雙層吊車鋼結構廠房柱子系統研究

熊學煒

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

隨著國內加工制造業的不斷發展，促使廠房朝著大跨度、大柱距、大噸位吊車的方向發展［1-4］。以某檢修基地解體組裝庫為例，對雙層吊車鋼結構廠房柱子系統進行全面研究。

1 概況

該檢修基地大庫由車體解體庫、零部件清洗車間、車體組裝庫、零部件檢修車間三大區域組成，其中車體組裝庫設5道組裝線，線間距12 m，根據工藝流程的需要，組裝庫需要在高程+14.100 m和+10.200 m均設置吊車，吊車信息見表1，該庫為雙層吊車廠房。車體組裝庫結構軸線尺寸270.1 m×(24 m+27 m)，檐口高程20 m，屋頂高程20.85 m，柱距9.0 m。結構采用鋼結構框排架，格構柱，梯形屋架，基礎采用鉆孔灌注樁基礎。組裝庫剖面見圖1。

設計基本條件:主體結構使用年限為50年，恒荷載0.4 kN/m2，活荷載0.5 kN/m2，基本風壓0.55 kN/m2，基本雪壓0.2 kN/m2。場地地震效應:抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值0.1g，設計地震分組為第一組，設計特征周期0.9 s。

表1 吊車數據

2 柱截面比較

鋼結構廠房下柱截面承受荷載較大時，宜采用格構柱。上柱一般為實腹柱，所需要截面高度較大時也可采用格構柱，該雙層吊車廠房柱高均不超過36 m，因此上柱采用實腹柱即可。

本工程中，邊柱采用角鋼+焊接H形鋼格構柱，角鋼承受廠房風荷載、由上柱傳來的屋蓋荷載和吊車水平荷載，焊接H形鋼承受吊車的豎向荷載。中列柱采用焊接H形鋼+焊接H形鋼格構柱，可以根據兩邊吊車不同噸位選擇不同的焊接H形鋼。通過計算，邊柱截面寬度為1 650 mm×700 mm，中柱截面寬度為2 350 mm×600 mm，見圖2和圖3。角鋼和焊接H形鋼的鋼材強度均能夠得到充分利用。

圖1 車體組裝庫剖面(單位:m)

圖2 邊柱截面(單位:mm)

圖3 中柱截面(單位:mm)

格構柱用較少的鋼材達到較大的截面慣性矩，以該雙層吊車廠房中柱為例，其截面特性:

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

若采用實腹柱，其截面特性:

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

實腹柱鋼材多出近100%(僅柱截面)，格構柱可以大幅度降低用鋼量，而且吊車噸位越大，廠房跨度越大，這種經濟性就越明顯。

3 柱構造分析

一般的輕型廠房僅設置牛腿支撐吊車梁，牛腿按照懸臂構件計算。中、重型廠房的吊車荷載較大，懸挑牛腿不能滿足受力的要求，只能設置肩梁。實腹柱的肩梁可不計算，按構造確定腹板厚度，格構柱肩梁可近似按簡支梁計算。

組裝庫廠房上層吊車噸位大，必須采用肩梁構造，而下層吊車一般不超過20 t，可采用懸挑牛腿支撐吊車梁。

4 中柱肩梁節點分析

4.1 有限元模型

格構柱系統中，肩梁用來傳遞上柱的內力，并兼做吊車梁支座。因此，肩梁節點部位所受荷載最大且最復雜。在結構設計中，要求“強節點，弱桿件”，所以肩梁節點的安全性關系到吊車的工作狀況，乃至整個廠房能否實現設計荷載作用下的使用功能，必須保證格構柱在設計荷載下滿足設計承載力的要求。

對組裝庫雙層吊車廠房中柱(焊接H形鋼+焊接H形鋼)節點進行分析。肩梁節點劃分網格之后的有限元計算模型如圖4。模型中，上柱和吊車肢長度取為桿件截面高度，以減小端部加載對節點域的影響。

圖4 肩梁節點有限元計算模型

4.2 節點荷載

肩梁節點荷載分兩種工況，即吊車運行方向相反所引起縱向水平荷載方向相反，具體數值見表2和表3。

表2 吊車運行方向一致

表3 吊車運行方向相反

4.3 設計結果及分析

根據原設計分析，肩梁節點各部位截面尺寸見表4，肩梁節點彈塑性分析之后應力分布見圖5。

表4 原設計截面尺寸

由圖5可以看出，原設計節點最大應力出現在上柱和吊車肢翼緣處，最大應力為235 MPa，最大應力比為0.74，與PKPM計算結果的最大應力比接近。肩梁部分最大應力在肩梁腹板和吊車肢連接處，為100 MPa左右，原肩梁節點設計可以實現“強節點、弱桿件”的原則。

圖5 肩梁應力分布

4.4 肩梁節點的優化

原節點設計保證了“強節點、弱桿件”，但是有些肩梁部位的鋼材性能沒有得到充分利用，如肩梁上翼緣、下翼緣最大應力為40 MPa，有必要對肩梁節點進行優化。下面從翼緣、加勁肋A、加勁肋B厚度三個方面研究肩梁的受力性能，見圖6。

圖6 肩梁優化后的受力性能

經過多次計算分析比較可知，在如圖6所示截面厚度情況下，能夠保證肩梁節點最大應力出現在上柱和吊車肢處，最大應力在230～250 MPa之間;肩梁部分最大應力在肩梁腹板處，為150～200 MPa左右;肩梁下翼緣最大應力為100～150 MPa。

5 結論

以某組裝庫為例，對雙層吊車鋼結構廠房柱子系統進行研究，發現此類鋼結構廠房適合采用實腹鋼梁和鋼桁架屋蓋排架結構，邊柱采用格構柱(角鋼+焊接H形鋼)，中柱采用格構柱(焊接H形鋼+焊接H形鋼)。柱肩梁采用適當的加勁肋可以較好傳遞大噸位吊車荷載，可以滿足“強節點，弱桿件”的設計概念。

［1］ 汪崖，夏漢強，汪鋒，等．大跨度超重吊車廠房結構體系選型的研究應用［J］．鋼結構，2006(6)

［2］ 張麗．鋼結構廠房框排架結構設計［J］．城市建筑，2013(4)

［3］ 劉曉光．超寬超長特大型輕鋼廠房的結構設計——浙江杭蕭鋼構股份有限公司新廠房的設計綜述［J］．建筑結構，2003(7)

［4］ 王元清，陳全，陳宏，等．大噸位吊車門式剛架鋼結構廠房的輕型化設計［J］．工業建筑，2002(7)

［5］ 周杰．大功率機車檢修基地雙層吊車廠房的結構分析［J］．鐵道勘察，2013(5)

［6］ CECS102:2002 門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程［S］