某大型煉鑄鍛鋼聯合廠房結構選型設計

林振楊，申秀秀

（1.中機第一設計研究院有限公司，合肥 230601；2.匯杰思創(北京)建筑設計有限公司，北京 101403）

1 工程概況

本項目是在用地極其緊張的裝備產業園區新建大型煉鑄鍛鋼聯合廠房，建筑面積133 707.39 m2，建筑物總長度427.94 m，總寬度379.84 m，廠房最大高度40.85 m（脊高）。廠房由廢鋼車間、清鏟車間、煉鑄車間、鍛造熱處理車間、機加工車間組成，配置20～450 t 不等的吊車。廠房地上部分全部采用鋼排架結構，屋面梁采用變截面H 形鋼梁，柱采用格構式單階或多階排架柱，下段柱為雙肢格構式組合柱，中間段為實腹式組合柱，上段柱為實腹式H 形鋼柱，采用獨立承臺樁基礎。該廠房的平面尺度、高度，工藝復雜程度均為國內少見。聯合廠房建筑效果圖如圖1 所示。

圖1 聯合廠房建筑效果圖

2 設計基本數據

本項目抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為8 度，設計基本地震加速度為0.20g，地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅲ類。場地土基本凍深0.8 m。考慮到廠房的重要程度，按百年一遇確定基本風壓為0.45 kN/m2，地面粗糙度類別為B 類。基本雪壓為0.35 kN/m2。屋面設計活荷載為0.5 kN/m2。吊車工作級別為A5～A7。

3 廠房結構設計要點

3.1 排架柱選型

經過綜合考慮各種因素，選用上柱為實腹式，中、下段柱為格構式階形柱，根據構造要求[1]，取柱寬為柱截面高度的1/3左右，上柱截面高度取下柱截面高度的4/5 左右，合理調整柱肢間距，使吊車梁支點均作用于吊車肢中心，初步確定排架柱主要尺寸。

對于有大噸位吊車的重型鋼結構廠房格構柱可以采用型鋼或者鋼管（包含鋼管混凝土）組合截面。以N 軸有4 層肩梁的復雜階形柱為例，考慮到車間的可持續發展及復雜工藝設備管道吊掛等因素的影響，柱最大應力比按照0.8 進行控制，兩種形式的柱截面如圖2 和圖3 所示。比較兩種形式剛架的自振周期，焊接型鋼格構柱的自振周期更大，說明鋼管混凝土格構柱車間的整體剛度更好。比較兩者的用鋼量，鋼管混凝土格構柱可節約20%。

圖2 N 軸柱截面簡圖（焊接型鋼格構柱）

圖3 N 軸柱截面簡圖（鋼管混凝土格構柱）

考慮到鋼管混凝土格構柱寬度相較更大，使得本身用地緊張的車間有效使用空間更有限，且現場施工安裝難度更大，施工周期更長，而且整個廠房吊車的噸位跨度較大（32～450 t），并不是所有跨均可采用鋼管混凝土格構柱，若部分采用，廠房內的視覺觀感較差，在和甲方及有經驗的施工方在經濟技術、材料、施工技術、施工進度、施工質量等方面的綜合探討比較后，最終選擇了焊接型鋼格構柱的形式。柱腳采用構造較為簡單、傳力性能優越、鋼材用量較省的杯口插入式柱腳，柱腳插入深度需滿足GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016 年版）[2]的要求。

3.2 柱間支撐的設計

本項目的吊車布置較復雜，煉鑄車間N 軸和R 軸柱列分別有4 層和3 層吊車，且就吊車噸位最大為320 t。鍛造熱處理車間D～E 軸跨，在縱向1～15 軸為高、中兩層吊車，16～21 軸取消高層吊車，僅中層一層吊車，22～29 軸新增低層吊車，共中、低兩層吊車，29～46 軸再取消中層吊車，僅低層一層吊車。根據排架柱的選型及吊車梁的布置等不同情況，并結合廠房內部空間使用的需求，進行柱間支撐選型設計。具體有如下形式：車間外圍柱列下柱支撐采用構造簡單、受力明了、用料較省的十字交叉支撐；車間中間柱列下柱支撐采用了用料較多、剛度較差的門形支撐，以保證車間內的通行暢通，以及柱間布置工藝設備的需求；中段柱根據其高度與柱距的關系，按照高度與柱距的比值由大到小，依次選用十字交叉撐、八字撐、桁架式撐的形式。從桿件受力合理、板材經濟方面考慮，支撐傾角控制在35°～55°[3]。

3.3 吊車梁系統的設計

吊車梁的設計需要考慮吊車噸位及工作級別的影響，本項目吊車噸位較大（最大450 t），且工作級別為重級，不僅需要進行疲勞驗算，而且需要控制豎向和水平向的變形[4]。吊車梁的類型有型鋼梁、吊車桁架、焊接組合工字形梁、焊接箱形梁。經過綜合考慮，本項目宜采用后面兩種形式。焊接工字形梁承載性能良好，工作可靠，施工簡便，且易于梁截面優化。焊接箱形梁由上下蓋板及兩側腹板組成封閉箱型梁，有較好的整體剛度和抗扭剛度，但是制作施工復雜。綜合考慮，本項目采用了焊接工字形吊車梁。為了保證柱肩梁設計的簡便安全，不同跨度的吊車梁端部采用相同的截面高度，因部分抽柱而形成大跨度的吊車梁采用了變截面高度。

焊接工字形梁腹板的耗鋼量較大，為了減少用鋼量，且還必須保證腹板的穩定性，對于梁高大于3 m 的，計算優化設置縱向和橫向加勁肋，通過合理控制加勁肋的間距，保證腹板在吊車動荷載作用下的穩定性。

3.4 屋蓋系統的設計

屋蓋系統的設計不僅與建筑體型密切相關，而且需要滿足通風、采光、排水以及部分車間的除塵功能（例如煉鑄車間）的需求，同時各構件之間關系比較復雜，再遇到車間抽柱的情況，對屋蓋系統的布置更加需要重視。屋蓋系統的耗鋼量約占整個廠房的百分之三四十。屋蓋系統可采用的方案形式比較多，設計時需綜合研究，詳細比較才能獲得較好的經濟效果。

本項目煉鑄車間各跨高低錯落，屋頂有除塵罩及大型除塵管道的布置，且有幾處抽柱的情況。鍛造熱處理車間不僅橫向高低錯落，車間沿著縱向也有幾次變高度，整個屋面形體較為復雜。經考慮，屋蓋采用平面結構體系，不僅能夠很好地適應本項目的平面及豎向不規則、橫向及縱向的錯落變化，而且長遠來看，也能更好地適應廠房的改擴建需要。

本項目采用了有檁輕型彩鋼板屋蓋，屋蓋梁選用了制作安裝較簡單的實腹式焊接變截面工字形梁，梁柱連接采用剛性連接，不僅可以滿足屋面承載需求，且能有效減小整個屋蓋系統的高度。屋蓋在對應于柱間支撐的位置設置了橫向水平支撐，在邊列排架柱處、等高屋面的中柱選擇吊車噸位大的一邊或者跨度大的一邊、不等高屋面的中柱兩側設置縱向水平支撐。由于本項目柱距為12 m，屋蓋支撐布置時，采取了一級主系桿（12 m 跨）間再設二級次系桿（跨度6 m 左右），從而可以選擇截面較小的角鋼交叉支撐。

4 結語

1）重型高大工業廠房采用鋼管混凝土格構柱和箱形吊車梁的結構形式，通常情況下可以提高廠房的剛度、節省用鋼量。但是考慮到施工制作難易程度、施工周期的長短及車間的可持續改造發展等因素的影響，往往采用焊接型鋼格構柱和H 形截面吊車梁的方案，其綜合經濟性指標更佳。

2）柱間支撐的布置需要根據工藝布局需要，考慮構件傳力的合理性，構造的難易，選擇合理經濟的支撐形式。

3）高大廠房采用實腹式變截面工字形屋面梁和有檁輕型彩鋼屋面，屋面梁與柱剛接，可提高廠房的剛度，降低廠房整體高度，方便施工安裝且易于維護改造，整體效果較好。