帶雙層吊車的大柱距重型鋼結構廠房設計

馬曉輝

(上海市機電設計研究院有限公司，上海200040）

1 工程概況

某風電裝配廠位于臨海強風、高烈度地區，其主車間——裝配車間為設有雙層吊車的重型單層鋼結構廠房。平面軸線尺寸72 m×166.8 m（見圖1），南北向（橫向）跨度36 m×2，東西向（縱向）主要柱距為12 m，因工藝布置需要，東端局部柱距28 m、6.8 m各一列，屋面梁底凈高27.8 m。車間內設雙層橋式吊車（見圖2），下層吊車軌頂標高17 m，每跨內各設3臺50 t吊車；上層軌頂標高22 m，南跨（D～G軸）內設100 t、150 t、300 t 3臺吊車，北跨（G～K軸）內設100 t、250 t、500 t 3臺吊車。所有吊車均為中級工作制，地面控制。

圖1 車間平面布置圖

圖2 橫向剛架立面圖

建設場地臨海，基本風壓0.8 kN/m2，地面粗糙度類別為A類，抗震設防烈度8度，場地類別為第Ⅲ類，特征周期為0.55 s。車間內工藝、公用管線吊載很大，南北向管線沿山墻布置，固定在抗風柱上，東西向管線沿各柱列布置，部分吊于屋面，部分吊于下層吊車梁下，吊載4～8 kN/m，最重處達12 kN/m。

2 結構體系

本項目屬重型單層鋼結構廠房，風荷載、水平地震荷載及吊車水平荷載均較大，因此，橫向采用剛接框架體系，縱向采用柱間支撐體系，屋面設置完整的支撐系統，形成有效的抗側力體系。剛架柱為階形柱，下柱采用雙肢H形鋼格構柱，上柱采用H形鋼柱，屋面梁采用H形鋼梁，柱與基礎、屋面梁均剛接。柱間支撐為上、中、下3層支撐（見圖3），上支撐對應上柱，采用單片圓管，中、下支撐對應下柱，采用雙片槽鋼。屋面支撐包括縱向、橫向支撐（見圖4），采用圓管截面。28 m柱距處設有托梁、托架、屋面次梁及墻架柱。

圖3 縱向柱間支撐立面圖

圖4 屋面結構平面圖

3 柱系統設計

3.1 純鋼格構柱和鋼管格構柱的比選

帶大噸位吊車的重型單層鋼結構廠房下柱普遍采用格構柱，多為雙肢H形鋼格構柱、雙肢或四肢鋼管混凝土格構柱。鋼管混凝土格構柱的鋼含量較純鋼格構柱少20%左右，且側向剛度更大，可更有效地控制柱頂位移[1]。但本項目最終還是選擇采用純鋼格構柱（見圖5a、5b），主要基于以下幾點考慮：（1）鋼管混凝土格構柱施工工藝復雜，周期較長，而本項目工期緊張，只有采用純鋼格構柱才能滿足需求；（2）本項目建筑高度不大，采用純鋼格構柱已經能控制柱頂位移滿足規范[2]中1/400的規定；（3）本項目建設場地臨海，地基條件差，采用純鋼格構柱可減小結構自重。

圖5 剛架柱簡圖

3.2 剛架柱截面設計

本項目G軸中列柱肢距2.5 m，D軸、K軸邊列柱肢距2.25 m，因K軸的吊車較D軸重，其下柱的截面較D軸大。縱向上，28 m柱距處的加強榀的柱截面較一般中間榀柱大，山墻處的邊榀的柱截面較一般中間榀柱小。因此，本項目共有9種剛架柱見表1，即根據建筑平面特點及吊車使用情況，充分細化柱的截面設計，以減少用鋼量，同時每列柱的肢距統一，每榀柱的寬度統一，以便于其他結構構件的設計及工藝的布置。

表1 剛架柱截面匯總表

3.3 肩梁設計

剛架柱在標高14.985 m處設挑出牛腿支承下層吊車梁，在標高16.838～18.810 m范圍設肩梁支承上層吊車梁及上柱。立面上2層吊車之間間隙小，肩梁的下翼緣亦作為下層吊車梁上翼緣的側向連接點（見圖5），所以，肩梁高度需同時核對上下吊車的軌高、吊車梁高度，最終取為1 972 mm。對中列柱，上層吊車梁直接支于下柱的2個分肢，上柱翼緣開槽插入肩梁；對邊列柱，上層吊車梁直接支于下柱的1個分肢，上柱外側翼緣直接連接下柱的另1個分肢，內側翼緣開槽插入肩梁。肩梁起“轉換梁”作用[3]，受力表現為深受彎構件，承受很大剪力，設計重點關注腹板的強度、局部穩定性以及腹板相關焊縫的強度。對此，按受彎構件計算并確定腹板的基本厚度，上柱插入肩梁的翼緣作為加勁肋再驗算腹板的局部穩定性，確定最終厚度。相關焊縫均采用全熔透等強焊縫，并避免焊縫密集相交。

4 吊車梁系統設計

4.1 吊車梁截面設計

本項目采用焊接H形鋼吊車梁。在同一列柱上，存在12 m、28 m和6.8 m 3種柱距，形成3種跨度的吊車梁。28 m柱距處的吊車梁高度最大，而此處的工藝凈空需求卻最高——14 m。

吊車梁設計時大多數以12 m跨度吊車梁為基準，28 m跨度吊車梁采用變高截面梁，端部高度同12 m跨度吊車梁。12 m跨度吊車梁截面按高、窄、薄形設計，以減少用鋼量；28 m跨度吊車梁盡量控制梁高，截面相對呈矮、寬、厚形，以增大梁下凈空，亦減小截面變高的量。下層吊車梁均按2臺50 t吊車設計；上層南跨吊車梁按1臺150 t和1臺300 t吊車組合設計，28 m處限制其他吊車進入，僅按1臺300 t吊車設計；上層北跨吊車梁按1臺250 t和1臺500 t吊車組合設計，28 m處限制其他吊車進入，僅按1臺500 t吊車設計。這樣在符合吊車的實際使用需求下，減小28 m跨度吊車梁的截面，相應的吊車只需增加紅外自動限位裝置即可。吊車梁截面匯總見表2。

表2 吊車梁截面匯總表

另外，上層南北跨的吊車噸位不同但吊車梁截面取相同的高度、不同的寬度和板件厚度，以便于柱系統和制動系統的布置。各吊車梁中，厚度超過40 mm的板件采用Z向性能鋼板。最終，在控制用鋼量的基礎上實現28 m柱距以及高位置的高凈空要求，如圖3所示，上下層吊車梁在此處幾乎貼近，留出安裝間隙。

4.2 支座形式

吊車梁支座形式通常有2種（見圖6），分別為凸緣支座、平板支座。本項目采用凸緣支座做法：（1）凸緣支座更符合吊車梁簡支的計算假定；（2）雖然吊車梁關于柱對稱，但吊車運行可能使柱一邊的吊車梁受力，另一邊不受力，平板支座會引起剛架柱在弱軸方向偏心受力，在吊車噸位大時非常不利，凸緣支座可有效避免該問題；（3）本項目中支承吊車梁的肩梁和牛腿都是H形截面，凸緣支座的端部可更直接地傳力于肩梁和牛腿的腹板，同時腹板在此處貼上端刨平頂緊的楔形板。

圖6 吊車梁支座形式

4.3 變截面做法

大跨度吊車梁端部變截面做法通常有3種（見圖7）：楔形、直角形和圓弧形。選型時主要考慮各做法的抗疲勞性能。研究表明[4]，楔形變截面的疲勞裂紋敏感區位于斜翼緣上轉折點，直角形的裂紋敏感區位于端封板與插入板的焊縫位置，圓弧形的裂紋敏感區位于整個圓弧翼緣；楔形變截面的疲勞裂紋擴展驅動能最小，即抗疲勞性能最好，直角形次之，而圓弧形的疲勞裂紋擴展驅動能遠大于其他兩種，抗疲勞性能很差，所以新版GB 20017—2017《鋼結構設計標準》限制使用圓弧形做法。因此，本項目最終采用楔形變截面做法。

4.4 焊縫設計和現場施工

28 m吊車梁設有縱向、橫向加勁肋和短加勁肋，且限于加工、運輸因素，還需要分段運輸、現場焊接，因此焊縫眾多。可靠的焊縫設計和施工是保證吊車梁抗疲勞性能的關鍵因素，除進行疲勞驗算外，還要采取多方面的構造措施和施工措施。橫向加勁肋與下翼緣保持一定的距離，變截面處頂緊不焊，起落弧避開下端，中間連續圍焊，不得中斷。縱向、橫向、短加勁肋焊縫、現場拼接焊縫互相錯開，避免密集相交，也要避開變截面處的疲勞裂紋敏感區。現場拼接焊縫采用陶瓷墊片V形坡口全熔透焊縫，墊片長度大于翼緣板寬度，在外面起落弧，最后割去磨平，按一級焊縫100%進行探傷檢驗。

5 吊車制動系統設計

吊車制動系統是保證吊車梁穩定性和結構整體性的重要因素。作為吊車梁的側向支撐，制動系統除需要承受吊車的橫向剎車力外，還應能承受受壓翼緣軸力的1/60。作為結構抗側力體系的一部分，制動系統還承受對應的風荷載和地震作用。

下層吊車梁上弦設制動板，邊列柱處設置H形鋼作輔梁。28 m吊車梁增設垂直支撐，如圖8a所示。

上層吊車梁上弦設制動桁架，下弦設水平桁架，邊列柱尚設置輔助桁架，間隔一定距離設置垂直支撐，如圖8b所示。28 m吊車梁的輔助桁架高度同吊車梁端部高度，跨中位置吊車梁高度大于輔助桁架時，垂直支撐構造如圖8c所示。

圖8 吊車梁垂直支撐簡圖

6 其他設計

6.1 屋面托梁（架）設計

屋面、墻面結構的設計重點在28 m柱距處的設計。對于大柱距處的屋面結構，通常有以下做法：（1）設屋面次梁，次梁直接支承于大跨度吊車梁上；（2）縱向增設托梁或托架，屋面次梁支承于托梁或托架上。做法（1）可以減少用鋼量，但無法避免吊車運行引起屋面結構的振動；做法（2）可有效避免振動。因本項目屋面有較多的工藝、公用管線，所以選擇方案（2），在D軸設托架，G軸、K軸設托梁（見圖4），其中，D軸設托架是因為車間南側尚有低矮的倉庫屋面鋼梁搭接于該托架的下弦標高處。

托梁、托架在設計時需考慮向下受彎和向上受彎2種工況。首先，在恒載、活載、吊載作用下，托梁、托架向下受彎，上翼緣（或上弦）受壓。為減小平面外計算長度，可在托梁、托架兩邊設屋面水平支撐（見圖4），計算長度可減小為9.3 m。同時，本項目建設場地風荷載大，存在風吸力大于屋面自重的工況。此時，托梁、托架向上受彎，下翼緣（或下弦）受壓，雖然該工況的荷載小，但無法設置水平向支撐、減小平面外計算長度，需要補充復核該工況。截面設計上，托梁翼緣盡量寬，截面呈矮、寬型，托架弦桿采用方鋼管。

6.2 墻架設計

28 m柱距外墻處設2根墻架柱，柱底立于基礎上，柱頂、柱中與屋面結構、雙層吊車的制動系統側向連接（見圖5c），水平受約束、上下自由，按多階抗風柱設計。此時，吊車的制動系統除承受吊車水平荷載外，尚承受墻面風荷載，按最不利組合設計。風荷載工況下，制動系統的水平變形需滿足GB 20017—2017《鋼結構設計標準》中對抗風桁架1/1000的限值。

7 結語

本文介紹了某風電裝配廠裝配車間的結構設計，該項目有大跨度、大柱距、大噸位雙層吊車等特點，主要介紹廠房柱系統、吊車梁系統以及制動系統的設計：

1）剛架柱下柱采用雙肢H形鋼格構柱、T形鋼綴條，上柱采用H形鋼柱。根據建筑平面特點及吊車使用情況，充分細化柱的截面設計，規整結構構件的同時，減少用鋼量。對肩梁和柱腳進行重點設計，保證連接可靠。

2）采用焊接H形鋼吊車梁。根據建筑平面特點及吊車使用情況，充分優化吊車梁的截面設計，減少用鋼量，提高結構凈空。重點關注吊車梁的支座形式、變截面做法以及焊縫的設計和現場施工，以保證吊車梁的抗疲勞性能。

3）根據吊車噸位、吊車梁高、跨度綜合采用制動板、制動桁架2種制動系統，輔以輔梁、輔助桁架、下弦水平桁架、垂直支撐等，保證吊車梁穩定性和結構整體性。

作為重型鋼結構廠房，合理的結構布置、構件和節點設計尤為重要。建設和后續使用情況表明，本項目的設計安全、經濟、適用，獲全國機械工業優秀工程勘察設計二等獎，為類似鋼結構廠房的結構設計提供了一定的參考。