林振楊,申秀秀
(1.中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司,合肥 230601;2.匯杰思創(chuàng)(北京)建筑設(shè)計(jì)有限公司,北京 101403)
本項(xiàng)目是在用地極其緊張的裝備產(chǎn)業(yè)園區(qū)新建大型煉鑄鍛鋼聯(lián)合廠房,建筑面積133 707.39 m2,建筑物總長(zhǎng)度427.94 m,總寬度379.84 m,廠房最大高度40.85 m(脊高)。廠房由廢鋼車間、清鏟車間、煉鑄車間、鍛造熱處理車間、機(jī)加工車間組成,配置20~450 t 不等的吊車。廠房地上部分全部采用鋼排架結(jié)構(gòu),屋面梁采用變截面H 形鋼梁,柱采用格構(gòu)式單階或多階排架柱,下段柱為雙肢格構(gòu)式組合柱,中間段為實(shí)腹式組合柱,上段柱為實(shí)腹式H 形鋼柱,采用獨(dú)立承臺(tái)樁基礎(chǔ)。該廠房的平面尺度、高度,工藝復(fù)雜程度均為國內(nèi)少見。聯(lián)合廠房建筑效果圖如圖1 所示。
圖1 聯(lián)合廠房建筑效果圖
本項(xiàng)目抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為8 度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g,地震分組為第二組,建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。場(chǎng)地土基本凍深0.8 m??紤]到廠房的重要程度,按百年一遇確定基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2,地面粗糙度類別為B 類?;狙簽?.35 kN/m2。屋面設(shè)計(jì)活荷載為0.5 kN/m2。吊車工作級(jí)別為A5~A7。
經(jīng)過綜合考慮各種因素,選用上柱為實(shí)腹式,中、下段柱為格構(gòu)式階形柱,根據(jù)構(gòu)造要求[1],取柱寬為柱截面高度的1/3左右,上柱截面高度取下柱截面高度的4/5 左右,合理調(diào)整柱肢間距,使吊車梁支點(diǎn)均作用于吊車肢中心,初步確定排架柱主要尺寸。
對(duì)于有大噸位吊車的重型鋼結(jié)構(gòu)廠房格構(gòu)柱可以采用型鋼或者鋼管(包含鋼管混凝土)組合截面。以N 軸有4 層肩梁的復(fù)雜階形柱為例,考慮到車間的可持續(xù)發(fā)展及復(fù)雜工藝設(shè)備管道吊掛等因素的影響,柱最大應(yīng)力比按照0.8 進(jìn)行控制,兩種形式的柱截面如圖2 和圖3 所示。比較兩種形式剛架的自振周期,焊接型鋼格構(gòu)柱的自振周期更大,說明鋼管混凝土格構(gòu)柱車間的整體剛度更好。比較兩者的用鋼量,鋼管混凝土格構(gòu)柱可節(jié)約20%。
圖2 N 軸柱截面簡(jiǎn)圖(焊接型鋼格構(gòu)柱)
圖3 N 軸柱截面簡(jiǎn)圖(鋼管混凝土格構(gòu)柱)
考慮到鋼管混凝土格構(gòu)柱寬度相較更大,使得本身用地緊張的車間有效使用空間更有限,且現(xiàn)場(chǎng)施工安裝難度更大,施工周期更長(zhǎng),而且整個(gè)廠房吊車的噸位跨度較大(32~450 t),并不是所有跨均可采用鋼管混凝土格構(gòu)柱,若部分采用,廠房?jī)?nèi)的視覺觀感較差,在和甲方及有經(jīng)驗(yàn)的施工方在經(jīng)濟(jì)技術(shù)、材料、施工技術(shù)、施工進(jìn)度、施工質(zhì)量等方面的綜合探討比較后,最終選擇了焊接型鋼格構(gòu)柱的形式。柱腳采用構(gòu)造較為簡(jiǎn)單、傳力性能優(yōu)越、鋼材用量較省的杯口插入式柱腳,柱腳插入深度需滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016 年版)[2]的要求。
本項(xiàng)目的吊車布置較復(fù)雜,煉鑄車間N 軸和R 軸柱列分別有4 層和3 層吊車,且就吊車噸位最大為320 t。鍛造熱處理車間D~E 軸跨,在縱向1~15 軸為高、中兩層吊車,16~21 軸取消高層吊車,僅中層一層吊車,22~29 軸新增低層吊車,共中、低兩層吊車,29~46 軸再取消中層吊車,僅低層一層吊車。根據(jù)排架柱的選型及吊車梁的布置等不同情況,并結(jié)合廠房?jī)?nèi)部空間使用的需求,進(jìn)行柱間支撐選型設(shè)計(jì)。具體有如下形式:車間外圍柱列下柱支撐采用構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明了、用料較省的十字交叉支撐;車間中間柱列下柱支撐采用了用料較多、剛度較差的門形支撐,以保證車間內(nèi)的通行暢通,以及柱間布置工藝設(shè)備的需求;中段柱根據(jù)其高度與柱距的關(guān)系,按照高度與柱距的比值由大到小,依次選用十字交叉撐、八字撐、桁架式撐的形式。從桿件受力合理、板材經(jīng)濟(jì)方面考慮,支撐傾角控制在35°~55°[3]。
吊車梁的設(shè)計(jì)需要考慮吊車噸位及工作級(jí)別的影響,本項(xiàng)目吊車噸位較大(最大450 t),且工作級(jí)別為重級(jí),不僅需要進(jìn)行疲勞驗(yàn)算,而且需要控制豎向和水平向的變形[4]。吊車梁的類型有型鋼梁、吊車桁架、焊接組合工字形梁、焊接箱形梁。經(jīng)過綜合考慮,本項(xiàng)目宜采用后面兩種形式。焊接工字形梁承載性能良好,工作可靠,施工簡(jiǎn)便,且易于梁截面優(yōu)化。焊接箱形梁由上下蓋板及兩側(cè)腹板組成封閉箱型梁,有較好的整體剛度和抗扭剛度,但是制作施工復(fù)雜。綜合考慮,本項(xiàng)目采用了焊接工字形吊車梁。為了保證柱肩梁設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便安全,不同跨度的吊車梁端部采用相同的截面高度,因部分抽柱而形成大跨度的吊車梁采用了變截面高度。
焊接工字形梁腹板的耗鋼量較大,為了減少用鋼量,且還必須保證腹板的穩(wěn)定性,對(duì)于梁高大于3 m 的,計(jì)算優(yōu)化設(shè)置縱向和橫向加勁肋,通過合理控制加勁肋的間距,保證腹板在吊車動(dòng)荷載作用下的穩(wěn)定性。
屋蓋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅與建筑體型密切相關(guān),而且需要滿足通風(fēng)、采光、排水以及部分車間的除塵功能(例如煉鑄車間)的需求,同時(shí)各構(gòu)件之間關(guān)系比較復(fù)雜,再遇到車間抽柱的情況,對(duì)屋蓋系統(tǒng)的布置更加需要重視。屋蓋系統(tǒng)的耗鋼量約占整個(gè)廠房的百分之三四十。屋蓋系統(tǒng)可采用的方案形式比較多,設(shè)計(jì)時(shí)需綜合研究,詳細(xì)比較才能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效果。
本項(xiàng)目煉鑄車間各跨高低錯(cuò)落,屋頂有除塵罩及大型除塵管道的布置,且有幾處抽柱的情況。鍛造熱處理車間不僅橫向高低錯(cuò)落,車間沿著縱向也有幾次變高度,整個(gè)屋面形體較為復(fù)雜。經(jīng)考慮,屋蓋采用平面結(jié)構(gòu)體系,不僅能夠很好地適應(yīng)本項(xiàng)目的平面及豎向不規(guī)則、橫向及縱向的錯(cuò)落變化,而且長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,也能更好地適應(yīng)廠房的改擴(kuò)建需要。
本項(xiàng)目采用了有檁輕型彩鋼板屋蓋,屋蓋梁選用了制作安裝較簡(jiǎn)單的實(shí)腹式焊接變截面工字形梁,梁柱連接采用剛性連接,不僅可以滿足屋面承載需求,且能有效減小整個(gè)屋蓋系統(tǒng)的高度。屋蓋在對(duì)應(yīng)于柱間支撐的位置設(shè)置了橫向水平支撐,在邊列排架柱處、等高屋面的中柱選擇吊車噸位大的一邊或者跨度大的一邊、不等高屋面的中柱兩側(cè)設(shè)置縱向水平支撐。由于本項(xiàng)目柱距為12 m,屋蓋支撐布置時(shí),采取了一級(jí)主系桿(12 m 跨)間再設(shè)二級(jí)次系桿(跨度6 m 左右),從而可以選擇截面較小的角鋼交叉支撐。
1)重型高大工業(yè)廠房采用鋼管混凝土格構(gòu)柱和箱形吊車梁的結(jié)構(gòu)形式,通常情況下可以提高廠房的剛度、節(jié)省用鋼量。但是考慮到施工制作難易程度、施工周期的長(zhǎng)短及車間的可持續(xù)改造發(fā)展等因素的影響,往往采用焊接型鋼格構(gòu)柱和H 形截面吊車梁的方案,其綜合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)更佳。
2)柱間支撐的布置需要根據(jù)工藝布局需要,考慮構(gòu)件傳力的合理性,構(gòu)造的難易,選擇合理經(jīng)濟(jì)的支撐形式。
3)高大廠房采用實(shí)腹式變截面工字形屋面梁和有檁輕型彩鋼屋面,屋面梁與柱剛接,可提高廠房的剛度,降低廠房整體高度,方便施工安裝且易于維護(hù)改造,整體效果較好。