某大型元件生產(chǎn)車間廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計

許慶占 代崇陽 王俊峰

中國核電工程有限公司鄭州分公司（450000）

某大型元件生產(chǎn)車間廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計

許慶占 代崇陽 王俊峰

中國核電工程有限公司鄭州分公司（450000）

這里重點介紹了門式鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計思路，主要內(nèi)容包括門式剛架的設(shè)計、吊車系統(tǒng)的設(shè)計和管道支架系統(tǒng)的設(shè)計，并總結(jié)了該類廠房設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題，可以為以后類似的工程提供參考。

門式剛架；吊車系統(tǒng)；管道支架

1 工程概況

本工程為某大型元件生產(chǎn)車間廠房，主要用于該類元件的生產(chǎn)、加工和組裝。廠房總寬66m，三跨，跨度分別為33m、18m和15m。檐口標高11.2m，縱向柱距6m，廠房總長108.55m，中間設(shè)伸縮縫將其分割為兩部分，長度各為54m。在18m跨內(nèi)設(shè)有環(huán)形軌道起重裝置區(qū)域，共安裝有10臺1 t電動葫蘆，在15m跨內(nèi)設(shè)有1臺3.2 t電動單梁懸掛起重機和2臺1 t電動單梁懸掛起重機，吊車跨度12.5m。

該工程結(jié)構(gòu)安全等級一級，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度值0.20 g，建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類。

2 結(jié)構(gòu)選型及布置

2.1 結(jié)構(gòu)形式的確定

鑒于該元件生產(chǎn)車間的特殊性，以前該類廠房均為混凝土排架結(jié)構(gòu)廠房，主要考慮內(nèi)部管道多，混凝土柱便于在后期設(shè)置管道支架，同時在防火、防腐蝕等方面具有獨特的優(yōu)勢，但與鋼結(jié)構(gòu)廠房相比在工廠化程度、施工速度、抗震性能等方面又有所不及。考慮本工程工期十分緊張的特點，為便于制作和安裝，經(jīng)各方協(xié)商，最終確定采取鋼柱，屋面也由梯形鋼屋架改為鋼梁，即采用門式剛架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式簡單，加工方便，柱采用等截面實腹式工字型鋼柱，梁采用變截面實腹式工字型鋼梁，柱與基礎(chǔ)剛性連接，以保證結(jié)構(gòu)的整體剛度。屋面采用輕鋼屋面，墻體圍護結(jié)構(gòu)因工藝要求，采用砌體自承重墻。剛架立面圖如圖1所示，其中18m跨內(nèi)下部鋼梁為環(huán)形吊車支架主鋼梁。

鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場焊接方面的局限性，給設(shè)計帶來了一定的困難:一是由于內(nèi)部吊車較多,需要合理地設(shè)置吊車支架及軌道；二是內(nèi)部工藝管道多,且要求后期調(diào)整空間要大，如何設(shè)置管道支架也成為優(yōu)先考慮的問題。能否合理解決上述問題，是該廠房成功設(shè)計的關(guān)鍵。

圖1 剛架立面圖

2.2 支撐布置

柱間支撐，屋面支撐，柱、屋架相互連接成一個整體，保證廠房結(jié)構(gòu)的縱向及橫向水平剛度，將縱向水平荷載（山墻風(fēng)荷載、縱向剎車力、縱向地震荷載）傳給基礎(chǔ)。

按照規(guī)范要求，8度和9度廠房單元大于90m時，應(yīng)在廠房單元1/3區(qū)段內(nèi)各布置一道下柱支撐。本工程兩單元均為54m，遠小于90m，因此在兩單元的中部各布置一道下柱和上柱支撐，在每個單元的兩端部各布置一道上柱支撐。在有柱間支撐的位置對應(yīng)設(shè)置屋面橫向水平支撐，與柱間支撐形成一個封閉的體系。

由于有懸掛吊車軌道與屋面梁直接相連，屋面通長水平系桿均按受壓系桿設(shè)計，支撐、系桿與鋼梁的連接采用焊接，支撐截面也適當放大，這樣有效地加大了屋面剛度，減少了屋面在使用過程中的振動。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

3.1 橫向剛架設(shè)計

3.1.1 荷載取值

橫向剛架計算采用中國建筑科學(xué)研究院編制的STS鋼結(jié)構(gòu)軟件進行計算。恒載除屋面自身重量外，還包括與屋面直接相連的各種管道荷載以及屋頂設(shè)備荷載。該廠房大量風(fēng)管直接懸掛于屋架上，導(dǎo)致工程屋面恒載較大。計算過程中主要的荷載取值如表1所示，吊車荷載根據(jù)工藝提供的相關(guān)參數(shù)確定。

表1 荷載標準值(kN/m2)

3.1.2 計算結(jié)果及分析

橫向剛架在截面選取時首先應(yīng)保證板件的寬厚比和高厚比滿足局部穩(wěn)定性的要求，主要計算剛架柱、梁在各種荷載工況作用下的強度、剛度、穩(wěn)定性以及整體變形，中間柱與鋼梁均為剛性連接。主要計算結(jié)果見表2。

表2 剛架計算結(jié)果

從計算結(jié)果看出,構(gòu)件的最大應(yīng)力比為0.82，出現(xiàn)在屋脊鋼梁處。如果將其材質(zhì)改為Q235,最大應(yīng)力比為1.20，將不滿足要求。因此，在梁柱截面已經(jīng)較大的情況下，如果增大截面已不再合適，提高鋼材強度是一個可行的辦法。但由于板件寬厚比、高厚比等的要求，選用高強度鋼也可能造成用鋼量的浪費。

廠房內(nèi)吊車噸位雖然不大，但數(shù)量較多，同時圍護結(jié)構(gòu)為砌體墻，為了減小吊車在運行中剛架的振動,減小砌體墻由于剛架變形產(chǎn)生的開裂，本工程在設(shè)計過程中加大了結(jié)構(gòu)整體剛度,柱頂相對位移、鋼梁撓度、柱平面外最大長細比均按現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中要求從嚴控制。從表2中看出，上述指標均滿足規(guī)范要求，特別是風(fēng)荷載標準值作用下柱頂相對位移遠小于規(guī)范限值要求。

3.2 吊車系統(tǒng)支架設(shè)計

電動單梁懸掛起重機軌道直接與屋面梁相連，直接參照相關(guān)圖集進行設(shè)計。環(huán)形軌道起重裝置中吊車為10臺電動葫蘆，是從國外引進的設(shè)備。電動葫蘆在使用上要求具有過軌功能，電動葫蘆軌道為吊車廠家自帶的軌道，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)是為該軌道設(shè)置軌道支架，滿足吊車軌道安裝及運行要求。

吊車傳力路徑為電動葫蘆→吊車軌道→連接桿→軌道支架→主鋼梁→鋼柱。傳力路徑復(fù)雜，同時運行的電動葫蘆多。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計及主體施工時具體的運行軌道并不能完全確定，后期應(yīng)有調(diào)整的可能性。在設(shè)計軌道支架時要為后期的調(diào)整留有余地，同時考慮各層受力體系撓度的疊加，保證軌道支架具有足夠的剛度，減少吊車軌道在運行過程中的變形和振動。在18m跨內(nèi)設(shè)置下層鋼梁作為軌道支架的主鋼梁，再沿軌道方向依次設(shè)置次梁與主鋼梁相連，形成軌道支架，詳見圖2。

圖2 局部吊車軌道支架平面布置圖

3.3 管道支架設(shè)計

廠房內(nèi)有大量的風(fēng)管、工藝管道、水暖管道、電纜橋架等，需要設(shè)置大量的管道支架。在設(shè)置管道支架時，需要考慮以下問題:

1）部分管道在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工時，位置并不是完全確定下來的，設(shè)計支架時應(yīng)考慮管道調(diào)整的空間。

2）風(fēng)管直徑大、數(shù)量多，大部分需要與屋面結(jié)構(gòu)相連，并且位置不固定。

3）本工程主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu),支架安裝螺栓孔，與鋼柱、鋼梁的連接板等應(yīng)在工廠與主體結(jié)構(gòu)一起制作，在鋼柱、鋼梁安裝完成后，不應(yīng)現(xiàn)場打孔或焊接。

對于風(fēng)管問題，在屋面沿屋面梁方向每隔一定距離設(shè)置一道風(fēng)管梁，間隔應(yīng)滿足風(fēng)管吊點間距要求。風(fēng)管梁與屋面梁腹板下部相連，在屋面梁對應(yīng)位置處設(shè)置加勁肋并預(yù)留螺栓孔，風(fēng)管梁可根據(jù)風(fēng)管具體位置現(xiàn)場安裝。風(fēng)管梁與屋面梁連接節(jié)點見圖3。

除風(fēng)管外,其余管道均通過鋼柱設(shè)置管道支架，部分管道支架詳見圖4。上下部分支架用于安放直徑大、重量大的管道，中間鋼板部分用于連接直徑小、重量輕的管道，且留有一定的調(diào)整空間。上下部分支架與鋼柱通過高強螺栓連接。通過上述方法，合理地解決了管道的設(shè)置與支架連接問題。

圖3 風(fēng)管梁與屋面梁連接節(jié)點

圖4 管道支架詳圖

4 結(jié)語

本工程通過大型元件生產(chǎn)車間的設(shè)計，重點介紹了該類鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)形式、計算過程及結(jié)果分析、吊車系統(tǒng)支架設(shè)計和管道支架設(shè)計。在該類廠房的設(shè)計過程中應(yīng)注意以下問題:

1）由于采用了門式剛架結(jié)構(gòu)，考慮到結(jié)構(gòu)整體所受荷載大，內(nèi)部管道多，吊車多，在設(shè)計過程中應(yīng)適當加大主體結(jié)構(gòu)剛度和支撐系統(tǒng)的剛度，減少廠房在使用過程中產(chǎn)生的振動，各項設(shè)計指標也應(yīng)從嚴控制。

2）在設(shè)計初期就應(yīng)了解各專業(yè)的設(shè)計需求，建立正確的計算簡圖，特別是吊車系統(tǒng)的設(shè)計，對計算簡圖的影響很大，應(yīng)避免后期再對計算模型進行調(diào)整。

3）對該類工藝復(fù)雜的廠房，吊車系統(tǒng)的設(shè)計、管道支架的設(shè)計是廠房設(shè)計是否合理的關(guān)鍵，直接影響著整個工程的設(shè)計質(zhì)量。本工程中吊車系統(tǒng)支架和管道支架的設(shè)計思路是在充分了解各專業(yè)需求的基礎(chǔ)上做出的。目前，該廠房已建成并投入使用，從主體結(jié)構(gòu)施工、吊車及管道安裝、生產(chǎn)使用各階段反映來看，該設(shè)計是合理可行的，既方便了施工又保證了質(zhì)量。

鋼結(jié)構(gòu)廠房在受力性能和施工方面有其獨特的優(yōu)勢，特別是針對一些施工工期緊的項目，采用鋼結(jié)構(gòu)能在很大程度上縮短施工工期。鋼結(jié)構(gòu)廠房必將得到更廣泛的應(yīng)用。

[1]汪一駿.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊(第三版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2]GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

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

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