單層重型鋼結構廠房主鋼架結構優化探討

◆劉曉峰

(吉林省機電研究設計院)

一、前言

隨著我國制造業和工業的不斷發展，需要建造跨度、高度、柱網間距、平面空間尺寸及起吊噸位更大的單層鋼結構廠房來滿足制造上的要求。在重型單層鋼結構廠房中，約為50%～70%的鋼材需要應用于鋼架柱和吊車梁。鋼材的價格價位昂貴，因此對單層重型鋼結構廠房主鋼架結構優化，確定合理的用鋼量以降低建造成本意義巨大。

二、單層重型鋼結構廠房工程概況

某設備加工制作車間廠房地處北京市工業園區位置，該廠房設計為單層重型鋼結構，長290m，寬為45m，柱子間距10m。廠房主鋼架跨度為40m，并設有兩臺3000/32 吊車和150/20t 吊車。軌道軌頂標高為23.7m。

三、主鋼架結構設計

該廠房為典型的單榀鋼結構排架結構形式的廠房，本文采用PKPM2010 版中STPJ 功能模塊對主鋼架結構進行內力分析計算。

1.荷載設計取值

該鋼架結構廠房采用永久荷載+附加活荷載組合方式進行設計。永久荷載為鋼結構的恒荷載(0.50KN/m2);附加活荷載由活載(0.50KN/m2)、風荷載、雪荷載、地震荷載及吊車荷載組成。其中風荷載的基本風壓為0.56 KN/m2，地面粗糙系數為B 類，按照規范《建筑結構荷載規范》(GB50009 -2012)中的相關條款確定風的高度系數和體型系數。雪荷載的基本雪壓為0.26 KN/m2(約100 年重現一次)，按照規范《建筑結構荷載規范》(GB50009 -2012)中的相關條款確定屋頂積雪厚度分布系數。地震荷載考慮到廠房為人員較多的場地，故采用多遇地震設計，抗震設防烈度為7度，地震分組為第一組，場地列別為IV 類，場地的特征周期為0.90s，阻尼比的值取0.05。吊車荷載按一臺3000/32 吊車和兩臺150/20t 吊車計算。

2.構造柱的設計方案

使用PKPM2010 版中STPJ 功能模塊對單層重型鋼結構廠房主鋼架結構使用的鋼管混凝土格構柱和H 型鋼格構柱進行對比分析計算，兩種方鋼架柱截面尺寸和先關構建尺寸的等規格見表1 和表2。

3.結算結果分析對比

通過PKPM 計算，單層重型鋼結構廠房主鋼架結構使用的鋼管混凝土格構柱和H 型鋼格構柱均滿足《鋼結構設計規范》(GB50017 -2003)的要求，相關計算結果和鋼材使用量圖表3 所示。

由表3 可以得出，采用鋼管混凝土的廠房主鋼架結構，其鋼架柱的最大應力比和風荷載引起的柱頂位移比采用H 型鋼的廠房主鋼架結構相對較小，說明采用鋼管混凝土的鋼架結構的剛度值較高，安全系數較大。同時，采用鋼管混凝土的鋼架結構用鋼量相對采用H 型鋼的廠房主鋼架結構減少了約為20%。因此，無論從結構的受力方面考慮還是從建造成本上的考慮，采用鋼管混凝土的鋼架結構相對較為合理、經濟和安全。

四、鋼構架結構形式的優化與分析

根據使用功能要求的不同，單層重型鋼結構廠房的吊車噸位層次不齊。通常選用鋼管混凝土格構柱和H 型鋼格構柱的廠房主鋼架結構形式，但此兩種形式的具體應用與吊車的噸位有一定的相關性，因此要對二者的應用進行優化分析。

優化分析通過調整吊車的荷載組合，構件鋼管混凝土格構柱和H 型鋼格構柱兩種結構模型，分析在吊車荷載變化情況下兩種結構形式的受力狀態。相關模型的計算結果見表4 和表5。

分析表4 和表5 可知:①兩種結構形式的應力比較為接近，差異不大。②鋼管混凝土柱頂位移相對H 型鋼柱頂位移減小10%～15%。說明鋼管混凝土結構形式位移較小，對結構使用和安全都有理。③在水平吊車荷載作用下，鋼管混凝土結構牛腿標高較H 型鋼牛腿標高減小20%～25%，能說明鋼管混凝土結構形式能夠有效緩解吊車運行過程中的卡軌現象。④鋼管混凝土結構相對H 型鋼結構鋼材用量能減少約為20%。

五、結論

本文對單層重型鋼結構廠房主鋼架結構使用的鋼管混凝土格構柱和H 型鋼格構柱采用PKPM 進行對比分析計算，得出單層重型鋼結構廠房的經濟、合理的的格構形式，為工程提供借鑒和參考。

［1］周瑞.某重型鋼結構工業廠房結構設計［J］.建筑結構，2010，40(4):34 -37.

［2］《鋼結構設計手冊》編輯委員會.鋼結構設計手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［3］GB50017 -2003 鋼結構結構設計規范［S］.