拉梁平衡縱向柱底彎矩并承擔上部墻體荷載。2)新舊基礎的處理:a.原廠房柱下獨立基礎與新建辦公樓框架柱多處互相占位碰撞;b.新建辦公樓為4層，擴建廠房和舊廠房為單層輕型屋蓋，相鄰建筑基礎差異沉降較大，故辦公樓決定改為人工挖孔樁基礎。人工挖孔樁基施工簡單，不受場地限制，單樁承載力高，造價與其他基礎差別不大。3)上部柱與原基礎碰撞處處理:a.占位窄處設兩樁托梁抬柱處理;b.占位較寬處，采取拔掉框架柱每層懸挑，很好的解決了基礎碰撞的問題。基礎平面布置圖見圖3。

4 新舊廠房的連接

原廠房為50 t/5 t+16 t/3.2 t 2臺吊車，新建廠房為100 t/20 t+32 t/5 t 2臺吊車，兩主廠房間空隙7.06 m，設20 t吊車，兩車間寬度高度和柱距相同;計算時需考慮后建廠房對原廠房主體結構的影響。1)剛架方向通過對連續3跨廠房整體計算，原廠房的安全度能滿足要求;2)廠房縱向，原廠房外側柱及支撐受力不變，中列柱增加荷載為屋蓋重量的一半，20 t吊車自重及起重量的一半，減少量為中列柱原外墻荷載，分別折算為柱軸力、地震力、吊車剎車荷載，經核算中列柱柱間支撐均能滿足擴建后承載能力。

5 結語

1)本工程辦公樓與原廠房緊鄰，通過合理的基礎和上部框架柱布置，解決了相鄰建筑的功能要求，通過辦公樓設人工挖孔樁，廠房獨立基礎兩種不同的基礎形式，解決了高低跨基礎沉降問題。

圖3 基礎平面布置圖（1： 150）

2)新舊廠房的連接，舊廠房中列柱拆除墻梁和板移至新建廠房邊列柱，既減少了中列柱的荷載，又節約成本，減少造價;經過復合計算，原廠房中列柱剛架和柱間支撐設計能滿足新增荷載的要求。

3)合理的結構布置方案、簡潔的計算分析手段，完善的節點連接構造使整個結構設計更合理更經濟。

[1]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[2]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[3]宋曼華.鋼結構設計與計算[M].北京:機械工業出版社，2003.

[4]李幗昌，張日果，楊 華.鋼結構設計問答實錄[M].北京:機械工業出版社，2008.