某重型鋼結(jié)構(gòu)廠房優(yōu)化研究

杜 宇 段旭松

(中國十九冶集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計分公司，四川成都 611730)

0 引言

隨著國家對鋼材產(chǎn)業(yè)的鼓勵和引導(dǎo)，我國2011年中國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到6.95億t左右，這為大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了良好的外部基礎(chǔ)。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的大環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)廠房由于其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能和良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益，越來越多的應(yīng)用到工業(yè)建筑當(dāng)中，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房特別是帶有大噸位的重型鋼結(jié)構(gòu)廠房在國內(nèi)迅速發(fā)展，已進(jìn)入一個新的快速發(fā)展階段。

1 背景工程簡介

本文所述某重型廠房擬建場地較為平坦，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類。該地區(qū)基本風(fēng)壓0.30 kN/m2。擬建廠房平面為“一”字形，長度為360 m，跨度方向為144 m，總建筑面積超過50 000 m2。

1.1 模型分類

本工程為四連跨重鋼廠房，共有8臺吊車，其中A-B，B-C，DE軸跨內(nèi)有雙層吊車，上層32 t，軌道標(biāo)高7.6 m，下層10 t，軌頂標(biāo)高10 m;C-D軸內(nèi)上層吊車125 t，軌頂標(biāo)高14.2 m，下層吊車50 t，軌頂標(biāo)高10 m。吊車噸位大，數(shù)量多是本例重鋼廠房的特點(diǎn)，于是合理設(shè)計、保證廠房結(jié)構(gòu)安全可靠，降低工程造價是亟待分析研究的對象。廠房剛架立面簡圖見圖1。

根據(jù)工藝要求，柱距要求在9 m～12 m最適合布置工位和設(shè)備。于是，下一階段的主要工作就是依據(jù)工藝要求對主剛架進(jìn)行建模計算。據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，剛架橫梁的截面一般采用工字型鋼，初選橫梁截面高度可取跨度的1/40～1/30。本例中，由于柱距和屋面荷載已經(jīng)確定，因此在計算優(yōu)化后對于橫梁的變化不大，所以本例將重點(diǎn)對主鋼架的不同截面鋼架柱進(jìn)行分析研究。由相關(guān)經(jīng)驗可知，主剛架的用鋼量一般占總項目用鋼量的1/3～1/2，所以，對主剛架的合理設(shè)計和控制可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，為分析柱距、鋼柱對主剛架的影響，本文將主要以如下幾個模型進(jìn)行分析，剛架柱截面初選主要依據(jù)經(jīng)驗公式和參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》［1］表10-3，本文依據(jù)柱距和格構(gòu)柱截面共建立6個結(jié)構(gòu)模型。

1.2 模型主剛架柱截面特性

各模型的二維計算簡圖如圖1所示，柱子編號從左至右分別為A-E號，各柱子主要截面參數(shù)見表1，表2。

模型中，柱子采用雙鋼管鋼混凝土組合截面的鋼管內(nèi)填充C40混凝土，采用四鋼管鋼混凝土組合截面的鋼管內(nèi)填充C30混凝土。經(jīng)軟件計算，各模型應(yīng)力比、柱頂位移、撓度均滿足規(guī)范要求，在此前提下以用鋼量為評價標(biāo)準(zhǔn)，對上述模型在不同柱網(wǎng)布置、不同柱截面形式時廠房結(jié)構(gòu)的總用鋼量進(jìn)行比較分析，提出了最為經(jīng)濟(jì)的柱距及格構(gòu)柱形式。

表1 9 m柱距各格構(gòu)柱主要截面參數(shù)

表2 12 m柱距各格構(gòu)柱主要截面參數(shù)

2 模型計算分析

經(jīng)計算，各模型主剛架用鋼量見表3。

從表內(nèi)數(shù)據(jù)可知，在柱距相同的情況下，H型鋼格構(gòu)柱截面較鋼管混凝土組合式格構(gòu)柱截面單榀用鋼量少2 t～7 t左右，總用鋼量少30 t～110 t左右，按鋼材出場單價8 000元計算，僅此一項就可節(jié)約造價約25萬元～90萬元。

表3 各模型用鋼量表

其余構(gòu)件用鋼量單獨(dú)計算，最終用鋼量如表4所示。

從表3和表4可知，雖然12 m柱距標(biāo)準(zhǔn)榀數(shù)量較9 m柱距減少，但是經(jīng)計算總用鋼量仍較9 m柱距多，因此9 m柱距是較合理的柱距，而在格構(gòu)柱形式上，雙H型鋼格構(gòu)柱與雙鋼管混凝土組合截面用鋼量相近，但是加上澆筑混凝土的造價，H型鋼格構(gòu)柱是性價比最高的選擇。

表4 吊車梁及附屬構(gòu)件用鋼量表

綜合上述數(shù)據(jù)，廠房所有構(gòu)件總用鋼量見表5。

表5 各模型總用鋼量表

上述模型中各構(gòu)件用鋼量占總用量比例如圖2所示。

模型分析結(jié)論如下:

1)柱距增加對于廠房整體用鋼量有明顯影響，柱距越大，單位用鋼量越大。以本文最終設(shè)計方案的雙H型鋼格構(gòu)柱為例，9 m柱距較12 m柱距用鋼量下降9.04%，鋼材減少338.522 t，如以鋼材市場單價8 500元(含材料、制作、油漆、不含安裝)計算，可節(jié)省造價287.75萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2)柱距越大的吊車梁鋼材用量越大，單位造價也越高。

3)主剛架及吊車梁占到了結(jié)構(gòu)總用鋼量的70%左右，降低造價最為直接有效的方法就是合理選取柱子截面和柱距，對主剛架和吊車梁進(jìn)行優(yōu)化，可以取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

4)通過本設(shè)計發(fā)現(xiàn)，在有大噸位吊車的廠房設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先選擇全鋼結(jié)構(gòu)的格構(gòu)柱，單位用鋼量較鋼混凝土組合式格構(gòu)柱低，而且還省去了混凝土購買和澆筑費(fèi)用，此外制作工藝也較為簡單，快捷。

最終，經(jīng)過與業(yè)主討論溝通，項目采用了最少用鋼量的模型，9 m柱距雙H型鋼格構(gòu)柱截面，較其余模型總鋼材節(jié)省了10%左右，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

隨著重鋼廠房越來越多的應(yīng)用到工業(yè)建筑領(lǐng)域，鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化必將迎來發(fā)展大潮，通過優(yōu)化不僅可以使結(jié)構(gòu)的受力更為合理，同時降低建造成本，提高鋼材利用效率，順應(yīng)了資源節(jié)約型社會的發(fā)展趨勢。

［1］《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》編委會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊(上下冊)［M］.第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］CECS 102-2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.