多跨重型鋼結構廠房的結構設計研究

蔣建克 劉洋

浙江省建工集團有限責任公司鋼結構公司 浙江 杭州 310000

由于重型工業廠房中的吊車梁運行時間過長所造成的損壞，會妨礙到整個廠房功能的正常發揮，而屋架節點與桿件中出現問題會使得整個廠房結構倒塌。任何一種重型鋼結構廠房都存在一定的特性，所以，在對其做出恰當的設計研究是如今國內外大多數結構工程設計人員的重點探索方向。因此，只有詳細的結合具體工程的實施情況，并且進一步對重型鋼結構工業廠房結構做出深入的研究分析，找到其可靠性、持久性和高效性的最優的交叉點，才能給工程設計提出良好的參考依據，突顯優秀的理論意義與功能價值。

1 重型工業廠房特點

（1）廠房結構中的吊車設備跨度大、柱子高、起重量也大。要想承受較大噸位的荷載，展現較強的結構剛度，其中的關鍵承重構件的截面較寬，使用的鋼板也相對較厚。通常運用的是格構式構件與桁架，從而降低材料用量。

（2）生產期間的磨損與消耗通其余鋼結構建筑比較，很大概率對結構規格發揮著較大作用。

（3）在規劃重級工作制吊車的廠房當中，疲勞損傷與其有關的設計成為了關鍵部分[1]。

2 多跨重型鋼結構廠房的組成

（1）橫向框架。這個環節通常是由柱和橫梁相接組成的，也是廠房中最關鍵的承重部分，能夠對廠房所有的豎向和橫向水平的荷載量進行較好的承重。要想達到強化其中的堅硬剛度并實現節約鋼材的目的，就可以在橫梁或屋架與柱之間展開剛性相接，而在柱和基礎結構之間一般也是采用的剛性連接方式。

（2）縱向框架。在這個環節的組成部分分別有柱、托架、吊車梁結構和柱間支撐等等，關鍵作用就是在肩負著豎向水平荷載的重量，其中涵蓋了豎向水平風荷載、溫度作用、吊車豎向制動力、豎向地震作用等等。

（3）吊車梁結構。此結構的主要的組成部分為吊車梁與制動梁兩種，并且在重型廠房當中還安排了橋式的結構吊車。吊車梁結構主要是負責承擔它的豎向和水平的荷載，并用柱的肩梁或牛腿來對吊車梁的兩邊提供支撐，在吊車梁的上翼緣平面當中，一般順著水平方向安裝了制動梁、制動板或制動桁架，能夠成功地把吊車的橫向水平制動力傳送到橫向框架上。

（4）支撐結構。支撐結構發揮著非常關鍵的作用，它涵蓋了罩蓋支撐、柱間支撐和附加支撐，其功能是把平面框架連接到不變的幾何空間系統中，以確保工廠具有足夠的剛性與穩定程度。并且，它支撐并傳遞各種水平荷載。墻支撐結構由支撐和傳遞墻重量和風荷載的柱和梁組成。在縱向側壁中，如果柱距離較小，通常僅定義墻架梁。對于垂直柱距離更遠的山墻和側壁，結構柱必須用作墻梁的支撐。結構柱的頂部端點連接到梁或屋頂構件的水平支撐節點，底部端點連接到基礎剛性連接[2]。

3 結構設計

（1）房屋蓋梁設計。單層多跨重型工業廠房樓層高、跨度大，當使用輕型保護層結構（例如桁架、桁架等）時，保護層梁通常采用焊接鋼梁。當房屋表面的水平荷載較低時，為了節省鋼材，零部件通常設計為類似于彎矩包絡形狀。一種方法是將加腋到梁和柱的連接處。另一種方法是將梁修改為變截面斜接，即沿構件段線性修改截面高度，以便構件的每個截面都同時到達或接近其承載邊界。如果重型工業建筑是彩色加壓鋼板，體積小，沒有單層覆蓋，就算使用網架結構可以節省鋼在主要框架中使用的鋼量，但制造和實施過程煩瑣，勞動成本和其他額外成本較高，總體效率低于使用網架結構。因此，建議將梁結構用于后工程房屋的屋蓋層梁式結構，即在屋蓋層梁上安裝直接鋪裝層。屋蓋梁可以選擇焊接H型鋼或軋制H型鋼，其中軋制H型鋼在工廠軋制時的生產成本低，但是由于規格的原因，鋼材用量往往更大，以至于建筑成本相對較高。所以，鋼鐵廠房屋的覆蓋梁主要選擇焊接H型鋼，不僅價格便宜，而且容易制造和加工。

（2）多跨重型厲性腳設計。連接到基礎的柱底部稱為柱腳，其功能是將柱主體的力傳遞和分配給基礎部分，并將柱附著到基礎上。基礎通常是由混凝土或者鋼筋混凝土筑成，其強度遠遠低于鋼強度，柱體底部必須放大，以增加與基礎接觸的面積，從而使接觸表面上的應力小于或等于基礎的抗壓強度設計值。為此，柱腳底板必須具有一定的長度和寬度，滿足剛性和強度標準，柱腳結構復雜，鋼量大，制造成本較高。柱腳可以分為內嵌柱腳、獨立柱腳和整體內嵌柱腳。實腹式柱通常采用整體式柱腳，格構式柱當分肢間距稍大時，采用獨立柱腳，并且柱肢埋入基礎杯口的埋入式柱腳可以在安裝有保障時使用。大部分大重型工業建筑是運用的靴梁帶隔板的獨立式杜腳，中間立柱的內力通過與靴梁連接的垂直焊縫傳遞給靴梁，而從靴梁通過底板連接的水平焊縫肩梁采用單壁式肩梁，腹板高度為1800mm，該施工工藝可有效地將吊車梁傳遞的豎向荷載傳遞給下部鋼柱混凝土柱，從而提高節點的整體受力性能。

（3）柱間支撐設計。要想確保廠房的縱向和空間剛性，經受齒輪、起重機的縱向制動載荷、溫度應力和地震作用，沿廠房豎向在上下立柱之間建立支撐。下部立柱之間的兩個支座通常應放置在溫度段中間的三分之一處，但根據技術要求，立柱之間的支座無法放置在特定位置，因此必須調整位置以滿足技術要求。上部柱支座有四個通道，上部柱支座在溫度段的兩端還有兩個通道，并且位于下部柱支座的柱之間。

4 結束語

研究表明，建筑類型對工程經濟有重大影響，宜采用剛與幾座重型鋼結構連接的框架支撐體系。多跨重型工業建筑中使用的鋼材量隨柱距、跨度的增大呈現先減小后增大的趨勢。總體而言，在多跨重型廠房懸架起重機鋼結構設計中，需要進行前期規劃和理論設計，在設計過程中合理結構選型是關鍵，應盡量減少干擾，保持平面外的穩定性，同時選擇剛性較高的結構形式，以使整個鋼結構達到最佳運行狀態，還應考慮到生產工藝布置和施工方便性等綜合因素。