大跨度大噸位吊車鋼結構廠房設計

【摘要】隨著輕鋼屋面結構的快速發展，大跨度、大柱距、大噸位、多層吊車的鋼結構工業廠房，擺脫了傳統的鋼桁架和預制鋼筋混凝土大型屋面板的做法，得到了日益廣泛的應用，尤其在鋼鐵、冶金、船舶等領域應用最廣。由于鋼結構技術越來越成熟，鋼結構設計軟件越來越完善、越來越先進和人性化，輕鋼屋面結構的鋼結構廠房將會有更好的發展前景。本文用一個實際的案例主要分析了輕鋼屋面鋼結構廠房的特點，結構設計和廠房各系統設計中應注意的問題。

【關鍵詞】輕鋼屋面；鋼結構廠房；大噸位多層吊車；廠房整體剛度和側向剛度

1、案例的工程概況和設計基本參數

現在以某船舶廠100t橋式吊車鋼結構廠房為例，介紹關于輕鋼屋面鋼結構廠房的結構設計和思路。廠房建筑面積34020m2，寬度108米，長度315米。該工程為30米+36米+42米三聯跨，低跨的建筑高度19米、高跨高度23.6米。低跨30米跨度設置雙層吊車，上層2臺32t橋式吊車，下層2臺16t橋式吊車。高跨36米和42米跨度設置雙層吊車，上層2臺100t橋式吊車，下層2臺16t橋式吊車，吊車均為A5工作制。本工程位于福建省平潭島，設計基本風壓1.3KN/ m2，地面粗糙度A類。按7度抗震設防，場地類型Ⅲ類，設計地震基本加速度0.1g，設計地震分組二組。

2、結構選型

對于此類鋼結構工業廠房的結構布置要綜合考慮工藝、結構、經濟和建筑模數，廠房的結構要同時滿足承載力極限狀態下和正常使用狀態下的要求，保證結構穩定性和吊車運行的安全。 與傳統的鋼桁架混凝土屋蓋的廠房相比，輕鋼屋面的鋼結構廠房整體剛度和側向剛度都不及傳統廠房，表現在廠房的自震周期較長，為避免廠房的自震頻率接近吊車運行的頻率，造成廠房在吊車運行時產生震動，此類輕鋼屋面的水平支撐不宜采用柔性支撐，應采用角鋼或圓鋼管制作的剛性支撐，水平支撐的選用還應解決好在自重作用下支撐產生的較大撓度。此外為提高廠房屋面的整體性、提高廠房的整體剛度，建議在廠房屋面設置縱向水平支撐，與屋面橫向水平組成封閉的屋面水平支撐體系，盡可能地提高廠房屋面剛度和廠房整體剛度，以彌補輕鋼屋面自身剛度較弱的不足。值得注意的是抽柱位置，屋架肢不宜支承在兼做支承吊車的托梁上，以避免吊車運行引起屋蓋震動，降低屋蓋剛度。 廠房的側向剛度是保證廠房在風荷載作用下、在吊車水平荷載作用下、在地震作用下的正常使用要求，鋼柱的剛度尤為重要，此外考慮到吊車運行的需要，作為吊車肢的廠房下柱應優先采用格構柱，作為屋架肢的上柱可采用實腹柱。

3、結構分析

3.1 荷載取值

1）恒載：0.3kN/ m2（屋面為高頻焊檁條自重偏重）。

2）剛架活載：0.3kN/ m2（根據門剛3.2.2當采用壓型鋼板輕型屋面時，對受荷水平投影面積大于60 m2的剛架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取不小于0.3 kN/ m2。）

3）檁條活載：0.5kN/ m2。

4）吊車荷載：三跨雙層吊車。

5）雪荷載：無。

6）積灰荷載：無。

7）風荷載：1.3kN/ m2，近海，地面粗糙度為A類。

風壓的高度變化系數及體型系數按GB50009-2012《建筑結構荷載規范》取值，再根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的風荷載體型系數復核梁的強度和剛度。計算時應考慮吊車輪壓的最不利位置布置。

3.2 荷載組合

荷載組合原則：

屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應取兩者中的較大值；

積灰荷載應與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮；

施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時考慮；

多臺吊車的組合應符合《建筑結構荷載規范》的規定；

當需要考慮地震作用時，風荷載不與地震作用同時考慮。

4、輕鋼屋面梁設計

傳統的混凝土屋蓋或桁架的撓度均為L/400（L為受彎構件的跨度，對懸臂梁為懸伸長度的兩倍）；門式剛架的斜梁（沒有設置懸掛吊車和吊頂僅支承壓型鋼板屋面和檁條）撓度為L/180。一般設計上對于輕屋蓋大噸位吊車廠房的斜梁撓度限值可以按門規考慮但可適當控制嚴一些。

同時根據《建筑抗震設計規范》9.2.14-2條規定輕屋蓋廠房，塑性耗能區板件寬厚比限值可根據其承載力的高低按性能目標確定；塑性耗能區外的板件寬厚比限值，可采用現行《鋼結構設計規范》GB50017彈性設計階段的板件寬厚比限值。詳見《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）4.3.1和4.3.8款規定，高厚比不宜大于80√ （235/fy）；寬厚比不宜大于15√ （235/fy）。

同時由于本工程采用楔形梁單元，該單元只在門剛有規定。根據門剛規程CECS102：2002第6.1.1-6，工字型截面構件腹板的受剪板幅，當腹板高度變化不超過60mm/m時可考慮屈曲后強度。一般設計按不考慮截面抗剪屈曲后強度來控制截面的高厚比。若不滿足設計上可以通過以下幾種方式來調整： 1）調整截面高度變化（如調整梁構件節點位置，增長變化區段），使截面高度變化率盡量滿足≤60mm/m的要求； 2）加大腹板厚度，滿足程序不考慮屈曲后強度對腹板高厚比限值的要求；3）設置橫向加勁肋，間距宜取hw～2hw（hw為腹板高度，對楔形柱腹板取板幅平均高度）；

所以本工程為了保證結構可靠安全在主剛架計算中分兩個過程：首先風荷載按《建筑結構荷載規范》取值，鋼柱鋼梁全部套用GB50017-2003來計算，調整梁柱至滿足規范要求；其次風荷載按《門規》取值，鋼柱選用GB50017-2003，鋼梁選用CECS102：2002門規計算調整梁柱至滿足規范要求。總之對于輕鋼屋蓋的重型廠房要結合鋼規和門規從嚴設計。使結構更加安全、可靠、合理。

5、柱子系統設計

鋼柱為單階變階柱。上柱采用實腹式柱，下柱采用型鋼格構柱。鋼柱材料選用Q345B鋼，綴條采用角鋼設置。無論是鋼柱還是綴條均應滿足強度剛度和穩定性（包括局穩和整穩）要求。為了經濟，在工藝允許的情況下可增加縱向系桿，以減小廠房柱的平面外計算長度。

柱腳按剛接設計，采用分離式靴梁柱腳（如圖二所示）。首先根據基礎混凝土的抗壓強度和柱承受的軸力（使底板一邊產生最大壓應力的Nmax與其對應的M組合）確定柱底板面積，根據柱承受的最大彎矩確定錨栓大小（使其產生最大拉力的Mmax與其對應的N組合）。柱腳錨栓不宜用于傳遞柱腳底部的水平剪力。此水平剪力可由底板與混凝土基礎間的摩擦力承受（摩察系數可取0.4）或設置抗剪鍵。設計錨栓時，應使錨栓屈服在底板和柱構件之后，因此，要求設計上對錨栓留有15%～20%的富余量。

肩梁采用雙壁式肩梁。設計中，肩梁高度與下柱截面高度的比值范圍為04～0.6，本工程設計取0.6，上下柱交接的加勁做成一塊整板，下柱的上封口板切口，將上柱插入切口內，這樣的構造做法使吊車梁傳來的豎向荷載有效的傳遞至下柱，提高了節點的整體受力性能。

6、支撐設計

本廠房由于吊車噸位比較大，吊車在運行中容易引起較大的震動。在本工程中柱間支撐和屋面支撐均采用剛性支撐。屋面支撐選用圓鋼支撐，并且通長設置縱向屋蓋支撐，與屋面橫向水平組成封閉的屋面水平支撐體系，特別是抽柱處應先布置托梁或托架，此時應在托梁或托架兩側布置縱向水平支撐，并且向兩端各延伸一個開間來提高廠房抽住處削弱的屋面剛度。

為保證廠房的縱向剛度和空間剛度，承受山墻風力、吊車縱向剎車荷載、溫度應力和地震作用，沿廠房縱向設置上、下柱間支撐。柱間支撐的上柱支撐采用雙角鋼，下柱支撐采用雙H型鋼支撐。柱間支撐的間距應根據房屋縱向間距、受力情況、安裝條件和工藝確定。當無吊車時宜取30～45m，當有吊車時宜設在溫度區段中部，或當溫度區段較長是以設在三分點處，且間距不宜大于60m。端開間可不設置下層支撐以減少吊車梁的溫度應力。

廠房還在屋檐、屋脊、轉折處以及相應位置通長設置剛性系桿等使水平力更有效的傳給柱間支撐，最后傳給基礎。

7、計算方法

本工程采用PKPM-STS軟件分析，主剛架材料采用Q345B，強度比較好控制，由于風壓大吊車噸位大剛度和變形不易滿足，根據GB50017-2003《鋼結構設計規范》中的附錄A.2.1條規定，在風荷載作用下，有橋式吊車的單層框架的柱頂位移不宜超過1/400，A.2.2條規定，在吊車梁的頂面標高處，由一臺最大吊車水平荷載產生的橫向位移計算變形值不宜超過Hc/1250（Hc為基礎頂面至吊車梁頂面的高度）。

計算結果顯示：

在風荷載作用下柱頂位移為1/409，

在吊車荷載作用下柱頂位移為1/2387，吊車梁的頂面標高處位移為1/3133，

地震作用下的柱頂位移為1/1721。

計算表明：本工程風荷載起控制作用。

所以在使用時遇到臺風天氣應采取相應的施工技術措施并且將門窗關緊，角部和邊緣區處螺釘間距適當加密以保持維護結構與結構的整體穩定性。

8、建成效果及反饋

這個項目是07年設計，08年施工，09年開始投入使用，經過施工過程各階段驗收及竣工驗收施工效果基本能達到設計的要求，通過這幾年的投入使用情況看，無論是剛架、吊車吊車梁還是支撐體系都能達到設計的預期要求，同時也成功抵御了幾次大臺風。甲方反饋良好，證明之前設計方案的考慮思路是正確的。

結語：

（1）大跨度超高重型廠房由于高位運行大噸位吊車，必須提供較大的結構剛度，注重整體結構的穩定性控制盒位移控制，宜采用階梯柱，注意支撐系統的設置。

（2）對于大噸位中重級工作制吊車的廠房設計，應按GB50017-2003A.2.2條進行剛度控制；柱肢間距取最高軌道頂高度的1/9～1/12比較經濟。

（3）吊車梁中心盡量與吊車肢重合，避免偏心荷載的不利影響，同時可減少用鋼量。吊車梁頂部宜沿縱向通長布置走道板即做檢修用，并且也能承受吊車橫向水平荷載。

（4）在工程設計中應綜合考慮結構受力和鋼結構制作、安裝方便的要求，在用鋼量相當的情況下宜選結構簡單，容易制作的截面形式。

（5）在鋼結構設計中應嚴格根據相關規范，不應隨意降低設計標準。

參考文獻

[1]GB 50017—2003 鋼結構設計規范[S]。

[2]GB 50009—2012 建筑結構荷載規范[S]。

[3]CECS 102：2002 門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[M] .北京.中國建筑工業出版社.2005。

[4]GB 50011—2010 建筑抗震設計規范[S]。

[5]鋼結構設計手冊[M].北京.中國建筑工業出版社.2004.

[6]建筑鋼結構設計手冊[M].北京.冶金工業出版社.1995。

[7]鋼結構連接節點設計手冊[M].北京.中國建筑工業出版社.1999。