陳天仙

（福建建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，福州350001）

1 工程概況

在原有廠區(qū)內(nèi)擬新建一棟重塔車間，單層，火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為丁類，總建筑面積摘要m2。建筑長度252.25m、寬度80m，結(jié)構(gòu)類型為鋼結(jié)構(gòu)的廠房，車間跨度40m+40m。每跨均設(shè)有雙層吊車，下層配置2 臺(tái)吊車，起吊質(zhì)量60t/20t，雙鉤，中級(jí)工作制，工作級(jí)別A5，吊鉤起吊高度16m；上層設(shè)2 臺(tái)吊車，起吊質(zhì)量200t/25t，雙鉤，中級(jí)工作制，工作級(jí)別A5，吊鉤起吊高度20m。另在車間外東側(cè)室外原材料堆放場地內(nèi)設(shè)1臺(tái)半門電磁吊，起吊質(zhì)量60t，吊鉤起吊高度10m，軌道跨度24m。車間西側(cè)山墻側(cè)設(shè)8 扇寬10m、高15m 的電動(dòng)推拉門，北側(cè)山墻與原有一期重塔車間貼臨。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程位于漳州市漳浦縣六鰲鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)50a 一遇基本風(fēng)壓為0.75kN/m2，設(shè)計(jì)10a 一遇基本風(fēng)壓為0.40kN/m2，地面粗糙度為A 類，不考慮屋面雪荷載[1]。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.15g，所在場地設(shè)計(jì)地震分組為第3 組，場地類別為Ⅲ類[2]。

3 方案選擇與優(yōu)化

本工程按吊車噸位劃分，屬于重型廠房。此類鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)布置需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)、工藝、安全的需求。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既要同時(shí)滿足承載力極限狀態(tài)下和正常使用狀態(tài)下的要求，又要保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和吊車運(yùn)行的安全性。

最初設(shè)想是考慮采用常見的重鋼廠房的結(jié)構(gòu)形式，即單榀結(jié)構(gòu)采用H 型鋼格構(gòu)柱，屋面采用H 型鋼梁。

本工程需要設(shè)置雙層吊車，上層吊車起重量為200t/25t，且柱間單跨跨度達(dá)到了40m。雖然模型計(jì)算能夠滿足，但考慮吊車噸位較大，以及雙工字鋼格構(gòu)柱自身縱向剛度沒有足夠儲(chǔ)備，工字鋼的高度不能一味加高，導(dǎo)致造價(jià)偏大。因此，初步方案需要優(yōu)化調(diào)整?？紤]采用四管鋼管混凝土格構(gòu)柱，可以適當(dāng)調(diào)整縱向的厚度，來達(dá)到提高自身縱向剛度的要求。其材質(zhì)為Q235B，Dx為800mm，Dy為摘要mm，鋼管1、鋼管2 皆為φ219mm×14mm（灌芯C40），斜綴條：φ95mm×4mm，橫綴條：φ76mm×5mm，其截面圖見圖1。

圖1 鋼管格構(gòu)柱截面圖

在接下來的進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)中，在保證安全穩(wěn)定的前提下，通過對(duì)構(gòu)件截面的合理性及規(guī)范指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)比不同的柱距對(duì)整體造價(jià)的影響，將方案進(jìn)行最終優(yōu)化。

在調(diào)整模型的過程中，發(fā)現(xiàn)原方案屋面在19m 標(biāo)高一階鋼柱處變形比柱頂變形還大，柱頂位移約70mm，而此處位移約78mm，不滿足GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》大于H/400（H為鋼柱高度）的要求[3]?？紤]到由于風(fēng)荷載很大，為保證柱的抗側(cè)剛度，將邊跨格構(gòu)柱柱肢間距由摘要mm 增加到摘要mm。

在對(duì)原方案鋼管混凝土柱強(qiáng)度校核時(shí)，發(fā)現(xiàn)φ219mm×14mm 鋼管混凝土強(qiáng)度偏低，計(jì)算出鋼管混凝土單肢柱的軸向承載力為摘要kN，小于設(shè)計(jì)值摘要kN，需要加強(qiáng)。因此，改取用高強(qiáng)鋼管，材質(zhì)由Q235 改為Q345。由施工工藝原理可知，鋼管管徑的大小影響施工質(zhì)量。為方便混凝土施工，提高施工質(zhì)量，避免施工事故，參考相關(guān)的施工經(jīng)驗(yàn)，鋼管直徑由219mm 改為351mm。

關(guān)于屋面實(shí)腹鋼梁方案的進(jìn)一步細(xì)化核算：初步方案為截面擬采用BH摘要mm×260mm×8mm×14mm，高厚比（1300-2×14）/8=159.0，根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)高厚比h0/lw≥140.3 時(shí)，應(yīng)在應(yīng)力較大區(qū)設(shè)置縱向加勁肋。這樣就導(dǎo)致鋼梁制作復(fù)雜，且對(duì)施工安裝技術(shù)要求較高，增加了施工難度。

由于屋面跨度較大，單跨達(dá)到了40m。為提高屋面剛度及整體穩(wěn)定，屋架形式考慮選用網(wǎng)架或管桁架。與傳統(tǒng)的開口截面（H 型鋼和I 字鋼）鋼桁架相比，管桁架結(jié)構(gòu)整體性能好，扭轉(zhuǎn)剛度大且外表美觀，制作、安裝、翻身、起吊都比較容易。而管桁架結(jié)構(gòu)是在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比具有其獨(dú)特的優(yōu)越性和實(shí)用性。管桁架中的桿件大部分情況下只受軸線拉力或壓力，應(yīng)力在截面上均勻分布，因而容易發(fā)揮材料的作用，這些特點(diǎn)使得桁架結(jié)構(gòu)用料經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)自重小。

鑒于以上的分析比較，最終考慮采用三角管桁架的屋架形式，試算的截面如圖2 所示。

圖2 屋架剖面圖

因采用9m 柱距，吊車梁考慮按實(shí)腹式工字鋼設(shè)計(jì)，這種梁主要由上翼緣板、下翼緣板、腹板等焊接而成，具有制作簡單、施工方便、受力性能好、抗疲勞能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為了充分利用鋼材強(qiáng)度，節(jié)約造價(jià)，設(shè)計(jì)成上寬下窄的不等寬工字鋼。

吊車梁在橫向水平荷載作用下，梁上翼緣平面內(nèi)將承受較大的水平方向彎矩和剪力，若僅靠梁本身傳遞橫向水平力，將產(chǎn)生很大的彎扭作用，不但不經(jīng)濟(jì)，也很難滿足使用要求，因此，在梁的上翼緣平面設(shè)置由角鋼組成的水平制動(dòng)桁架，以抵抗橫向水平荷載，保證吊車梁的穩(wěn)定性。

柱間支撐是為保證建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定、提高側(cè)向剛度和傳遞縱向水平力而在相鄰兩柱之間設(shè)置的連系桿件。本工程結(jié)合鋼管格構(gòu)柱的類型，采用雙片槽鋼剛性支撐，按規(guī)范要求，在兩端及中間每隔50m 均勻設(shè)置。

屋面水平支撐均采用的是焊接鋼管組成的交叉支撐。因屋架為三角管桁架，為了提高平面外的側(cè)向穩(wěn)定性，而設(shè)計(jì)了焊接鋼管組成的屋面垂直桁架支撐，在屋架兩端和中間部位沿縱向通長設(shè)置3 道，與屋架一同形成受力更好的整體剛度。

通過對(duì)上述各個(gè)方案的分析，以下對(duì)各個(gè)方案的用鋼量和成本數(shù)據(jù)做了綜合匯總對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 各個(gè)方案的用鋼量、成本綜合對(duì)比

經(jīng)對(duì)比分析可知：（1）當(dāng)采用H 型鋼格構(gòu)柱+屋面空間桁架方案用鋼量最大，為摘要t；（2）當(dāng)將柱距由9m 改為12m后，屋面空間桁架用鋼量減少，吊車梁、屋面檁條和墻面檁條的用鋼量顯著增加（當(dāng)跨度＞9m 時(shí)，檁條不宜采用冷彎薄壁型鋼實(shí)腹式構(gòu)件，需采用桁架式），結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)摘要t。

綜合比對(duì)后，人們認(rèn)為鋼管混凝土柱（柱距9m）+屋面管桁架方案的主要構(gòu)件用鋼量省、成本低，主要構(gòu)件用鋼量為摘要t，相對(duì)于原方案用鋼量減少132t，成本約減少68 萬元。而且，此優(yōu)化方案較好地解決了原設(shè)計(jì)方案鋼管柱管徑偏小、混凝土澆筑困難、分肢柱強(qiáng)度不夠、屋面梁腹板高厚比過大、實(shí)腹屋面梁與四肢格構(gòu)柱連接復(fù)雜等設(shè)計(jì)不足和考慮不周等問題。

本項(xiàng)目最終按優(yōu)化后的方案給出施工圖，現(xiàn)已建設(shè)完成，于2018 年開始投入生產(chǎn)使用。

4 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于大噸位吊車鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)選型，固然有多種設(shè)計(jì)方法。但如何在保證安全穩(wěn)定的同時(shí)，又能優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)是工程設(shè)計(jì)同行們?cè)诖祟愒O(shè)計(jì)中所面臨的共同問題和思考方向。本文通過工程的主要用鋼量和對(duì)應(yīng)成本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算而得出的最優(yōu)方案，以期能夠?yàn)橥愋蛷S房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些參考。