大跨度超高重型鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
——以某鋼框架結(jié)構(gòu)廠房為例

呂元星，唐招凈

河北寰球工程有限公司，河北 保定 072754

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對廠房結(jié)構(gòu)有了新的要求，尤其是重型裝備作業(yè)，對于廠房的要求更高。這一類廠房結(jié)構(gòu)跨度大、跨數(shù)多、吊車荷載大，因此這一類廠房結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。為滿足現(xiàn)在對于廠房結(jié)構(gòu)的要求，要從大跨度廠房結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)著手，確定當(dāng)前設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從多個方面考慮廠房的設(shè)計(jì)，并且做好相關(guān)工作數(shù)據(jù)的計(jì)算。

1 鋼結(jié)構(gòu)平面布局選型

在正式開始施工前需要對廠房的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對鋼結(jié)構(gòu)所在區(qū)域進(jìn)行合理劃分，在劃分時要從各個方面進(jìn)行考慮，一般從工藝布局、建筑物平面尺寸和吊車的設(shè)置等方面進(jìn)行考慮。

1.1 確定結(jié)構(gòu)平面尺寸

在劃分大跨度超重型鋼結(jié)構(gòu)廠房時，一般將單元長度尺寸控制在220m以下，需要對平面尺寸進(jìn)行劃分，劃分的尺寸不僅需要滿足工廠生產(chǎn)工藝的要求，還要考慮貨流的出入口、人流的出入口等因素。對于大跨度重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的布局劃分，要考慮劃分的經(jīng)濟(jì)效益，確保設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟(jì)可行的。

1.2 滿足吊車使用需求

大跨度超高重型鋼結(jié)構(gòu)廠房會有一些大型設(shè)備需要吊裝，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時要考慮到吊車的影響，盡可能縮小軌高差異，將低于12m的鋼架端部下沿合并，合并成同一個單元計(jì)算。如果廠房為多跨吊車，在設(shè)計(jì)時要保證各個單元的分配合理性，考慮到地震對鋼結(jié)構(gòu)廠房的影響。若有兩個吊車公共軸，一般把軸柱子設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)中的防火隔墻，以此保證整個廠房結(jié)構(gòu)的安全性，并將其設(shè)置在主跨鋼架鋼柱的外側(cè)位置，這樣不易出現(xiàn)脫縫的情況。

1.3 控制結(jié)構(gòu)投影尺寸

在設(shè)計(jì)廠房時，除了對平面尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，還要考慮鋼結(jié)構(gòu)的投影尺寸，一般將投影尺寸控制在一個矩形或方形的結(jié)構(gòu)中，在具體設(shè)計(jì)時，需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，以提高廠房結(jié)構(gòu)的抗震性能，保證結(jié)構(gòu)的正常使用。

2 廠房屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在開展廠房設(shè)計(jì)工作時，需要考慮廠房屋面剛度對結(jié)構(gòu)的影響，對于一般的大跨度超重型鋼結(jié)構(gòu)廠房而言，一般要求廠房屋面剛度較大，這樣才符合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性與合規(guī)性。在設(shè)計(jì)的過程中必須保證廠房的屋面結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)變形，嚴(yán)格控制撓度。對于廠房變形而言，需要重點(diǎn)對其進(jìn)行控制，尤其是需要控制吊車軌頂處的水平位移，因?yàn)樗轿灰七^大，廠房屋面剛度不夠，很容易造成屋頂變形，此時鋼柱就會起到懸臂柱的作用，但需要增大柱子剛度以及柱子截面，以滿足設(shè)計(jì)要求。在重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中，大多數(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般采用桁架屋面梁，該類廠房結(jié)構(gòu)的自身荷載度大，若未采取具有針對性的措施進(jìn)行處理，則會使得廠房屋面使用時出現(xiàn)漏水情況。此外，還可以選用實(shí)腹式梁方式，這類梁柱結(jié)構(gòu)屬于鋼接觸式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形的概率小，基本不會漏水。大跨度超高重型鋼結(jié)構(gòu)廠房如圖1所示。

圖1 大跨度超高重型鋼結(jié)構(gòu)廠房圖

3 大跨度超高重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 大跨度超高重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的工程概述

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷增長，工業(yè)生產(chǎn)量直線上升，對于重型設(shè)備的要求也不斷提高。為了滿足現(xiàn)代工業(yè)中的生產(chǎn)要求，以及重型設(shè)備運(yùn)行的要求，在進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時需要針對大跨度、多跨數(shù)、大噸位的吊車、大柱距等廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，在所有的設(shè)計(jì)方案中，挑選最合適的廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。文章以某廠房為例進(jìn)行論述，該廠房結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)，跨度為55.3m，柱距為25m，柱高為65m，縱向長度為260m。此外，可以在廠房結(jié)構(gòu)的房高53m處運(yùn)行4臺500t的吊車，在高25m處運(yùn)行2臺160t的吊車，統(tǒng)計(jì)所用吊車均為A2類工作制。在進(jìn)行廠房設(shè)計(jì)時，要確保廠房的位移、應(yīng)力等滿足相關(guān)規(guī)范要求。該廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案種類及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案類型及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.2 廠房結(jié)構(gòu)選型

在設(shè)計(jì)時不僅要考慮廠房生產(chǎn)需求，還要考慮廠房的結(jié)構(gòu)選型，保證廠房的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及吊車在運(yùn)行過程中的安全性。如果所選結(jié)構(gòu)形式不符合這些要求，要重新選擇或?qū)ΜF(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行更改，保證所更改的廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安全性，且滿足吊車正常運(yùn)行的要求。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，要對所選定結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析。此工程選用單階柱（三柱肢），柱的橫截面尺寸為HW498mm×432mm，屋架選擇三肢架，上下弦截面均為HW400mm×400mm，腹桿為219mm×10mm，上下支撐的吊車梁采用外伸式牛腿。為滿足廠房的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及吊車正常運(yùn)行的要求，需要利用3D3S計(jì)算軟件或MIDAS計(jì)算軟件對廠房進(jìn)行詳細(xì)分析。取某一中間榀利用3D3S計(jì)算軟件和MIDAS計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算的過程中，可忽略其存在的空間作用，兩種位移分析軟件的計(jì)算結(jié)果對比如表2所示。

表2 兩種位移分析軟件的計(jì)算結(jié)果對比

進(jìn)行廠房設(shè)計(jì)分析時，排架柱頂位移需要滿足規(guī)范要求，因?yàn)榕偶苤斔降奈灰茣苯佑绊懙踯嚨陌踩\(yùn)行，在具體設(shè)計(jì)時，需采取合理措施保證重型吊車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，同時降低吊車、卡軌力對鋼結(jié)構(gòu)會造成的不良影響。因吊車荷載較大，形成的柱腳彎矩較大，需對鋼柱腳形式進(jìn)行分析，采取合適的柱腳形式以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 框架結(jié)構(gòu)分析

（1）排架柱頂位移設(shè)計(jì)分析。在進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析時，需要以鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范為主要應(yīng)用條件，對排架柱頂位置的水平位移限制情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并依據(jù)實(shí)際情況取值，采取合適的管控舉措，實(shí)現(xiàn)重型吊車對實(shí)際廠房結(jié)構(gòu)施工安全性與穩(wěn)定性的保證，避免吊車卡軌力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

（2）柱腳形式設(shè)計(jì)分析。在進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析時，需要確保重型吊車的載荷值一直處于較大的狀態(tài)，同時增大柱腳彎矩力，確認(rèn)柱腳形式。若只能采取常規(guī)的接入方式，則無法進(jìn)行全面的柱腳受力分析，受力需求得不到滿足，此時需采用插入方式進(jìn)行精確計(jì)算，以滿足工程施工界面。

4 結(jié)束語

目前，工業(yè)生產(chǎn)中重型廠房的需求量很大，為滿足工業(yè)生產(chǎn)對大跨度超高重型鋼結(jié)構(gòu)廠房的需求，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需對廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加合理的設(shè)計(jì)以及精準(zhǔn)的計(jì)算，并不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性，確保大跨度超高重型鋼結(jié)構(gòu)廠房滿足工業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)要求。