大功率機車檢修基地雙層吊車廠房的結構分析

周　杰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

大功率機車檢修基地采用流水檢修工藝，主要包括檢修組合車庫、解體組裝庫、優化噴漆庫、轉向架檢修庫、返修庫、機車調試庫、機車整體試驗庫，并新設檢修綜合樓、移車臺、淋雨試驗等檢修設施。新設機車出入線、機車停留線、交車棚及房屋、機車外皮清洗機、股道管理自動化系統等機車整備設施，預留機車整體吹掃庫等。其中解體組裝庫是大功率機車檢修基地中檢修工藝生產線上最為重要也是最復雜的的一個環節。該環節檢修工藝要求吊車頻繁作業，并具有多種工作級別，且應具備大噸位整體吊裝能力。因此，該庫房具有跨度大、長度超長、帶有雙層大噸位吊車等一系列特點，這種廠房也是首次應用于鐵路工業檢修車庫中，對鐵路行業房屋建筑設計提出了新的挑戰和機遇。本文擬通過對雙層吊車廠房的排架結構特性分析及比選，提出適用于大功率機車檢修基地雙層吊車鋼結構廠房的合理結構形式。

1　排架柱形式的比選擇

在以往廠房設計中，通常豎向受力結構體系為排架結構，而排架柱的常見的形式主要有實腹和格構兩大類，對于鋼結構，在柱截面高度大于1 000 mm時，下柱宜采用格構柱，上柱一般為實腹柱，這是因為格構柱可用較少的條形鋼材，通過有機的組合達到較大的截面慣性矩。

圖1　實腹柱和格構柱比較(單位：cm)

如圖1，某雙層吊車廠房中柱采用格構柱：焊接H型鋼+焊接H型鋼，截面寬度2 050 cm×420 cm，其截面特性：

A=414 cm2，Ix=270 697 cm4，Iy=8 316 599 cm4；

若采用實腹柱2 500 cm×800 cm×18 cm×25 cm，其截面特性：

A=841 cm2，Ix=213 452 cm4，Iy=8 331 752 cm4

在同樣的力學參數時，實腹柱用鋼量將多出近一倍(僅柱截面)，因此有條件采用格構柱時，可以大幅度地降低工程用鋼量。相關研究表明，吊車噸位越大、廠房跨度越大，這種經濟性將越明顯。

經研究分析，格構柱和實腹柱受力的區別在于格構柱的兩肢可分為屋蓋肢和吊車肢，在豎向荷載下兩肢分別獨自受力。屋蓋肢主要承受風荷載、上柱傳來的屋蓋荷載和吊車水平荷載。廠房邊柱的吊車肢僅承受吊車的豎向荷載，廠房中柱的兩個肢均為吊車肢。此時，吊車肢還將承擔通過肩梁傳來的上柱荷載，而兩跨的吊車荷載則分別各自承擔，如圖2所示。

圖2　肩梁和柱關系

2　格構柱截面形式的選擇

常用的格構柱截面形式如圖3所示。

圖3　格構柱常用截面形式

上述截面形式中，a、b、d、e截面多用于邊列柱，c、f截面多用于中列柱。

d、e、f類截面格構柱一般為鋼管柱中灌注混凝土，適用于有重級、特重級吊車的鋼結構廠房，其焊接、構造工序比較復雜，不利于下層吊車牛腿施工。

對于大功率機車檢修基地，雙層吊車廠房上層吊車噸位一般不超過100 t，下層吊車一般噸位不超過15 t，牛腿采用懸挑就基本可以滿足相關計算和構造要求。因此，建議選用焊接H型鋼截面作為吊車肢，如圖3中a、b、c三種截面形式。

a類截面：角鋼+焊接H型鋼，應用于邊柱，是適用最廣泛的格構柱截面，角鋼承受廠房風荷載以及上柱傳來的屋蓋荷載和吊車水平荷載，焊接H型鋼承受吊車的豎向荷載。通過計算，當屋面荷載不大(廠房跨度不大)，采用角鋼和焊接H型鋼的鋼材強度能夠充分得到利用。

b類截面：槽鋼+焊接H型鋼，應用于邊柱，適用于跨度比較小、和吊車噸位不大的格構柱廠房。當廠房跨度較大時，槽鋼必須通過“一”字形鋼板(偏鋼)焊接，再加上綴條的作用，容易在槽鋼肢形成應力集中。

c類截面：焊接H型鋼+焊接H型鋼，既可應用于邊柱，也可應用中柱。應用中柱的時候，可以根據兩邊吊車不同噸位選擇不同的焊接H型鋼。應用于邊柱時，結合H型鋼作為綴條，施工便利，利于下層吊車牛腿構造。

3　某工程格構柱截面設計

工程概況：某雙層吊車廠房，跨度27 m，柱距9 m，在高程+13.000 m設置75t橋式吊車兩臺和+9.000 m設置10 t橋式吊車兩臺(吊車荷載見表1)，設計依據如下。

主體結構使用年限：50年；

恒荷載：0.4 kN/m2；

活荷載：0.5 kN/m2；

基本風壓：0.5 kN/m2；

基本雪壓：0 kN/m2。

場地地震效應：抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值0.05g，設計地震分組為第一組，設計特征周期0.35 s。

表1　某工程吊車數據

設計分別通過多方案比選擇，對以下面四種組合方式的格構柱截面進行了分析研究(如圖4、表2所示)。

圖4　格構柱截面試算

方案柱截面方案一-14×550+2L140×12+H600×350×12×20方案二H600×350×12×20+H600×350×12×20方案三-16×550+2(-140×12)+H600×350×12×20方案四H600×350×12×20+H600×350×12×20

表3　計算結果

經計算比較可知：

在充分發揮鋼材性能方面，從該工程邊界條件來看，廠房跨度27 m，有上、下兩層吊車，通過軟件分析，計算結果如表3所示，本著充分發揮材料特性為原則的情況下，采用格構柱(方案一)(角鋼+焊接H型鋼)較為合理。

4　結束語

格構柱的計算應主要包括柱身強度、整體穩定、單肢穩定、綴板(條)計算，并應注意肩梁節點的計算和柱腳節點計算等。由于分肢平均應力大于整個構件的平均應力，分肢穩定性得到保證，整個構件平面外的穩定也得到保證。因此，其彎矩平面圖外的整體穩定性不必計算。

格構柱的內力可通過計算軟件分析得出，但由于軟件對各桿件的計算尚不盡如人意，有些細部(如綴條)甚至計算中未能充分考慮。因此，還需要采用手工計算作為補充。

吊車肢計算時，為了確保安全，考慮到格構柱綴件體系傳遞兩肢間的內力情況較為復雜，同時考慮吊車梁最大壓力全部作用于吊車肢上的設計工況，應對吊車肢進行補充核算工作。

[1]GB50017—2003 鋼結構設計規范[S]

[2]TB10011—2012 鐵路房屋建筑設計標準[S]

[3]《鋼結構設計手冊》編委會.鋼結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2004

[4]CECS102：2002 門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S]