大噸位吊車鋼結構廠房的設計分析

陳天仙

（福建建工集團有限責任公司，福州350001）

1 工程概況

在原有廠區內擬新建一棟重塔車間，單層，火災危險性分類為丁類，總建筑面積摘要m2。建筑長度252.25m、寬度80m，結構類型為鋼結構的廠房，車間跨度40m+40m。每跨均設有雙層吊車，下層配置2 臺吊車，起吊質量60t/20t，雙鉤，中級工作制，工作級別A5，吊鉤起吊高度16m；上層設2 臺吊車，起吊質量200t/25t，雙鉤，中級工作制，工作級別A5，吊鉤起吊高度20m。另在車間外東側室外原材料堆放場地內設1臺半門電磁吊，起吊質量60t，吊鉤起吊高度10m，軌道跨度24m。車間西側山墻側設8 扇寬10m、高15m 的電動推拉門，北側山墻與原有一期重塔車間貼臨。

2 設計參數

本工程位于漳州市漳浦縣六鰲鎮，設計50a 一遇基本風壓為0.75kN/m2，設計10a 一遇基本風壓為0.40kN/m2，地面粗糙度為A 類，不考慮屋面雪荷載[1]。建筑抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7 度，設計基本加速度為0.15g，所在場地設計地震分組為第3 組，場地類別為Ⅲ類[2]。

3 方案選擇與優化

本工程按吊車噸位劃分，屬于重型廠房。此類鋼結構工業廠房的結構布置需要綜合考慮經濟、工藝、安全的需求。結構的設計既要同時滿足承載力極限狀態下和正常使用狀態下的要求，又要保證結構穩定性和吊車運行的安全性。

最初設想是考慮采用常見的重鋼廠房的結構形式，即單榀結構采用H 型鋼格構柱，屋面采用H 型鋼梁。

本工程需要設置雙層吊車，上層吊車起重量為200t/25t，且柱間單跨跨度達到了40m。雖然模型計算能夠滿足，但考慮吊車噸位較大，以及雙工字鋼格構柱自身縱向剛度沒有足夠儲備，工字鋼的高度不能一味加高，導致造價偏大。因此，初步方案需要優化調整?？紤]采用四管鋼管混凝土格構柱，可以適當調整縱向的厚度，來達到提高自身縱向剛度的要求。其材質為Q235B，Dx為800mm，Dy為摘要mm，鋼管1、鋼管2 皆為φ219mm×14mm（灌芯C40），斜綴條：φ95mm×4mm，橫綴條：φ76mm×5mm，其截面圖見圖1。

圖1 鋼管格構柱截面圖

在接下來的進一步深化設計中，在保證安全穩定的前提下，通過對構件截面的合理性及規范指標進行驗算，對比不同的柱距對整體造價的影響，將方案進行最終優化。

在調整模型的過程中，發現原方案屋面在19m 標高一階鋼柱處變形比柱頂變形還大，柱頂位移約70mm，而此處位移約78mm，不滿足GB 50017—2003《鋼結構設計規范》大于H/400（H為鋼柱高度）的要求[3]。考慮到由于風荷載很大，為保證柱的抗側剛度，將邊跨格構柱柱肢間距由摘要mm 增加到摘要mm。

在對原方案鋼管混凝土柱強度校核時，發現φ219mm×14mm 鋼管混凝土強度偏低，計算出鋼管混凝土單肢柱的軸向承載力為摘要kN，小于設計值摘要kN，需要加強。因此，改取用高強鋼管，材質由Q235 改為Q345。由施工工藝原理可知，鋼管管徑的大小影響施工質量。為方便混凝土施工，提高施工質量，避免施工事故，參考相關的施工經驗，鋼管直徑由219mm 改為351mm。

關于屋面實腹鋼梁方案的進一步細化核算：初步方案為截面擬采用BH摘要mm×260mm×8mm×14mm，高厚比（1300-2×14）/8=159.0，根據GB 50017—2003《鋼結構設計規范》，當高厚比h0/lw≥140.3 時，應在應力較大區設置縱向加勁肋。這樣就導致鋼梁制作復雜，且對施工安裝技術要求較高，增加了施工難度。

由于屋面跨度較大，單跨達到了40m。為提高屋面剛度及整體穩定，屋架形式考慮選用網架或管桁架。與傳統的開口截面（H 型鋼和I 字鋼）鋼桁架相比，管桁架結構整體性能好，扭轉剛度大且外表美觀，制作、安裝、翻身、起吊都比較容易。而管桁架結構是在網架結構的基礎上發展起來的，與網架結構相比具有其獨特的優越性和實用性。管桁架中的桿件大部分情況下只受軸線拉力或壓力，應力在截面上均勻分布，因而容易發揮材料的作用，這些特點使得桁架結構用料經濟，結構自重小。

鑒于以上的分析比較，最終考慮采用三角管桁架的屋架形式，試算的截面如圖2 所示。

圖2 屋架剖面圖

因采用9m 柱距，吊車梁考慮按實腹式工字鋼設計，這種梁主要由上翼緣板、下翼緣板、腹板等焊接而成，具有制作簡單、施工方便、受力性能好、抗疲勞能力強等優點。為了充分利用鋼材強度，節約造價，設計成上寬下窄的不等寬工字鋼。

吊車梁在橫向水平荷載作用下，梁上翼緣平面內將承受較大的水平方向彎矩和剪力，若僅靠梁本身傳遞橫向水平力，將產生很大的彎扭作用，不但不經濟，也很難滿足使用要求，因此，在梁的上翼緣平面設置由角鋼組成的水平制動桁架，以抵抗橫向水平荷載，保證吊車梁的穩定性。

柱間支撐是為保證建筑結構整體穩定、提高側向剛度和傳遞縱向水平力而在相鄰兩柱之間設置的連系桿件。本工程結合鋼管格構柱的類型，采用雙片槽鋼剛性支撐，按規范要求，在兩端及中間每隔50m 均勻設置。

屋面水平支撐均采用的是焊接鋼管組成的交叉支撐。因屋架為三角管桁架，為了提高平面外的側向穩定性，而設計了焊接鋼管組成的屋面垂直桁架支撐，在屋架兩端和中間部位沿縱向通長設置3 道，與屋架一同形成受力更好的整體剛度。

通過對上述各個方案的分析，以下對各個方案的用鋼量和成本數據做了綜合匯總對比，具體數據見表1。

表1 各個方案的用鋼量、成本綜合對比

經對比分析可知：（1）當采用H 型鋼格構柱+屋面空間桁架方案用鋼量最大，為摘要t；（2）當將柱距由9m 改為12m后，屋面空間桁架用鋼量減少，吊車梁、屋面檁條和墻面檁條的用鋼量顯著增加（當跨度＞9m 時，檁條不宜采用冷彎薄壁型鋼實腹式構件，需采用桁架式），結構用鋼量達摘要t。

綜合比對后，人們認為鋼管混凝土柱（柱距9m）+屋面管桁架方案的主要構件用鋼量省、成本低，主要構件用鋼量為摘要t，相對于原方案用鋼量減少132t，成本約減少68 萬元。而且，此優化方案較好地解決了原設計方案鋼管柱管徑偏小、混凝土澆筑困難、分肢柱強度不夠、屋面梁腹板高厚比過大、實腹屋面梁與四肢格構柱連接復雜等設計不足和考慮不周等問題。

本項目最終按優化后的方案給出施工圖，現已建設完成，于2018 年開始投入生產使用。

4 結語

綜上所述，對于大噸位吊車鋼結構廠房的結構選型，固然有多種設計方法。但如何在保證安全穩定的同時，又能優化方案的經濟性，應是工程設計同行們在此類設計中所面臨的共同問題和思考方向。本文通過工程的主要用鋼量和對應成本的數據統計計算而得出的最優方案，以期能夠為同類型廠房結構設計提供一些參考。