設有400 t吊車的框排架廠房設計

李立偉

(中核第四研究設計工程有限公司, 河北石家莊 050021)

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設有400 t吊車的框排架廠房設計

李立偉

(中核第四研究設計工程有限公司, 河北石家莊 050021)

框排架廠房設有大噸位吊車時，當吊車橋架或小車滿載運行時會產生很大的縱向、橫向制動力，設計時應合理控制廠房的縱向、橫向水平位移，通過對框排架廠房進行整體和單榀建模分析，設置雙肢柱、縱向柱間支撐可有效控制廠房的水平位移。在吊車梁與混凝土柱間設制動桁架、輔助桁架和下翼緣水平支撐，組成剛度很大的空間制動桁架系統，可以滿足鋼吊車梁的平面外穩定。

吊車制動力； 雙肢柱； 柱間支撐； 制動桁架

1 工程概況

中國環流器二號HL-2M裝置改造與升級項目(核聚變實驗研究裝置)新建電機廳,位于四川省成都市雙流縣，為地上一層廠房，長36.3 m，寬24.0 m，結構總高度24.75 m。在廠房中部設有額定功率19.5×104kW立式脈沖發電機，在標高5.40 m處局部設有檢修平臺。發電機基礎為塊式整體基礎。頂部與檢修平臺連為一體，檢修平臺與主體結構設抗震縫脫開。為滿足設備的吊裝和檢修要求，廠房內設置了一臺工作級別為A3級的400/32 t吊車，吊車跨度為21 m，牛腿標高為14.70 m，廠房一層平面見圖1。

圖1 一層平面

廠房采用鋼筋混凝土框排架結構(縱向為框架，橫向為排架)，抗震設防類別丙類，7度抗震設防，設計地震分組為第三組，設計基本地震加速度值0.10g，框架抗震等級為二級。

2 荷載標準值

2.1 活荷載

檢修平臺：10.0 kN/m2；不上人屋面：0.5 kN/m2。

2.2 風荷載

基本風壓W0=0.30 kN/m2，βz=1，μs=1.3，μz=1.34；風荷載標準值Wk=0.30×1×1.3×1.34=0.52 kN/m2?？v向風荷載由抗風柱和山墻邊列柱承擔；橫向風荷載考慮由雙肢柱的外側柱肢和上柱承擔。

2.3 吊車荷載

吊車參數：吊車總重量181 t，其中小車重量68 t，額定起重量400 t，最大輪壓為550 kN，小車機構運行軌距5.8 m，大車運行機構軌距21.0 m，鋼軌型號QU120。

吊車最大輪壓為550 kN，每側共8個輪，剎車輪按一半取為4個，吊車縱向制動力標準值Fx=550×4×10 %=220 kN，吊車橫向制動力標準值Fy=(68+400) ×10×8 %=375 kN[1]。

3 結構布置

廠房沿縱向柱距6.0 m，縱向柱的下柱采用鋼筋混凝土雙肢柱，上柱采用矩形柱；兩側山墻各設有兩根抗風柱，山墻邊列柱與相鄰抗風柱的間距8.9 m。廠房結構總高度24.75 m，周邊沿高度方向共設置4道框架梁。為避免施工時設置滿堂腳手架，屋頂沿橫向設24 m跨鋼主梁，鋼主梁與柱頂采用鉸接支座，鋼次梁水平布置，屋面板采用壓型鋼板非組合樓蓋。

4 柱頂水平位移的計算

4.1 柱頂水平位移的容許值

設有400 t吊車廠房結構除應滿足強度要求外，還應具有足夠的抗側剛度，以保證吊車滿載運行時廠房不發生大的晃動。本工程設計主要依據的規范有《鋼結構設計規范》[2]和《水電站廠房設計規范》[3]，柱頂水平位移的容許值見表1。另外參考機械、冶金工業廠房相關規范要求，本工程400 t吊車廠房的柱頂位移容許值按[3]控制。

4.2 計算模型和整體最大層間位移角計算

計算采用中國建筑科學研究院編制的PKPM系列軟件，

表1 柱頂水平位移的容許值

注：表中位移的容許值均按平面結構圖形計算；Hc為柱下端基礎頂面到吊車梁軌頂面的高度。

首先用SATWE軟件對廠房進行了空間整體計算，再對吊車荷載作用下的廠房構架縱、橫向用PK軟件分別進行計算。其中縱向構架按框架計算，橫向構架按排架計算。整體計算結果見表2，兩方向最大層間位移角均滿足規范要求。

表2 整體計算最大層間位移角

4.3 廠房柱橫向水平位移計算

廠房構架橫向按排架計算，柱截面尺寸由橫向位移限值控制，為滿足剛度要求并減少材料用量，吊車梁軌道以下采用鋼筋混凝土雙肢柱。雙肢柱兩個柱肢均為截面800 mm×700 mm的矩形柱，組合截面的總高度2 500 mm，中間斜腹桿截面600 mm×400 mm，沿豎向間距2 075 mm，設有吊車梁的內側柱肢上端為斜腹桿的設置起點[4]，雙肢柱地面以下采用截面為3 000 mm×1 200 mm的矩形混凝土柱。廠房柱的橫向水平位移計算值為Hc/1 950

4.4 廠房柱縱向水平位移計算

廠房縱向共6跨，基礎頂面標高-4.00 m，屋頂梁標高24.30 m。不設柱間支撐時，廠房柱吊車梁軌頂處的縱向位移計算值為Hc/1 281，不能滿足規范要求；為滿足吊車橋架縱向運行時對廠房的位移要求，須沿縱向框架柱的下柱設置柱間支撐。因廠房縱向總長36.3 m，溫度變化對廠房影響較小，為增大廠房整體剛度，將下柱柱間支撐設在第1、5跨，將上柱柱間支撐設在第1、3、5跨，在標高9.70 m柱間支撐間設通長剛性系桿。雙肢柱的下柱采用雙片柱間支撐，截面如下：內側柱肢支撐采用組合槽鋼[20a，組合截面寬度400 mm；外側柱肢支撐采用組合角鋼∟125×80×10，組合截面寬度250 mm；上柱采用單片柱間支撐，為單角鋼∟125×8。

鋼筋混凝土雙肢柱縱向受力按如下原則分配：風荷載全部由外側柱肢承擔，吊車橋架運行時縱向制動力按吊車梁形心與兩側柱肢形心距離的比值分配。吊車梁形心距雙肢柱外側柱肢距離1.4 m，距雙肢柱內側柱肢距離0.4 m，由此可得：雙肢柱外側柱肢承擔的吊車荷載F1=220×0.4/1.8=48.9 kN；內側柱肢承擔的吊車荷載F2=220×1.4/1.8=171.1 kN。

廠房柱的縱向水平位移計算值為Hc/4 250

5 吊車梁系統設計

5.1 吊車梁系統布置

為滿足吊車小車橫向運行時吊車梁的穩定要求，在吊車梁與縱向框架柱之間設置制動桁架，雖然吊車梁跨度較小，但考慮到吊車噸位很大且缺乏類似工程設計經驗，同時設置輔助桁架和下翼緣水平支撐，組成空間制動桁架體系，見圖2、圖3。吊車梁采用Q345B鋼，截面1 840 mm×500 mm/400 mm×14 mm×20 mm，帶懸挑端采用平板支座，其余采用凸緣支座。吊車梁形心與制動桁架外邊寬1.3 m，制動桁架直腹桿最大間距1.3 m，弦桿采用槽鋼[32a，腹桿采用單角鋼∟100×6～125×8，制動桁架與混凝土柱采用3M24摩擦型高強螺栓連接；輔助桁架高度同吊車梁高，上弦桿與制動桁架的弦桿共用，下弦桿采用槽鋼[20a，腹桿采用單角鋼∟100×6～125×8；下翼緣水平支撐寬度1.3 m，腹桿采用單角鋼∟90×6～100×6。制動桁架、輔助桁架和下翼緣水平支撐均采用Q235B鋼。

圖2 吊車梁系統平面布置圖

圖3 吊車梁系統剖面圖

5.2 吊車梁系統計算

用PKPM系列STS軟件和Midas Gen軟件分別對鋼吊車梁系統進行計算和有限元分析，主要計算結果如下：吊車梁絕對最大豎向彎矩Mmax1=2 781.3 kN·m，由橫向水平制動力產生的絕對最大水平彎矩Mmax2=108.5 kN·m，絕對最大剪力Vmax=2 264.5 kN。上翼緣最大應力σu=142.3 N/mm2≤[σu]=295 N/mm2，下翼緣最大應力σd=125.9 N/mm2≤[σd]=295 N/mm2，撓跨比1/3 925≤1/800。

6 結束語

設有大噸位吊車廠房結構應具有足夠的抗側剛度，以滿足吊車滿載運行時的工作要求，設置雙肢柱、縱向柱間支撐可有效控制廠房的水平位移。由吊車梁、制動桁架、輔助桁架和下翼緣水平支撐組成的空間制動桁架體系，可以承擔吊車橫向、縱向制動力，保證吊車梁系統整體穩定。2015年4月廠房成功完成了總重388 t的發電機組轉子整體吊裝，在吊裝過程中吊車行走平穩，廠房主體振動及吊車梁系統變形均表現正常。

[1] GB 50009-2001 建筑結構荷載規范(2006年版)[S].

[2] GB 50017-2003 鋼結構設計規范[S].

[3] SL 266-2001 水電站廠房設計規范[S].

[4] 北京有色金屬設計研究總院.混凝土結構構造手冊[M]//建筑結構設計系列手冊.第3版. 北京:中國建筑工業出版社,2003.

TU375

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[定稿日期]2016-05-28

[作者信息]李立偉(1973～)，男，大學本科，高級工程師，一級注冊結構工程師，從事結構設計工作。