某大型元件生產車間廠房結構設計

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）

某大型元件生產車間廠房結構設計

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構廠房的設計思路，主要內容包括門式剛架的設計、吊車系統的設計和管道支架系統的設計，并總結了該類廠房設計過程中應注意的問題，可以為以后類似的工程提供參考。

門式剛架；吊車系統；管道支架

1 工程概況

本工程為某大型元件生產車間廠房，主要用于該類元件的生產、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，中間設伸縮縫將其分割為兩部分，長度各為54m。在18m跨內設有環形軌道起重裝置區域，共安裝有10臺1 t電動葫蘆，在15m跨內設有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。

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

2 結構選型及布置

2.1 結構形式的確定

鑒于該元件生產車間的特殊性，以前該類廠房均為混凝土排架結構廠房，主要考慮內部管道多，混凝土柱便于在后期設置管道支架，同時在防火、防腐蝕等方面具有獨特的優勢，但與鋼結構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，經各方協商，最終確定采取鋼柱，屋面也由梯形鋼屋架改為鋼梁，即采用門式剛架結構。這種結構形式簡單，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，柱與基礎剛性連接，以保證結構的整體剛度。屋面采用輕鋼屋面，墻體圍護結構因工藝要求，采用砌體自承重墻。剛架立面圖如圖1所示，其中18m跨內下部鋼梁為環形吊車支架主鋼梁。

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

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，保證廠房結構的縱向及橫向水平剛度，將縱向水平荷載（山墻風荷載、縱向剎車力、縱向地震荷載）傳給基礎。

按照規范要求，8度和9度廠房單元大于90m時，應在廠房單元1/3區段內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設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 結構設計與分析

3.1 橫向剛架設計

3.1.1 荷載取值

橫向剛架計算采用中國建筑科學研究院編制的STS鋼結構軟件進行計算。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備荷載。該廠房大量風管直接懸掛于屋架上，導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，吊車荷載根據工藝提供的相關參數確定。

表1 荷載標準值(kN/m2)

3.1.2 計算結果及分析

橫向剛架在截面選取時首先應保證板件的寬厚比和高厚比滿足局部穩定性的要求，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。主要計算結果見表2。

表2 剛架計算結果

從計算結果看出,構件的最大應力比為0.82，出現在屋脊鋼梁處。如果將其材質改為Q235,最大應力比為1.20，將不滿足要求。因此，在梁柱截面已經較大的情況下，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。

廠房內吊車噸位雖然不大，但數量較多，同時圍護結構為砌體墻，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生的開裂，本工程在設計過程中加大了結構整體剛度,柱頂相對位移、鋼梁撓度、柱平面外最大長細比均按現行《鋼結構設計規范》和《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中要求從嚴控制。從表2中看出，上述指標均滿足規范要求，特別是風荷載標準值作用下柱頂相對位移遠小于規范限值要求。

3.2 吊車系統支架設計

電動單梁懸掛起重機軌道直接與屋面梁相連，直接參照相關圖集進行設計。環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，因此結構設計的主要任務是為該軌道設置軌道支架，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。傳力路徑復雜，同時運行的電動葫蘆多。因此，結構設計及主體施工時具體的運行軌道并不能完全確定，后期應有調整的可能性。在設計軌道支架時要為后期的調整留有余地，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跨內設置下層鋼梁作為軌道支架的主鋼梁，再沿軌道方向依次設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 管道支架設計

廠房內有大量的風管、工藝管道、水暖管道、電纜橋架等，需要設置大量的管道支架。在設置管道支架時，需要考慮以下問題:

1）部分管道在主體結構設計與施工時，位置并不是完全確定下來的，設計支架時應考慮管道調整的空間。

2）風管直徑大、數量多，大部分需要與屋面結構相連，并且位置不固定。

3）本工程主體結構為鋼結構,支架安裝螺栓孔，與鋼柱、鋼梁的連接板等應在工廠與主體結構一起制作，在鋼柱、鋼梁安裝完成后，不應現場打孔或焊接。

對于風管問題，在屋面沿屋面梁方向每隔一定距離設置一道風管梁，間隔應滿足風管吊點間距要求。風管梁與屋面梁腹板下部相連，在屋面梁對應位置處設置加勁肋并預留螺栓孔，風管梁可根據風管具體位置現場安裝。風管梁與屋面梁連接節點見圖3。

除風管外,其余管道均通過鋼柱設置管道支架，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置與支架連接問題。

圖3 風管梁與屋面梁連接節點

圖4 管道支架詳圖

4 結語

本工程通過大型元件生產車間的設計，重點介紹了該類鋼結構廠房的結構形式、計算過程及結果分析、吊車系統支架設計和管道支架設計。在該類廠房的設計過程中應注意以下問題:

1）由于采用了門式剛架結構，考慮到結構整體所受荷載大，內部管道多，吊車多，在設計過程中應適當加大主體結構剛度和支撐系統的剛度，減少廠房在使用過程中產生的振動，各項設計指標也應從嚴控制。

2）在設計初期就應了解各專業的設計需求，建立正確的計算簡圖，特別是吊車系統的設計，對計算簡圖的影響很大，應避免后期再對計算模型進行調整。

3）對該類工藝復雜的廠房，吊車系統的設計、管道支架的設計是廠房設計是否合理的關鍵，直接影響著整個工程的設計質量。本工程中吊車系統支架和管道支架的設計思路是在充分了解各專業需求的基礎上做出的。目前，該廠房已建成并投入使用，從主體結構施工、吊車及管道安裝、生產使用各階段反映來看，該設計是合理可行的，既方便了施工又保證了質量。

鋼結構廠房在受力性能和施工方面有其獨特的優勢，特別是針對一些施工工期緊的項目，采用鋼結構能在很大程度上縮短施工工期。鋼結構廠房必將得到更廣泛的應用。

[1]汪一駿.鋼結構設計手冊(第三版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[2]GB 50011-2010,建筑抗震設計規范[S].

[3]GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[4]CECS 102:2002,門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].