大空間工業廠房鋼結構設計及優化改進措施在新疆地區應用

袁石鋼

【摘要】隨著新疆經濟建設的發展，新疆工業也取得了相應的進步，大規模的工業生產急需要大量的工業廠房。而工業廠房結構設計具有特殊性，目前新疆大多數工業廠房使用的是鋼結構這種經濟實用的建筑材料，不僅能經濟性好且更具有耐久性，可保證廠房使用的安全。因此本文就新疆大型化煉鋼廠房鋼結構設計過程中遇到的問題和看法提出探討。

【關鍵詞】大空間工業廠房;鋼結構設計;優化措施

工業廠房是企業重要的生產場所，廠房的質量關系工業生產的效率和工作人員的生命安全，應得到足夠的重視。鋼結構工程以其優越性逐漸替代了新疆傳統的廠房磚混結構，得到了廣泛的應用，決定著建筑物的質量。鋼結構工業廠房具有良好的抗震性能以及自重較輕等特點，其結構性能影響著企業的生產活動，因此，優化鋼結構的設計迫在眉睫。

1、鋼結構的材料選用

眾所周知，大型鋼結構廠房的合理選材是降低項目整體投資的主要因素之一，廠房主梁柱材采用性價比高的Q345B鋼材。對于處在腐蝕環境中的承重結構，則一般采用Q235NH和Q345NH等牌號的耐候結構鋼。

2、鋼結構主體梁柱的設計

2.1承重柱結構設計選型

2.1.1大型冶金廠房中的承重柱一般采用階梯形柱

其下段通常采用綴條格構柱，而上段既可采用實腹式，亦可采用格構式，但上段以實腹式截面為多。格構柱的單肢柱有H型鋼柱、鋼管柱鋼管砼柱（即鋼管內填芯高強混凝土）等幾種形式。單肢柱采用鋼管柱，雖然理論上鋼管柱各方向受力性能穩定，但存在鋼管柱的弧面連接及大管的加工焊縫長等缺陷，在實際應用中比較麻煩;鋼管砼柱雖能夠減小鋼管截面，但后期混凝土灌漿的可操作性較差，主要是因為大型冶金廠房主柱高度都有20～30米（甚至更高），鋼管內部灌漿時需開通氣孔，鋼柱過長時可能還需要設置中間孔，以利于通氣及灌漿的振搗實，給施工帶來困難。近幾年，單肢柱采用H型鋼的形式，因其加工的完整性及施工的便利性得到更廣泛應用。格構柱的綴條可采用角鋼、槽鋼和T型鋼等，當承載較小時可采用槽鋼和角鋼作為綴條，當吊車噸位超過160噸時，可采用T型鋼作為綴條，更好地維護格構柱的整體性。格構柱采用鋼接柱腳，為節約用鋼量、降低造價和方便施工，格構柱常采用分離式柱腳。露出式柱腳常采用靴梁式，埋入式柱腳直接埋入杯口基礎中，并設置剪力釘，在柱底板增加定位地腳螺栓以增加定位精度。

2.1.2廠房主鋼柱肩梁結構形式

大型冶金廠房主鋼柱肩梁的設計是柱設計的重要部分。柱肩梁位于上段柱和下段格構柱交接處，用以將上柱的內力傳遞到下柱并兼作吊車梁的支座。因此，肩梁必須有足夠的剛度和強度，以保證階形柱的整體工作。柱的肩梁構造有單壁式肩梁和雙壁式肩梁兩種形式。單壁式肩梁因其加工的方便性被廣泛采用。柱肩梁是廠房柱最重要的受力和傳力節點，其腹板厚度及高度的準確度至關重要。

2.1.3承重屋面鋼梁結構形式

大型冶金廠房中的承重屋面鋼梁實腹式型鋼梁和桁架式屋架體系。由于桁架式屋架體系有上下弦，支撐體系上下弦需要布置，安裝復雜，施工周期長，因而實腹式H型鋼梁已成為大型冶金廠房屋架梁的主流形式。廠房屋面梁和鋼柱上段柱的連接常采用端板連接。

2.2支撐系統的布置

支撐系統是保證主體結構整體剛度和承重安全穩定性的重要組成部分。大型冶金廠房中，作用于廠房山墻上的風荷載、吊車的縱向水平荷載、縱向地震力等均要求廠房有足夠的縱向剛度，在結構上需要通過合理設置柱間支撐和對應的屋蓋支撐系統來實現。每列柱都必須設置柱間支撐，多跨廠房的中列柱的柱間支撐與起邊列柱的柱間支撐布置在同一柱子開間。柱間支撐的布置在滿足廠房縱向剛度和抗震要求的同時，還應滿足廠房溫度區間段的要求。大型冶金廠房的橫向溫度區段的跨度為120米，縱向溫度區段的長度為220米。在實際設計中，可能出現設備與柱間支撐相碰的情況，因此需要靈活調整柱間的各種形式。大型冶金廠房下柱格構式雙肢柱，應在每個分肢設置支撐，并將兩支撐相連，以加強支撐的整體穩定性。屋面支撐的布置大都對應柱間支撐布置，若屋面有設置天窗，則天窗支撐系統應與屋面支撐系統和柱間支撐系統對應，形成更為穩固的剛度體系。屋面梁若采用桁架式屋蓋，則屋面支撐需設置上弦的屋面橫向水平支撐和縱向水平支撐，以及下弦的屋面橫向水平支撐和縱向水平支撐，并必須在上下弦支撐間設置垂直支撐。

2.3圍護系統的設計

圍護系統包括廠房的檁條、墻梁、屋面板、墻面板和拉條的布置與設置。隨著冶金工藝的不斷升級和主體冶煉設備的大型化，很多廠房采用大柱距結構，有的甚至在24米以上。因此，墻面體系應采用增加中間小墻柱的設計方式以減小墻梁跨度、達到減小墻梁斷面的目的。圍護系統中的拉條系統是保證檁條、墻梁與屋面板和墻面板共同作用的關鍵環節。廠房屋面的檐口和屋脊處應設置斜拉條和剛性撐桿，以組成穩定的桁架結構體系，達到增強屋面檁條和屋面板共同作用的整體圍護結構強度。針對重型冶金主廠房常常是連續多跨車間的情況，當屋面單坡長度大于50米時，需在中間增加一道雙向斜拉條和剛性秤桿組成桁架結構體系。

2.4吊車梁系統的設計

吊車梁系統是大型冶金廠房的重要組成部分，是保障各生產作業吊車的安全運行，并將吊車的荷載傳遞至主鋼柱的重要受力系統。大型冶金廠房的吊車梁常采用焊接工字形吊車梁，由上翼緣寬鋼板、下翼緣窄鋼板和中間腹板焊接而成。工字形吊車梁一般設計成等高度、等截面的形式，根據需要也可采用變高度、變截面的形式。由于大型冶金廠房的吊車噸位很大，鋼柱采用格構柱、牛腿采用肩梁形式，所以均采用突緣式的吊車梁。

在吊車梁載荷核算時，一般按照兩臺最大起重量相等的吊車進行設計核載，或按照生產工藝實際排列兩臺起重量進行設計核載，同時考慮吊車的等級。在大型冶金工程中大型起重設備常用工作級別為A7或A6;廠房柱距一般都在12米以上，因此采用實腹式工字形吊車梁的高度基本都在1.8米以上。為了滿足受力后的整體穩定和局部穩定要求，一般同時設置橫向加勁肋和縱向加勁肋。在大型冶金廠房實際設計過程中，常因設備空間要求，需要局部加大柱距，當局部因跨度加大需要加高吊車梁斷面但牛腿位置高度又不變時，可采用端部變截面的魚腹式吊車梁，以達到在端部高度不變的條件下增加吊車梁的高度;當需要跨度更大或者強度和穩定要求更高的吊車梁時，可考慮采用箱形吊車梁。對于跨度大于24米的吊車梁，制作時按跨度的1/1000起拱。吊車梁的焊縫應根據結構的重要性、荷載特征、焊縫形式、工作環境以及應力狀態等情況進行確認。總體來說，吊車梁和制動結構、輔助桁架及支撐系統形成一個穩定的箱形體系，以承受吊車的豎向荷載以及橫向水平荷載，并同時保證自身的結構穩定性。

結語：

綜上所述，新疆重型冶金廠房的設計因工藝復雜、設備眾多，使其設計所涉及的內容更紛繁復雜，既需要滿足規范的設計規定，還需要考慮綜合經濟效益。另外，隨著新疆冶煉技術的不斷提升、冶煉設備大型化及國外先進設備的引進，不斷給設計人員帶來新的挑戰和考驗。因此，需要不斷提高設計人員的專業水平，以設計出更適合現代鋼鐵企業和符合高質量要求的重型冶金工程廠房。

參考文獻：

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