熱連軋項目成品庫廠房經濟柱距分析

劉 慧，楊志娟，王 濤

(中冶東方工程技術有限公司,山東 青島 266555)

0 引言

隨著我國工業建筑發展日益成熟,目前國內1580,1780,2250等熱連軋項目日益增多,工藝生產需求熱連軋項目中成品庫廠房柱距多為9 m～15 m,跨度多為27 m～33 m,配置吊車起重量40 t～50 t,吊車軌面12 m～15 m。考慮到業主越來越重視廠房的經濟性,該類廠房設計時滿足工藝要求的前提下,廠房柱距盡量經濟、合理[1]。本文結合實際工程對1780熱連軋工程中成品庫廠房在滿足工藝需求的前提下,計算分析不同柱距時廠房各系統的鋼材量指標,給出該類廠房合理的經濟柱距。

1 廠房設計要點

1.1 材質選擇

在設計中應結合市場供應情況優先選用易于采購的鋼材規格。目前工業廠房設計中常用Q355鋼、Q235鋼,Q355鋼強度高于Q235鋼,加之市場上這兩種鋼材差價不大,一般為200元/t～300元/t,因此在強度控制構件截面的情況下,鋼結構廠房優先考慮選用Q355鋼。

1.2 結構體系及截面選用

廠房的結構布置需要綜合生產工藝需求、經濟性要求又要保證結構穩定性和吊車運行的安全性[2]。本次設計中成品庫廠房橫向采用剛接剛架體系,剛架梁采用焊接工字形變截面梁,變截面梁加工制作不及等截面梁容易,但截面變化形式符合梁的彎矩圖,用于大跨度車間利于節約鋼材。上柱采用焊接工字形截面,下柱采用鋼管混凝土柱,該類柱施工相比型鋼柱周期長,但節約鋼材[3]。柱下端與基礎固接,采用插入式柱腳。廠房縱向傳力體系由廠房柱、吊車梁或輔助桁架、系桿、柱間支撐組成。

屋蓋支撐需有效傳遞和分配風荷載、吊車水平荷載和地震作用,保證屋蓋各構件單元的穩定性,并滿足結構空間整體工作的要求。在廠房的每一個溫度區段或分期建設的區段中均應設置獨立完整的屋蓋支撐體系[4]。屋蓋支撐可有效承擔和傳遞水平力,減小桿件的計算長度。屋蓋結構主要由屋面梁、檁條、支撐系統等組成,檁條采用高頻焊接H型鋼,檁條下設置隅撐以作為屋面梁下翼緣的側向支點。

吊車梁采用焊接H型鋼,吊車梁頂面設制動板。廠房邊列設置輔助桁架,吊車梁下翼緣與輔助桁架下弦之間設置水平支撐。

墻架系統為全鋼結構[5]。縱墻墻皮柱上端用彈簧板與天溝或屋面檁條等縱向構件連接,中間與吊車梁輔助桁架相連傳遞水平力并作為墻皮柱平面內支點。山墻墻皮柱上端與剛架梁用彈簧板連接,傳遞水平力,中間借助與吊車梁相連的山墻檢修走道作為墻皮柱平面內支點。墻皮柱采用軋制工字鋼或焊接H型鋼,墻面檁條均采用冷彎薄壁C型鋼,檁條與墻皮柱用螺栓連接。山墻處按工藝需求設置吊車檢修走道。

1.3 廠房跨度及柱距分析

廠房柱距根據工藝布置、吊車起重量的不同,一般可采用6 m～24 m,荷載對跨度的影響大,而總的用鋼量又受跨度影響明顯,實際工程中合理的跨度在18 m～24 m。一般單層廠房建筑高度、跨度、柱距都是設計中影響經濟性的因素,設計者應結合高度和跨度的使用要求及荷載情況綜合考慮[6]。

廠房柱距的合理性尤為重要,柱距過大、過小都會使得用鋼量增加。柱距大檁條及屋面支撐等的用鋼量增加,總的剛架數量少了,剛架的用鋼量又會降低[7]。考慮到熱連軋項目中成品庫廠房吊車噸位不大,采用大柱距18 m～24 m時剛架梁柱截面、吊車梁截面加大,柱距大于12 m時屋面檁條用高頻焊接H型鋼代替冷彎薄壁C型鋼,柱距超過18 m時檁條截面明顯增大。結合實際工程,熱連軋項目中成品庫廠房的合理柱距范圍為12 m～15 m。

2 廠房柱距設計分析

2.1 工程簡介及設計參數

本文結合實際工程石橫特鋼1780熱連軋綠色智能產品結構調整項目,該工程建設地為山東省泰安市。本工程安全等級為二級,主體結構設計使用年限為50 a,場區抗震設防烈度為7度,基本地震加速度值為0.10g,地震分組為第二組。基本風壓為0.40 kN/m2(重現期為50 a),地面粗糙度為B類,基本雪壓為0.4 kN/m2(重現期為100 a)。

成品庫廠房為單層兩跨鋼結構廠房,跨度為2×30 m,基本柱距為12.0 m,少數柱距為15.0 m,廠房總長度為198 m,軸線面積為11 880 m2。成品庫屋面采用現場復合(保溫)彩色壓型鋼板,彩板采用0.8 mm厚YX51-380-760型(角馳Ⅲ),彩板下部鋪50 mm厚超細玻璃絲綿。外墻標高0.900 m以下為240 mm厚磚墻,標高0.900 m以上外墻采用單層彩色壓型鋼板。剛架、檁條、墻梁及圍護結構體型系數按文獻[8]GB 50009—2012建筑結構荷載規范取值。屋面恒載(含檁條自重)為0.35 kN/m2,屋面活荷載為0.5 kN/m2。成品庫按工藝要求設置吊車,吊車軌面標高為13.000 m,參數及運行范圍見表1。

表1 吊車參數表

2.2 廠房結構布置

以12 m柱距為例,給出成品庫剛架及柱間支撐布置示意圖,詳見圖1。成品庫廠房總長度198 m,未超過圍護結構為金屬壓型板的房屋縱向溫度區段250 m的要求,故不需設置溫度伸縮縫。建設所在地抗震設防烈度為7度,廠房長度大于150 m,故需設兩道下柱支撐,下柱支撐在溫度區段內對稱設置,兩道下柱支撐的中點到縱向溫度區端頭距離為97.5 m,不大于溫度區段長度的60%。

圖2為屋面檁條及支撐布置示意圖,檁條作為屋面支撐的縱向系桿。支撐作為檁條的側向支點,滿足檁條對整體穩定性的要求,這種構件功能的擴展可起到降低結構耗鋼量的作用。屋面橫向支撐在廠房每個溫度區段兩端第一個柱距區間內各設一道,當溫度區段長度較大時須在廠房中部增設屋面橫向支撐,其凈距不宜超過60 m。成品庫布置6道橫向支撐,兩側邊柱設置屋面縱向支撐,詳見圖2。

成品庫為等高兩跨,柱頂高度18.8 m,設有起重量40/5 t的A6吊車,詳見圖3。剛架下柱邊列肢寬1 600 mm,中列柱肢寬2 000 mm,柱肢采用D406×8鋼管混凝土柱,混凝土強度等級為C40。上柱截面高度800 mm,變截面剛架梁高度為1 000 mm～800 mm,800 mm,800 mm～1 200 mm。根據柱距不同調整梁柱截面板的寬度和厚度。

2.3 一個柱間各系統用鋼量分析

本文擬定成品庫廠房的基本柱距為12 m,13.5 m,15 m三種,計算各系統在一個柱間的用鋼量,表2—表5分別列出三種柱距下剛架系統、屋面系統、吊車梁系統、墻面系統用鋼量以及折算成單位面積用鋼量情況。

表2 剛架系統鋼材量

表3 屋面系統鋼材量

表4 吊車梁系統鋼材量

表5 墻面系統鋼材量

剛架系統用鋼量隨柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時用鋼量分別增加0.3 t,0.9 t,增幅分別為1.4%,4.2%。

剛架系統單位面積用鋼量隨柱距增大而減少,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別減少了3.0 kg/m2,5.0 kg/m2,減少幅度分別為10.0%,16.7%。

屋面系統的用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別增加了3.7 t,5.9 t,增幅分別為26.2%,41.8%。

屋面系統單位面積用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別增加了2.5 kg/m2,2.8 kg/m2,增加幅度分別為12.8%,14.4%。

13.5 m柱距增至15 m柱距時屋面系統單位面積用鋼量增大0.3 kg/m2,增幅為1.4%,單位面積用鋼量增加不明顯。

吊車梁系統的用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別增加了4.7 t,10.5 t,增幅分別為16.9%,37.8%。

吊車梁系統單位面積用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別增加了1.5 kg/m2,3.9 kg/m2,增加幅度分別為3.9%,10.1%。

墻面系統的用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別增加了0.8 t,1.6 t,增幅分別為20.0%,40.0%。

墻面系統單位面積用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別增加了0.4 kg/m2,0.7 kg/m2,增加幅度分別為7.1%,12.5%。

2.4 廠房各系統用鋼量分析

本文擬定成品庫廠房的基本柱距分別為12 m,13.5 m,15 m,計算各個系統的用鋼量。表6—表9分別列出了剛架系統、屋面系統、吊車梁系統、墻面系統在上述三種柱距時的用鋼量及單位面積用鋼量。

表6 剛架系統鋼材量

表7 屋面系統鋼材量

表8 吊車梁系統鋼材量

表9 墻面系統鋼材量

剛架系統用鋼量隨著柱距增大而減少,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別減少了18.5 t,33.6 t,單位面積用鋼量分別減少了1.6 kg/m2,2.9 kg/m2,減少幅度分別為4.3%,7.8%。

13.5 m柱距增至15 m柱距時剛架系統用鋼量減少15.1 t,單位面積用鋼量減少1.3 kg/m2,降幅為3.7%。

屋面系統用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別增加了27.8 t,38.0 t,單位面積用鋼量分別增加了2.3 kg/m2,3.2 kg/m2,增加幅度分別為8.3%,11.3%。

13.5 m柱距增至15 m柱距時屋面系統用鋼量增加10.2 t,單位面積用鋼量增加1.7 kg/m2,增幅為2.9%。

吊車梁系統用鋼量隨著柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別增加了7.5 t,28.1 t,單位面積用鋼量分別增加了0.7 kg/m2,2.4 kg/m2,增加幅度分別為1.8%,6.1%。

13.5 m柱距增至15 m柱距時吊車梁系統用鋼量增加20.6 t,單位面積用鋼量增大1.7 kg/m2,增幅為4.3%。

墻面系統用鋼量隨著柱距增大而增加。與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別增加了2.4 t,4.6 t,單位面積用鋼量分別增加了0.2 kg/m2,0.4 kg/m2,增加幅度分別為1.6%,3.2%,增加不明顯。

13.5 m柱距增至15 m柱距時墻面梁系統用鋼量增加2.2 t,單位面積用鋼量增大0.2 kg/m2,增幅為1.6%。

圖4表示出了各個系統在12 m,13.5 m,15 m柱距時鋼材用量,從圖4中可以看出剛架系統的用鋼量隨著柱距增大而減小,屋面系統、吊車梁系統及墻面系統用鋼量均隨柱距增大而增大,其中墻面系統用鋼量增加幅度較小。

2.5 廠房總用鋼量分析

廠房總用鋼量如表10所示。

表10 廠房總鋼材量

廠房總用鋼量隨柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時分別增加了19.2 t,37.1 t,單位面積用鋼量分別增加了1.7 kg/m2,3.2 kg/m2,增加幅度分別為1.5%,2.8%。

13.5 m柱距增至15 m柱距時廠房總用鋼量增加了17.9 t,單位面積用鋼量增大1.5 kg/m2,增幅為1.3%,增加不明顯。

3 結論

1)成品庫廠房在12 m,13.5 m,15 m三種柱距下,一個柱間剛架系統單位面積用鋼量隨柱距增大而減小,屋面系統、吊車梁系統、墻面系統單位面積用鋼量均隨柱距增大而增加。與13.5 m柱距相比,15 m柱距時屋面系統、墻面系統單位面積用鋼量增幅不明顯。

2)成品庫廠房單位面積用鋼量隨柱距增大而增加,與12 m柱距相比,13.5 m柱距,15 m柱距時增幅分別為1.5%,2.8%。13.5 m柱距增至15 m柱距時單位面積用鋼量增幅為1.3%,增加不明顯。

3)類似的熱連軋工程成品庫廠房僅從用鋼量考慮經濟柱距建議采用12 m。