某高跨雙層吊車鋼結構廠房設計

王 琴

(中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

某高跨雙層吊車鋼結構廠房設計

王 琴

(中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

以帶有雙層吊車的某冷軋高強鋼高跨單層鋼結構廠房為例，對廠房柱子系統的結構設計思路、構造要求、計算依據和計算結果分別進行了分析和介紹，以采用更合理的結構形式，達到工程的經濟性和安全性。

鋼管混凝土，四肢格構式柱，雙層吊車，鋼結構廠房

1 工程概況

該工程為冷軋熱鍍鋅和高強鋼試驗機組廠房，廠房縱向長度共486 m，橫向寬度57 m，廠房總建筑面積約2.77萬m2，分為兩跨，左邊跨30 m寬為熱鍍鋅機組廠房，右邊跨27 m寬為冷軋高強鋼試驗機組廠房，共設10臺吊車，吊車軌頂標高分別為15.000 m，44.000 m，64.000 m，33.500 m，工作級別為A5/A6，按廠房高度可分為低跨廠房(柱頂高度22.000 m，縱向長165 m)、中跨廠房之一(柱頂高度51.000 m，縱向長111 m)、中跨廠房之二(柱頂高度40.500 m，縱向長159 m)及高跨雙層吊車廠房(柱頂高度71.000 m，縱向長51 m)四種形式。本文主要對高跨雙層吊車廠房進行分析，剛架立面圖如圖1所示。

建設地區基本風壓w0=0.45 kN/m2，基本雪壓S0=0.55 kN/m2，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，結構抗震設防類別為丙類。

2 結構體系

該廠房所在地為北方采暖地區，根據《鋼結構設計規范》表8.1.5的要求，采暖房屋縱向溫度區段控制值為220 m，設計時在低跨廠房、中跨廠房及高跨雙層吊車廠房分界處設置伸縮縫，每一區段均符合要求。

廠房采用框排架結構，橫向采用剛架受力體系，縱向由排架柱、柱間支撐、系桿及吊車梁系統組成。高跨雙層吊車廠房下階柱采用四肢格構式鋼管混凝土柱，沿縱向在下柱中部設置管廊桁架(兼作系桿)，中階柱采用四肢格構式鋼管柱，鋼管中不填充混凝土；廠房上階柱和屋面梁均采用H型鋼。

3 廠房柱結構方案的比較

單層廠房柱下階柱常用形式為H型鋼格構式柱和鋼管混凝土格構式柱，鋼管混凝土格構式柱有兩肢和四肢兩種類型。

3.1 H型鋼格構式柱

當廠房高度較高、吊車起重量較大時，廠房下柱常采用H型鋼格構式柱，一般在吊車梁下設置一個柱肢，其受力合理、側向剛度較大，相對于實腹式柱可大大節省鋼材量，是一種結構計算和施工都很成熟的結構形式。

3.2 鋼管混凝土格構式柱

鋼管混凝土結構是指在鋼管之內填充混凝土而形成的組合構件，由于鋼管對混凝土的約束緊箍效應，當鋼管混凝土柱受壓時混凝土處于三向受壓狀態，大大提高了混凝土的抗壓承載力，能充分利用混凝土的強度，同時混凝土的存在也能克服鋼管結構容易發生局部屈曲的缺點，因而該結構能更有效地發揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優點。從視覺上看，鋼管混凝土格構柱外形更輕盈、美觀。

3.3 經濟性比較

該工程初步設計時對剛架柱結構形式進行了經濟性比較，采用PKPM軟件對下階柱和中階柱采用H型鋼格構式柱、兩肢鋼管混凝土格構式柱和四肢鋼管混凝土格構式柱的情況分別進行了計算分析，計算結果見表1。從表中結果可以看出，在計算應力相差不大時，采用H型鋼格構柱時的鋼材量比鋼管混凝土格構式柱的鋼材料要大很多，而在風荷載作用下的柱頂位移1/330遠小于采用鋼管混凝土格構式柱時的1/415和1/475，不滿足規范要求的1/400，這表明鋼管混凝土格構式柱比H型鋼格構式柱有更好的結構側向剛度和更大的強度儲備，柱子的用鋼量也可大大降低；與兩肢鋼管混凝土格構式柱相比，四肢鋼管混凝土格構式柱所用鋼材重量略多，而鋼管內填充混凝土少，但四肢鋼管混凝土側向更穩定，鋼管混凝土的強度能更充分地利用起來，根據《CECS 28—2012 鋼管混凝土結構設計與施工規范》第4.1.8條，鋼管混凝土柱長細比不宜大于80，而該工程下柱較高，采用兩肢、四肢格構式柱時柱長細比分別為113，67，顯然采用兩肢格構式柱不符合規范要求，故最終設計時采用四肢鋼管混凝土格構式柱。

表1 不同結構形式計算結果對比

由于該高跨雙層吊車廠房上層吊車軌頂標高較高，為64 m，中階柱高度有20 m，考慮施工的方便可行性，且以防從柱底采用泵送頂升澆灌法澆灌時壓力過大引起鋼管薄弱處爆裂，在計算允許的情況下，設計時中階柱采用四肢鋼管柱，鋼管內不填充混凝土，在下層肩梁標高以上1 m鋼管拼接點處設置盲板，以擋住混凝土上升，相應肩梁處鋼管側面開泄流孔和泄氣孔。

4 廠房剛架的計算與設計

4.1 剛架計算

廠房剛架按平面剛架進行計算，采用PKPM軟件進行計算，下階柱按四肢鋼管混凝土格構式柱輸入，中階柱按四肢鋼管柱輸入，屋面梁與上柱剛接。剛架計算中格構式柱的應力比為構件考慮偏心率影響的整體承載力折減系數和長細比影響的整體承載力折減系數后其作用軸力與整體承載力的比值，基于此，選擇合適的柱肢距比較關鍵；在滿足整體承載力要求的同時應注意單肢承載力也需滿足要求。計算結果表明，由風荷載引起的柱內力為地震荷載的5倍以上，風荷載在此類高跨廠房內力組合中起絕對控制作用，按《鋼結構設計規范》將風荷載作用下的柱頂位移控制在1/400以內。

4.2 型鋼柱、梁板件寬厚比及構件長細比限制

根據《建筑抗震設計規范》第9.2.14條第2款及條文說明，輕屋蓋廠房塑性耗能區板件寬厚比限值可根據其承載力的高低按性能目標確定；塑性耗能區外的板件寬厚比限值，可按《鋼結構設計規范》采用。因該工程地震作用不起控制作用，所有剛架均按2倍多遇地震作用組合計算并不影響計算結果，則按抗規9.2.14條條文說明，型鋼柱和屋面梁板厚比可按《鋼結構設計規范》要求采用。鋼管混凝土格構式柱構件按CECS 28—2012 鋼管混凝土結構設計與施工規范長細比不宜大于80，其他構件可按《建筑抗震設計規范》單層廠房柱長細比不超過150的規定控制。

4.3 節點構造

由于鋼管混凝土柱系四肢柱，下階柱與中階柱、中階柱與上柱的肩梁構造要比兩肢柱肩梁復雜得多，肩梁類似于四條腿的桌子，肩梁處鋼管均須開十字形槽口插入肩梁腹板，肩梁上下蓋板開施工用人孔，而吊車梁突緣支座作用點位于鋼管兩肢連線的中點處，其下腹板厚度按計算確定。該肩梁施工精度要求較高、鋼管開槽口插入肩梁腹板時對接困難，施工難度較大，用鋼量也多。

柱腳構造采用鋼管柱肢直接插入基礎杯口基礎的形式，鋼管插入深度不小于單肢鋼管直徑的2.5倍或格構式柱總寬度的一半，當柱底所受彎矩或拉力較大時鋼管插入杯口深度按計算確定，插入式柱腳比一般剛接柱腳構造簡單，施工方便，且用鋼量少。

5 結語

四肢鋼管混凝土柱應用于較高的帶有雙層吊車的單層廠房，能充分發揮結構承載力高、平面內和平面外剛度均較大的特性，相對用鋼量少，結構體系合理可靠，可以取得最佳經濟效果。

[1] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[3] CECS 28—2012，鋼管混凝土結構設計與施工規范[S].

[4] 鄭 聰.某重型鋼結構廠房設計[J].福建建筑，2012(8):15.

[5] 種道坦，李新泰.某門式輕鋼廠房加固及分析[J].山西建筑，2014，40(2)：56-58.

The steel structure workshop design of a high span double-layer crane

Wang Qin

(SouthChinaMetallurgicalEngineeringTechnologyLimitedCompany,Wuhan430223,China)

Taking a cold rolled high strength steel high span monolayer steel structure workshop with double crane as an example, this paper respectively analyzed and introduced the structure design idea, construction requirements, calculation basis and calculation results of plant column subsystem, so as to use more reasonable structure form, to achieve the economic and safety of engineering.

steel tube concrete, limb lattice column, double crane, steel structure workshop

2015-01-04

王 琴(1983- )，男，工程師，一級注冊結構工程師

1009-6825(2015)08-0061-02

TU391

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