徐小琴

(四川省機械研究設(shè)計院(集團)有限公司，四川 成都 610063)

隨著時代的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)廠房在我國各個行業(yè)、領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用，其中，重型鋼結(jié)構(gòu)機械廠房多應(yīng)用于機械廠房建設(shè)工作中。相比于過去主流的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)在抗震性能、自身重量、建造速度、環(huán)境保護方面均有著更佳的表現(xiàn)。目前各個行業(yè)、領(lǐng)域?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)廠房廣泛使用，鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計理念與工藝水平已經(jīng)不斷提升，特別是加入智能化、數(shù)字化手段之后，鋼結(jié)構(gòu)廠房已具備更加廣闊的發(fā)展前景[1]。

1 工程概況

本次的研究對象為某雙層吊車聯(lián)合廠房。該廠房整體占地面積為22 680 m2，總體長度180 m，寬度為126 m, 廠房最高高度達到了30 m。根據(jù)機械廠房工藝要求，該工程建設(shè)為四連跨，最大跨度達到了36 m；最大吊車噸位為兩臺360 t的吊車，相當(dāng)于吊720 t重物放在一個柱子上，每跨的高度按照相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)呈錯落式分布。該機械廠房使用雙肢格構(gòu)柱+變截面鍥形結(jié)構(gòu)梁，廠房屋面與墻面則采用冷彎薄壁C型鋼制成；圍護結(jié)構(gòu)采用輕型保溫鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合板，即外層復(fù)合高強板+耐火保溫材料+內(nèi)層復(fù)合高強板。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該鋼結(jié)構(gòu)廠房在高跨位置選用的是雙肢格構(gòu)柱，而在低跨位置則選用的是H型階梯柱，屋面梁則選用變截面H型鋼梁，并將屋面梁與中柱、邊柱進行剛接；一般而言，重型鋼結(jié)構(gòu)機械廠房通常會選用框排架結(jié)構(gòu)(屋頂桁架方面選用梯形或三角形結(jié)構(gòu)，并將桁架同柱子進行鉸接)，而在該廠房中，選用的是輕型門式剛架結(jié)構(gòu)中的鍥形結(jié)構(gòu)梁，該結(jié)構(gòu)由鍥形單元構(gòu)成，該單元便于制造與裝卸，性價比更高。在重型鋼結(jié)構(gòu)機械廠房的設(shè)計中，核心點是要讓整體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，因此該工程在柱間、屋面水平支撐方面借助剛性支撐來對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行進一步強化；在進行鋼架計算時，嚴(yán)格限制雙層吊車車梁節(jié)點位置和檐口位置的水平位移，使二者水平位移不超過1/1250。

由于該廠房中使用了鍥形結(jié)構(gòu)梁，該結(jié)構(gòu)在GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中把該結(jié)構(gòu)單元等效看作等截面H型鋼梁單元，因此為了實現(xiàn)廠房整體的安全性與穩(wěn)定性，應(yīng)將剛架結(jié)構(gòu)計算劃分為兩個部分：首先，根據(jù)GB 50017—2017計算鋼柱和鋼梁，并參照項目要求進行柱梁的調(diào)整；其次，根據(jù)GB 50017—2017計算鋼柱、根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB 51022-2015計算鋼梁，并參照項目要求進行柱梁的調(diào)整。在實際計算中，應(yīng)同時滿足上述兩種運算方式，從而使廠房整體結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理、牢固可靠。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)布置

該廠房內(nèi)的吊車噸位高達360 t，吊車移動時會造成較為明顯的廠房震動，因此要在設(shè)計工作中考慮到這個因素。該廠房在屋頂表面支撐方面選用的是角鋼支撐，其與縱向支撐、橫向支撐一起構(gòu)成了一個閉環(huán)式系統(tǒng)，大大增加了工程的整體剛度；在柱頂、屋脊、鋼架轉(zhuǎn)折位置及其他對應(yīng)位置安裝剛性系桿，具體布置情況如圖1所示。根據(jù)該工程相關(guān)要求，將柱間距離設(shè)置為12 m，全長為180 m；依次在邊跨兩端、6軸與7軸之間、10軸和11軸之間安裝柱間支撐，將水平作用力傳遞至基礎(chǔ)，在邊跨上只安裝上柱支撐，以此便于釋放吊車梁工作產(chǎn)生的熱量。

2.2.2 設(shè)計依據(jù)

根據(jù)我國相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，該廠房抗震設(shè)防烈度取值為七度，基本地震加速度取值為0.15 g，設(shè)計地震分組為第一組，施工場地類別是Ⅱ類。設(shè)計荷載的主要參數(shù)如下：屋頂表面活荷載為0.35 kN/m2；屋頂表面恒荷載為0.30 kN/m2(屋面材質(zhì)選用的是輕型彩鋼板)；屋頂表面風(fēng)荷載為0.30 kN/m2；荷載組合根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行確認(rèn)。主結(jié)構(gòu)鋼柱、鋼梁采用屈服強度為345 N/mm2的B級鋼，吊車梁采用屈服強度為345 N/mm2的B級鋼。

圖1 屋蓋支撐、系桿布置示意圖

2.2.3 計算結(jié)果

本工程涉及的所有計算均借助PKPM(排架框架設(shè)計 + 平面輔助設(shè)計)工程管理軟件的鋼結(jié)構(gòu)模塊進行建模、運算和診斷，并借助鋼結(jié)構(gòu)-空間結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行計算結(jié)果的驗證，按現(xiàn)行規(guī)范GB 50017-2017設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)柱與鋼結(jié)構(gòu)梁之間的應(yīng)力比控制在0.8—0.9范圍內(nèi)。

3 機械廠房設(shè)計要點

3.1 柱腳設(shè)計

3.2 肩粱和柱梁連接節(jié)點設(shè)計

在該機械廠房的設(shè)計中，因為肩梁高度與下柱截面的高度之比的比值范圍在0.4—0.6，所以結(jié)果取值為0.5；吊車肢側(cè)方安裝的肩梁腹板則選用直接加厚貼板的方法進行加強，以方便后續(xù)施工作業(yè)。肩梁和牛腿之間的具體連接方式可參考圖3。上柱方面選用H型截面，梁則選擇上述的鍥形結(jié)構(gòu)梁，柱、梁直接進行剛性連接，具體連接方式可參考圖4。

a b ca-軸柱腳構(gòu)造；b-軸柱腳構(gòu)造；c-軸柱腳構(gòu)造圖2 柱腳結(jié)構(gòu)示意圖

a b ca-肩梁節(jié)點構(gòu)造1；b-肩梁節(jié)點構(gòu)造2；c-牛腿節(jié)點圖3 肩梁和牛腿連接示意圖

a b c a-柱梁節(jié)點構(gòu)造1；b-梁梁節(jié)點構(gòu)造；c-柱梁節(jié)點構(gòu)造2圖4 柱梁連接示意圖

3.3 墻面設(shè)計

屋面和墻面檁子都采用XZ280×80×20×3.0，材質(zhì)為屈服強度采用345 N/mm2的A級碳素結(jié)構(gòu)鋼，進行荷載計算時只考慮活荷載、恒荷載與風(fēng)荷載三個方面。檁子按各自間隔1.5 m的距離進行安裝，并將撐桿安裝于相鄰的兩根檁子之間，從而有效增加相鄰兩個鋼架之間屋面或墻面的剛度、強度。

屋面和墻面這兩個部分均采用輕型保溫鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合板，即外層復(fù)合高強板+耐火保溫材料+內(nèi)層復(fù)合高強板，內(nèi)層、外層復(fù)合板均由高強度壓型鋼板，從而使得整個屋面恒載不超過30 kg/m2，并兼具結(jié)構(gòu)牢固、美觀大方和防水性好這三大作用，方便工作人員進行維護維修工作，且大大降低了維護維修成本。

4 結(jié)語

重型鋼結(jié)構(gòu)廠房具有重量輕、建造速度快、維護成本低、抗震能力強等多重優(yōu)勢[2]。隨著我國鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)水平與應(yīng)用范圍的不斷提升，重型鋼結(jié)構(gòu)機械廠房有著光明的發(fā)展前景。

本文涉及的重型鋼結(jié)構(gòu)機械廠房自建成并投入使用以來，至今運行良好，得到了用戶的高度肯定；工作人員在操縱吊車時，也未感受到不適，并且反映廠房內(nèi)部震動感與噪音均很小，這充分說明了該廠房的剛度達到了較高水準(zhǔn)。

除上述要點外，在進行重型鋼結(jié)構(gòu)機械廠房設(shè)計時，還應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：

1)廠房設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)充分考慮鋼結(jié)構(gòu)受力情況，遵循便于結(jié)構(gòu)制作與安裝的原則，在不同鋼鐵截面方式用鋼量相同的前提下，首先考慮選用結(jié)構(gòu)更為簡單，建造更加容易的形式；

2)穩(wěn)定性是重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計的核心要務(wù)，因此在實際工作中，應(yīng)當(dāng)強化其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與水平位移的控制；

3)在重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計中，應(yīng)嚴(yán)格遵循國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，不得隨意降低設(shè)計方面的關(guān)鍵要素；

4)在重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計中，在允許范圍內(nèi)可以盡量加大柱間距離(可設(shè)置為12 m)，從而有效減少用鋼量，降低生產(chǎn)成本。