設置重載吊車的單層鋼結構廠房結構設計

黑龍江省建筑設計研究院

摘要：本文就主要通過工程實例來進行探究，分析實例工程的荷載取值、結構布置以及結構設計方法，對比分析兩個結構設計方法的不同，得出更加實用的結構設計方法，以更好的對單層鋼結構廠房結構進行設計。希望通過本文的探究，能夠為相關的人員提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞：重載吊車；單層鋼結構；廠房；結構設計

我國土木工程要想得到更好的發展，就需要廣泛的應用鋼結構。而在鋼結構中，單層鋼結構廠房結構應用最為廣泛。這一結構基本上是由吊車梁以及各種支撐構件等構成的一種空間體系，其作為一種承重結構而存在，其能夠承受廠房結構的橫向和豎向荷載。而在生產要求進一步提升的基礎上，廠房中的吊車載重性能也需要有所提升，下面本文就主要針對工程實例來對設置重載吊車的單層鋼結構廠房結構設計進行深入的分析。

1、工程概況

某工程為制造車間鋼結構廠房，該廠房主要是用來進行核電模塊生產的基地，該廠房的占地面積就達到了8895㎡，而其高度則為26.8m，該廠房的樓層數總共為一層，屬于平房。該廠房采用的結構形式主要為雙跨高單層剛架結構，其應用的高單層剛架每一個跨度均達到了23.5m，而且每一個高單層剛架上均設置了一個垮臺，該垮臺可承受重量為500/160KN的吊車，在吊車的軌道頂部，標準高度設置為19.5m，而每一根柱之間的距離均為8.5m，柱的總長度達到了179.5m。同時，該廠房的檐口高度設定為26.1m，廠房在建設的時候，有一定的傾斜坡度。該廠房采用的是7級抗震級別進行設計，在設計的過程中，使得地震的加速度值設定為0.10g。

2、荷載取值

該廠房所承受的荷載主要來自于豎向荷載和橫向荷載。這兩種荷載中，豎向荷載除了包含自身的重量之外，還包含了吊車所呈現的豎向荷載，另外還有屋面所具有的荷載。而水平荷載，則主要承擔的是調車的水平荷載以及地震作用等。

嚴格的依照當地的基本風壓進行選值，可以將基本風壓值設定為0.45KN/㎡，而通過對廠房建設地的地面粗糙度進行分析，可以將該區域的地面粗糙等級劃分為B級。根據計算的結果，該廠房屋面的恒荷載值為0.40KN/㎡，活荷載值則為0.60KN/㎡，而雪荷載值則可以取0.60KN/㎡，相較于恒荷載值來說，活荷載值以及雪荷載值均較高。而吊車選擇的時候，要選擇荷載為550KN重量的吊車。

3、結構布置

3.1剛架主體部分布置。在對剛架的主體部分進行布置的過程中，需要選用的鋼型號為Q345B鋼，而在主剛架中，則需要應用到的柱類型為階形柱。一般來說，在中柱的下半段位置處，其受到壓力相對較大，同時平面上計算長度也相對較長，如果采用工字形的截面進行結構布置，那么將無法高效的滿足剛架主體結構布置的實際需求。因此，需要合理的應用實腹形式的箱型柱焊接截面，除了中柱的下半段柱采用這種截面形式之外，其他的柱段均可以采用工字形實腹形式截面。一般來說，這種工字形的截面最適合應用在剛架梁中。依據截面與梁柱進行連接，嚴格的依據彎矩的變化情況來進行彎矩具體數值的確定，將彎矩變化的分界點當做分段點，將分段的比值確定為1：2：1，這樣可以使得鋼材得到更為充分的應用，以減少浪費。

3.2由于吊車噸位較大，吊車梁采用焊接實腹式工字形等截面梁，設置水平制動系統，制動梁外側翼緣選用槽鋼。

3.3屋面支撐采用柔性拉桿加剛性系桿。階形柱的下段柱受大噸位吊車縱向剎車力作用較大，且截面較高，柱間支撐宜在兩個柱肢內成對設置，即為雙片支撐。

4、結構設計方法

采用PKPM系列軟件STS鋼結構版塊中的框架設計軟件，建立廠房框架三維模型，除梁、柱構件外，支撐構件（柱間支撐、屋面支撐）也需要準確輸入。由于吊車荷載作用在牛腿處的吊車梁上，所以在牛腿處應設置一個標準樓層，并且在沿吊車運行軌跡方向上應定義框架梁，或者將吊車梁按兩端鉸接梁定義、輸入，這是因為吊車荷載的移動順序是通過運行軌跡上的梁來確定的。

4.1方案一

①主剛架梁的豎向撓度限值取其跨度的1/400，水平撓度限值取其跨度的1/500；對于吊車梁，豎向撓度限值取其跨度的1/1000。

②柱、吊車梁和吊車梁以下作為受壓桿的柱問支撐構件長細比幾鎮150，吊車梁以下作為受拉構件的柱問支撐長細比γ300，其他受拉桿長細比γ400。

③為加強廠房整體剛度，對于有大噸位吊車的廠房應采用剛接柱腳。在基礎設計中，構造上應保證柱腳底部能承受較大的彎矩和水平剪力，并應保證地基土不出現拉應力。

經計算，剛架的應力、剎梁撓度及柱側移均不超過鋼規規定的限值。風荷載作用下柱頂最大水平位移：

d=Hc/781=32.868mm

4.2方案二

方案二在方法一的基礎上將結構中各受力構件進行分類，主剛架梁按《門規》進行驗算：

①主剛架柱、吊車梁及制動系統的限值依據同方案。

②主剛架梁設計依據《門規》，豎向撓度限值取其跨度的1/180。經計算，剛架的應力、剎梁撓度及柱側移均不超過《鋼規》規定的限值。風荷載作用下柱頂最大水平位移：

d=Hc/781=33.665mm

5、結果分析

對比分析以上兩種設計方案中剛架梁的計算結果，第二種方案比第一種的用鋼量少3.62%。將第一種設計方案用PKPM系列軟件STS鋼結構版塊中的門式剛架二維設計進行校核，發現鋼梁的受力狀態與門式剛架結構相同，下部吊車荷載對屋面影響不大。鋼梁的撓度最大為L/352，大于《鋼規》要求、小于《門規》要求，這比完全按照《鋼規》要求控制的經濟效果要好，且施工過程中梁起拱后可達到或接近《鋼規》要求。

這是因為門式剛架的梁柱是作為一個整體承受各種荷載的。對于豎向荷載來說，在吊車梁以下部分，門式剛架與框架的受力情況基本相同，因此門式剛架結構是可以承受大噸位吊車荷載的；吊車梁以上的受力，含大噸位吊車的廠房與一般輕型廠房沒有本質上的區別。對于橫向水平荷載，關鍵在于控制剛架的側移。因此，將框架結構與門式剛架結構相結合，依據《鋼規》控制剛架柱側移和吊車梁變形、《門規》控制剛架梁的變形，這一思路是完全可行的，只是應當充分考慮柱變形對屋面梁的影響。

另外，柱構件應采用剛接柱腳，構件的驗算規范指定為《鋼規》?？紤]到梁構件一般采用坡面梁，會存在一定的軸力影響，尤其是采用變截面梁的情況下。

基于以上兩個原因，本文認為方案二的設計方法可以適用于此類結構。

6、結語

通過本文的分析可以充分的了解到，如果吊車的重量超過了200KN，而采用的單層剛結構廠房又不具備特殊性，那么就需要合理的應用類似于剛架形式的結構進行布置，有效的將下半部分的框架與上半部分的剛架結合在一起，從而構成輕型的屋面結構體系。然而，在進行設計的過程中，也需要嚴格的注重各項設計規范，依據規范展開設計，同時要合理的對結構承重力進行計算，在地震高發區，要對地震作用進行系統的計算，這樣才能夠實現對設置重載吊車的單層鋼結構廠房結構的合理設計。

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