大跨度超高重型鋼結構廠房結構設計的分析

黃勇標

（茂名瑞派石化工程有限公司 廣東茂名 525000）

在科學技術的影響下，重型鋼結構越來越多，如何在當前環境下設計出符合大跨度超重型鋼結構廠房已經成為工業上研究的核心內容。本次以實例分析為主，分析了大跨度超高重型鋼結構廠房結構設計，希望可以給相關學者提供借鑒，提高其廠房的設計、施工質量。

1 概述

目前船舶機械得到了快速發展，產生了多種重型和超重設備，同時一些大跨度超高型鋼結構廠房也得到了發展。某鋼制品有限公司由荷蘭公司在中國建設，由荷蘭公司提供相關的設計方案。該廠為單層單跨鋼結構框架，跨度61.1m，高60m，長200m，柱距為24m。廠房位于巷口，為A類；基本風壓0.8kN/m2；廠房高24.225m的位置設置有兩臺70t的吊車，51.05位置設置四臺70t吊車，吊車均為A2工作制。

2 進行結構選型

對于上述廠房而言，為了保證其的結構穩定，提高安全性，必須合理控制框架柱剛度，荷蘭提供的結構方案為圖1所示。

圖1 結構方案

該方案為單借三肢柱，柱橫截面為HW498×432，屋架為三肢桁架，腹桿為φ218×16，上下截面為HW400×400。上下支撐吊車梁主要是外伸式牛腿。進行結構分析計算時，主要利用3D3S進行軟件計算，不考慮空間，經計算：①恒載與風載組合下，計算柱頂移角為1/290；②柱底應力是0.88；③最大吊車水平產生的軌頂移角為1/900。經過分析發現，計算存在兩方面問題，從我國設計規定來看，受風荷載影響，橋式吊車單層框架柱頂位移角不能超過1/400；另外，一臺最大吊車水平荷載軌頂位移角是1/1250，上述方案框架剛度較小，應力太高。

為了解決原設計中存在的技術問題，經過與建筑專業工程師溝通后按以下條件設計：①不能改變吊車軌距；②提高柱剛度，合理控制位移與應力比；③不能隨意改變主要材料的截面規格。主要方案如下：方案1：將原設計的三肢改為四肢柱，保持柱肢與截面等條件均衡。方案2：使用三階變階柱，將下階肢距控制為5m；第二階為三肢柱，肢距離為3.5m。方案3：采用二階柱，下階使用4肢柱，肢距為5m，第二階使用3肢柱，肢距為3.5m。屋架均為3肢桁架，之后采用3D3S軟件進行計算，及時對上述方案進行分析。框架柱變形產生的位移應力和用鋼量如表1所示。

表1 位移、應力與鋼量使用比對

經過分析發現，上述計算中，方案1框架剛度沒有得到大幅度提升，用鋼量較大；方案2中框架剛度得到了提升而且用鋼量較少；方案3中框架剛度提升的最大，而且用鋼量也沒有得到大幅度增加。柱肢距與格構柱之間的剛度成正比，所以當方案2與方案3距離為5m時，柱剛度提升效率較高。對方案2與方案3調整后，可以將柱肢距離設置為軌道頂的1/10，而且經濟效益較高。此外，原始方案中使用懸挑牛腿支撐吊車梁的用量較大，進行調整時，可使用階型柱，將吊車梁與吊車肢中心重合，減少偏心荷載產生的偏心彎矩，減少實際用鋼量。進行應力控制時，由于方案3的下肢使用4肢柱，一般將肢截面應力控制在0.9以下后得到的效果較好，經過反復分析，本次使用方案三進行設計。

3 了解框架結構

本工程框架主要為平面結構，對一個框架分析，方案簡圖如圖2所示。

圖2 方案三結構簡圖

3.1 荷載取值

①屋面恒載為0.25kN/m2，屋面活載為0.5kN/m2。②基本風壓是ω0=0.8kN/m2，本工程場地抗震設防烈度為Ⅶ度，設計地震分組為第一組，水平地震影響系數最大值為0.12；建筑結構阻尼比為0.035；計算振型為9；場地類別主要是三類。③兩臺160t的吊車與四臺500t的吊車主要在24.225m與51.05m。風壓高度系數及體型按照建筑結構荷載規范數據計算，考慮吊車輪壓最不利位置，全部鋼材材質均為Q345-B，螺栓使用扭剪型強度為10.9級別的高強度螺栓。

3.2 荷載組合

①1.20×恒載與 1.40×活載；②1.20×恒載與 1.40×恒載；③1.20（1.0 恒載與0.5活載）與1.30地震荷載；④1.20恒載與1.4活載與1.40×0.6風載；⑤1.20恒載與1.4活載及1.40×0.7吊車活載；⑥1.20恒載與1.4吊車荷載與1.40×0.7活載與1.4×0.6風載。

3.3 進行計算

由于該工程較復雜，而且較重要，因此可以使用3D3S與MIDAS兩種統計分析軟件進行分析，并結合平面結構有限元分析方法了解單個框架情況。框架結構變形主要由橫載與活載下屋蓋豎向位移組成，受風荷載影響，柱頂橫向水平移動，一般吊車在水平荷載的作用下，吊車會發生水平位移。經過計算后，將柱頂位移及周期表示為表2所示。計算結果必須符合GB50017-2003的要求，相關計算表明，吊車荷載與風荷載起到相互控制的作用，沒有發揮地震控制作用。

表2 兩種分析軟件位移角與周期比對

3.4 計算截面

進行截面計算時，首先要將地質、恒活載、風載等參數及控制因素輸入，除此選擇截面程序對截面進行計算，然后按照《建筑抗震設計規范》文件中的規定，控制好梁、柱構件邊緣寬厚比及腹板高厚比。進行實際驗算時，必須控制好計算長度系數，框架平面中內柱長度計算技術結合框架連接與截面形式按照相關規定中側移框架柱計算長度計算，可按照相關程序計算；框架平面外，柱的計算長度一般按照約束框架平面外發生側向位移的支撐點進行計算，此處柱平面外有三個支點，給24m與51m位置均設置桁架、框架頂部縱向托架。結合驗算結果，及時對桿件截面進行調整并優化，保證截面內力大小一致。圖3表示優化后形成的設計截面。

3.5 其他方面

（1）提高管桁架施工技術的措施：①管桁架一把采用無縫鋼管，結合調研分析后認為可使用高頻直縫焊接鋼管操作，提高經濟效果，但是必須給桿件直焊縫留有足夠的空隙；②支撐管桁架的連接，不能通過節點板轉化，提高屋蓋結構美觀性；③管桁架制作要求加工單位必須配備三向切割設備，提高桿件切割質量，提升焊接對位精確性。

圖3 優化后結構簡圖

（2）節點設計。大跨度超高重型結構廠房內部的構件較多，種類繁雜，構件之間的連接節點方式較多樣化。進行節點設計時，不僅要滿足建筑承載力要求，還要保持節點構造與結構計算的假定相同。一般剛架柱節點主要按照剛接設計，柱腳使用插入式柱腳。同化成那個要給獨立基礎頂面留有杯口，完成剛架柱安裝后給細石混凝土連續進行二次澆注。

（3）支撐體系。目前廠房屋面支撐系統的主要作用是提高屋蓋結構平面中的剛度與找了個體型，主要傳遞吊車縱向剎車力、山墻風荷載及廠房縱向地震等作用。由于廠房吊車噸位較大，所以一般將縱向軸向設置縱向水平支撐；橫向與縱向水平支撐均采用型鋼十字交叉支撐。廠房柱間支撐系統可以及時將吊車縱向剎車力及山墻等荷載傳至框架柱。

4 結束語

本次主要對大跨度超高重型鋼結構廠房結構設計進行分析。實踐探究結果顯示，大跨度超高重型廠房要運行大噸位吊車，所以必須提高其結構剛度，可采用多肢階梯柱；大噸位中輕工作吊車設計一般要加強剛度控制；柱肢距設置為最高軌道高度的1/9～1/12較理想；吊車梁的中心盡量與吊車肢重合，避免因偏心荷載等不利因素影響，適當減少牛鋼材用量。