重型鋼結構廠房結構設計探討

王 俊

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，鋼產量的穩步增加，基建項目決策理念的轉變，越來越多的工業建筑采用了鋼結構建造，形成了鋼結構廠房。在鋼結構廠房中，鋼結構的優勢也充分展現：鋼結構構件強度高，適應大跨度；延性好，抗變形能力強，抗震抗風性能好；整體重量輕，節省基礎投資費用；構件工廠化制作，挺高了勞動生產率，提高了加工精度，減少了現場焊接工作量，減少了勞動力成本；預制構件現場安裝，縮短了建設周期短，減少銀行貸款利息支付；施工噪音及“三廢”少，符合綠色生態環保理念，符合碳中和，碳達峰節能減排目標；鋼結構建筑完成使命后可全部拆卸回收，再次利用，真正實現資源循環利用，持續發展。

鋼結構廠房有輕鋼結構廠房和重鋼結構廠房之分。一般根據吊車噸位和平方米含鋼量來區分。平方米含鋼量在75 kg、單臺吊車起重噸位50 t以上可定義為重型鋼結構廠房。

重型鋼結構廠房需要進行結構設計，對結構剛度、強度進行控制，滿足安全、經濟、適用、可行等原則。對重鋼結構設計關鍵技術問題的探討，對類似工程設計具有指導意義，可減少探索時間、加快設計進度，提高設計效率，更好地為業主服務，為國家建設服務。

1 設計基礎資料

1.1 自然條件

建設地點云南武定，生產產品高鈦渣，抗震設防烈度7度，基本地震加速度0.15 g，設計分組第三組，場地類別II類。基本風壓0.3 kN/m2；基本雪壓0.35 kN/m2(百年一遇)。

1.2 廠房布置

廠房長度120 m，寬度51.6 m，柱頂高度29.5 m，柱距12 m，18 m，跨度18.4 m，14.4 m，1層建筑面積5 058 m2。平面布置見圖1，建成后廠房見圖2。

圖1 車間柱網平面圖

圖2 建成后的廠房圖

1.2.1 柱距確定

廠房柱距根據生產工藝條件確定。如⑦～⑨線間DC爐車間局部伸入主廠房內，柱距布置為12 m，這樣能滿足8條DC爐軌道伸入主廠房內的要求；鐵水運輸區①～②線間需要布置18 m柱距才能滿足鐵水運輸通道要求；其他部位布置12 m柱距可較好地發揮柱的承載作用，可減少基礎數量，綜合投資較省。

1.2.2 柱截面初定

柱截面大小需要考慮吊車荷載及吊車位置、最小凈寬、屋頂荷載、風荷載、地震作用，綜合確定，結構剖面圖見圖3。重型吊車作用下的雙肢柱，吊車梁宜放置在肢柱上，目的是減小吊車輪壓因偏心對雙肢柱的不利影響。

圖3 結構剖面圖

柱截面初步確定時按柱高確定，下柱截面高度取h=(1/15～1/20)H，上柱截面取h=(1/9～1/12)H1，上柱設人孔柱截面高度hc≥200+450+200=850 mm，柱截面寬度b=(1/2～1/5)hc及400 mm。

中柱下段最小截面高度為人孔柱截面高度加左右行車安全距離c加吊車輪中心到外緣距離b，hmin=b+c+hc+c+b=300+100+850+100+300=1 650 mm，實際取h=2 000 mm，吊車梁放置于支柱上，并使上柱留有吊車運行安全距離。

左柱、右柱下柱段最小截面高度hmin=hc+b+c=850+300+100=1 250 mm，實際取h=1 800 mm，符合最小柱高要求，柱截面尺寸見表1。

表1 柱截面尺寸

1.2.3 廠房跨度確定

廠房跨度根據生產使用要求，考慮人孔柱截面、吊車安全運行凈空空間、制動板架選型標準后綜合確定。

工藝生產要求吊車跨度S=16.5 m，考慮插入距后，取下柱中心為軸線位置，跨度L=0.9+16.5+1=18.40 m，標準跨度為18 m，多出的0.4 m(0.15 m+0.25 m為插入距。吊車外緣到左柱、右柱柱邊的凈距離600 mm，到中柱外緣柱邊的凈距離為200 mm，滿足吊車運行最小凈距離100 mm要求，對吊車運行增加了安全感。

1.3 起重設備參數

結構設計中，起重設備對結構強度和剛度影響的主要參數是輪壓及支座反力，目標是確定最小輪壓Pmix、支座上的最大最小反力Rmax，Rmin及縱橫向水平剎車力T。

1.3.1 1區主跨設備參數

最小輪壓Pmix=(Ge+g+Q)/n-Pmax

=(432.8+155+500)/2-377

=166.9 kN

支座反力Rmax，Rmin，采用圖解方式求解。結構分析時，選擇⑤線處進行計算。繪制支座反力影響線，見圖4。左右跨度按實際繪制，1個輪壓作用在支座上時，影響系數取為1.0，由1.0線的端部向左右支座連斜線，每個輪子接觸面到斜線的豎直距離為對應輪壓的影響線，各個輪壓下影響系數之和為綜合影響系數η，輪壓P(Pmax，Pmin)與η的乘積為支座反力R(Rmax，Rmin)。輪壓下反力影響線見圖4，反力綜合影響系數η

圖4 支座反力影響線圖(單位：長度-m，力-kN)

η=0.6+1+0.84+0.431=2.871

由此求得最大支座反力Rmax=ηPmax=2.871×377=1 082.4 kN

最小支座反力Rmin=ηPmix=2.871×166.9=479.2 kN

橫向水平剎車力T=(Q+g)α

T=(500+155)×10 %=65.5 kN

每個車輪上分到的水平剎車力T1=T/n，每臺吊車共4個車輪，因此n=4。

T1=65.5/4=16.4 kN

支座上水平剎車力Tmax=ηT1=2.871×16.4=47.0 kN

1.3.2 2區主跨設備參數

圖5 75 t吊車輪壓支座反力影響線圖(單位：長度-m，力-kN)

最小輪壓Rmin=(Ge+g+Q)/n-Pmax=(717+240+750)/4-285=141.75 kN

繪制反力影響線求得η=0.492+0.633+0.858+1.0+0.742+0.6+0.375+0.233=4.933

由此求得最大支座反力Rmax=ηPmax=4.933×285=1 405.91 kN

最小支座反力Rmin=ηPmix=4.933×141.75=699.25 kN

橫向水平剎車力T=(Q+g)α

T=(750+240) ×8%=79.2 kN

T1=79.2/8=9.9 kN

Tmax=4.933×9.9=48.84 kN

1.3.3 單臺吊車作用下的參數

吊車作用下位移控制僅考慮1臺75 t吊車作用，同過反力影響線圖6，求得：

η=2.983，Rmax=850.2 kN，Rmin=243.7 kN，Tmax=29.53 kN

吊車荷載簡圖見圖6。

圖6 吊車梁荷載簡圖

1.4 屋面布置及屋面荷載

屋蓋按輕型屋面設計。屋面板為雙層夾芯彩板，高頻焊接H型檁條，12 m柱間及18 m柱間設置托架，托架中部布置屋架，目的是減少屋面檁條的計算長度，從而減小檁條截面尺寸，降低檁條含鋼量。為保證屋架正常發揮承載力作用，屋蓋需要形成空間結構，屋面上弦需要布置橫向水平支撐及系桿，屋面下弦布置縱向、橫向水平支撐及系桿。因為車間內布置的吊車起重量超過50 t，所以屋架應按計算內力重新新設計屋架。

恒載取值：包括屋面彩板、檁條、支撐、系桿、拉條、托架等構件的屋面恒載，初算時取0.6 kN/m2，活荷載取0.5 kN/m2。屋面荷載計算單元簡圖見圖7。

①集中力傳到屋架節點上；②集中力傳到柱頂上。

托架上的荷載按節點力計算傳到柱頂，檁條傳來的荷載也按節點力傳到屋架節點上。

托架傳來的恒載集中力：

P1d=3×9.2×0.6+3×9.2×0.6=33.12 kN

P2d=P1d=33.12 kN

P3d=3×4.4×0.6+3×4.4×0.6=15.84 kN

P4d=P3d+P5d=26.64 kN

P5d=3×3×0.6+3×3×0.6=10.8 kN

托架傳來的活荷載集中力：

P1l=3×9.2×0.5+3×9.2×0.5=27.6 kN

P2l=P1l=27.6 kN

P3l=3×4.4×0.5+3×4.4×0.5=13.2 kN

P4l=P3l+P5l=22.2 kN

P5l=3×3×0.5+3×3×0.5=9.0 kN

檁條傳過來的恒荷載：

Ptd=1.5×3×0.6+1.5×3×0.6=5.4 kN

檁條傳過來的活荷載：

Ptl=1.5×3×0.5+1.5×3×0.5=4.5 kN

屋面荷載簡圖見圖8。

圖8 屋面荷載簡圖

1.5 吊車梁截面確定

吊車梁標準跨度為12 m，選用12 m實腹式圖集中重級工作制(A6，A7)Q345鋼吊車梁，50 t吊車選用GDLZM12-11，截面工字形腹板-1 500×14，上翼緣板-550×22，下翼緣板-300×22，勁板-120×8@1 500；75 t吊車選用GDLZM12-15，截面工字形腹板-1 800×12，上翼緣板-550×22，下翼緣板-360×22，勁板-120×10@1 500。18 m跨和24 m跨吊車梁采用變截面，端部高度同12 m跨梁高，中部變高，高度按L/8取用。吊車梁復核時設置制動板、邊梁、豎向輔助桁架、水平支撐，制動板板厚8 mm，邊梁采用槽鋼。吊車梁復核、設計采用PKPM鋼結構工具設計。軌道選用QU100，截面150×150×100×38。

牛腿標高根據吊車梁高度、軌道高度和支座墊板厚度確定。

1.6 伸縮縫布置

熱車間，縱向溫度伸縮縫區段長度為180 m，橫向溫度區段伸縮縫區段長度為125 m，超過標準時，需要設置溫度伸縮縫，設縫時，需要設置雙柱、聯合基礎。該項目縱向長度120 m<180 m，橫向長度51.6 m<125 m，故不需要設置橫向及縱向伸縮縫。

2 廠房結構受力

排架結構需要取橫向和縱向計算單元進行結構內力分析，不同跨度、不同柱距的計算單元要分別取出計算，根據計算結果，取大值包絡設計。設計時分別取出②線，⑤線，⑦線，⑧線，⑨線和線、線、?線等計算單元進行分析，按不利的結構單元分析結果，確定構件截面尺寸，控制位移、強度、穩定滿足規范限值。⑧線結構為抽柱結構，考慮屋蓋空間作用，吊車水平剎車力、柱間風荷載等將通過柱頂屋蓋剛度協調傳給相鄰的排架柱，故應按結構分擔的荷載進行單元劃分和剛度劃分。

文中限于篇幅限制，選取⑤軸線單元做實例分析，建模進行結構計算。

2.1 模型建立

采用PKPM鋼結構二維設計模塊建立模型。在柱底、柱頂、牛腿處、屋面梁處設置節點。柱底標高取-500 mm，跨度按18 400 mm設置，將屋架建入模型中。屋架軸網參考梯型屋架圖集中GWJ18詳圖軸線尺寸確定，屋架坡度取1：10，端部高度1 500 mm，節點間距3 000 mm，上弦節點間距1 500 mm。

構件截面：左、中、右柱采用格構柱，按表1中截面尺寸輸入試算，不滿足則調整。左、右柱截面外形控制600×1 800 mm，中柱為600×2 000 mm；上柱采用H型鋼柱，柱中部設置縱向加勁用于滿足腹板高厚比限值，加勁肋在腹板兩側成對布置，其一側外伸寬度為板件厚度t的10倍，厚度為0.75 t，左右柱上柱段H900×300×10×16，中柱上柱段H1 000×300×12×16，加勁板-120×10，模型中按十字柱輸入。

屋架構件上、下弦桿采用L120×80×10，斜桿采用2L80×8輸入驗算。

鉸接處理：屋架桿件上下弦端部、豎腹桿和斜腹桿端部簡化為鉸接，柱頂簡化為鉸接。

計算長度：屋架端部豎桿及端部第一根斜桿計算長度取節點間距，計算長度系數1.0，其他腹桿計算長度取0.8節點間距，上下弦桿平面內計算長系數度取1.0，平面外計算長度取水平支撐點間距，上弦取3 000 mm，下弦桿平面外計算長度取6 000 mm。

2.2 荷載輸入

恒載：見1.4節計算。

屋架上恒載由檁條傳來Ptd=5.4 kN

柱頂集中力由托架傳來P1d=33.12 kN

活荷載

屋架上活載由檁條傳來Ptl=4.5 kN

柱頂活載集中力由托架傳來P1l=27.6 kN

風荷載，見表2、圖9。

圖9 左風荷載簡圖

表2 左風荷載計算表

q=βμsμzWoL

式中：

β——調整系數，取1.1；

μs——風荷載體型系數，柱迎風面取0.8，背風面取-0.5，屋面-1.3，-0.7；

μz——風壓高度變化系數，地面粗糙類別B類，15 m高μz取1.13，20 m高處取1.23，30 m高處取1.39；

Wo——基本風壓(kN/m2)，取0.35 kN/m2；

L——迎風面寬度(m)，取12 m。

吊車荷載：吊車起吊時，最大最小輪壓產生的支座反力最大值、最小值、水平剎車力計算見1.3節，吊車荷載簡圖見圖4。

2.3 參數設置

結構類型參數：選擇單層鋼結構廠房，設計規范《鋼結構設計標準》(GB50017)計算，執行《建筑結構可靠性設計統一標準》(GB50068-2018)。設計控制參數，程序自動確定容許長細比，受壓構件的容許長細比λ取150，受拉構件容許長細比200，柱頂位移和柱高度比1/400。

總信息：鋼材鋼號Q345(Q355)，截面板件寬厚比等級S4級。

地震計算參數：地震影響系數取值依據10抗規(16年修訂)，地震作用計算：計算水平地震作用，抗震等級四級，計算振型數9個，場地類別II類，特征周期Tg取0.45 s，水平地震影響系數最大值0.12，周期折減系數0.8，阻尼比0.045，地震力計算方式振型分解法CQC法。

分項系數及組合系數見表3、表4.

表3 荷載分項系數

表4 荷載組合系數

2.4 結果分析

分析計算由程序自動計算完成。

(1)超限信息：柱構件、梁構件和柱頂位移均無超限信息，說明構件選擇合理。

(2)水平地震標準值作用底層剪力：126.4 kN；底層最小地震剪力(抗震規范5.2.5條)：52.6 kN。

(3)周期

第1振型周期0.92 s

第2振型周期0.43 s

第3振型周期0.256 s

(4)位移控制

1臺吊車作用下牛腿處位移10.3 mm，與牛腿處柱高之比為1/1 886<1/1 250，滿足限值。

左風荷載作用下柱頂位移為34.8 mm，與柱高之比為1/862<1/400，滿足限值。

左地震作用下位移柱頂位移31.5 mm，與柱高之比為1/952<1/400，滿足限值。

恒+活位移8.6 mm，與跨度之比為1/2 140<1/400，滿足限值。

(5)柱平面內計算長度，見表5。

表5 柱計算長度系數表

(6)柱應力比

格構柱按壓彎構件計算截面強度、彎矩繞虛軸作用平面內整體穩定性，計算結果見表6，彎矩作用平面外的整體穩定可不計算，但應計算分肢的穩定，分肢的軸心力按桁架的弦桿計算，計算結果見表7。

表6 格構柱的強度、平面內整體穩定計算結果表

(7)鋼格構柱總量統計，見表8。

表8 單榀構件重量統計表

2.5 人孔柱驗算

將人孔兩側的分肢視為單向壓彎構件，計算每個分肢的強度和在排架平面內和平面外的穩定。每個分肢的計算長度，在平面內和平面外，均取人孔凈高。人孔類型：圓孔，人孔鋼號：Q345。

人孔柱內力取上柱最大內力，N=416 kN，Mx=-824.9 kN·m，V=117.7 kN。

人孔高l=2 000 mm，人孔寬W=450 mm。

人孔桿件HN1000×300×12×16，b=300 mm，t=16 mm，t1=t2=12 mm。

單肢內力

N1=N/2+Mx/y0

Mx1=Vl/4

V1=V/2

驗算結果：

人孔單肢強度151.46<305 N/mm2，滿足。

人孔單肢平面內穩定驗算156.04<305 N/mm2，滿足。

人孔單肢平面外穩定驗算176.96<305 N/mm2，滿足。

2.6 柱肩梁驗算

柱肩梁的腹板近似地按簡支梁計算，見圖8。作用于肩梁上的力P1、P2按下列公式計算：

P1=N/2+Mx/h1

P2=N/2-Mx/h1

圖10 肩梁計算簡圖(a)邊列柱(b)中列柱

肩梁的強度按下式計算

抗彎強度

抗剪強度

h1=1 500，h2=2 000，Mx=1 687.8 kN·m，N=2 484.81 kN

P1=2 367.6 kN，P2=117.2 kN

左肢反力Ra=1 775.8 kN，左肢反力產生的彎矩M=887.5 kN.m

肩梁高1200，腹板厚度-16 mm，翼板-600×30 mm，Q345鋼材

彎曲應力35.5<295 N/mm2，滿足。

剪切應力101<175 N/mm2，滿足。

3 重型鋼結構廠房結構設計關鍵技術小結

(1)結構跨度布置時，應重點關注吊車水平凈空和垂直屋架下弦凈空要求。

(2)12 m柱距宜在柱頂設置托架或托梁支撐屋架。

(3)格構柱外形尺寸應與吊車梁選用圖集配合確定。

(4)應根據影響線確定最大輪壓和最小輪壓作用下支座上的反力值。

(5)重型鋼結構屋面荷載與一般輕型鋼結構屋面荷載有所不同，需要注意。

(6)風荷載對結構影響較大，需要手工復核輸入。

(7)應建立橫向、縱向計算模型進行結構受力分析。

(8)輸入參數應選擇單層鋼結構廠房，并按《鋼標》進行計算。

(9)輸出結果應首先檢查是否存超限信息，若有，應修改設計，直到消除超限信息。

(10)位移指標控制，風荷載、地震荷載作用下柱頂位移應控制在1/400。

吊車位移控制，僅考慮一臺吊車作用下牛腿處水平位移控制在1/1250。

(11)格構柱需要驗算柱強度、繞虛軸整體穩定、分肢強度、分肢穩定、綴條穩定、平面內、外長細比、構件高厚比、寬厚比等指標。

(12)人孔柱需要對分肢進行強度和穩定驗算。

(13)柱肩梁需要進行強度和穩定計算。

4 存在問題

因篇幅有限，僅選取1個計算單元進行分析。實際設計時，應對不同跨度、不同荷載分布單元、縱向等計算單元，建立計算模型，對結構進行分析，并取大值包絡設計。

5 結 語

將設計成果應用于實際工程，促進了設計人員對重型鋼結構廠房設計研究，對廠房設計中結構布置、模型建立、內力分析、指標控制、節點設計、構造措施處理等結構設計關鍵點探討，為今后工程設計提供借鑒參考。展望未來，大量的工業建筑采用鋼結構設計，符合綠色生態環保，符合碳中和，碳達峰節能減排目標，對鋼結構設計研究，將大大提高勞動生產率，提高設計質量，更好地為業主服務，為國家建設服務。