重型钢结构厂房结构设计的实例分析

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     一、重型钢结构厂房结构设计的实例分析

　　1.工程概述

　　随着工业生产模式的逐渐增大，对重型设备的应用需求也在增加，为满足重型设备的运行需求，在设计厂房结构时，就需要针对大跨度超过、大吨位吊车以及大柱距等厂房结构设计进行研究，选择合理的厂房结构设计方案。以某钢铁生产企业厂房结构设计为例，厂房为单层跨钢框架结构，跨度为55.3m，柱距为25m，高度为65m，长度为260m。另外，为满足生产运输需求，厂房建设位置在港口，粗糙度为A，并且风压为1.9kN/。另外，厂房结构防高为52.3m处运行4台500t吊车，在高25.5m处运行2台160t吊车，其中统计所用吊车为A2类工作制。

　　2.厂房结构设计

　　2.1结构选型

　　为满足生产需求，对于厂房结构的选型应保证结构稳定性以及吊车运行安全性，将框架柱刚度控制在合理的范围内。此工程结构选择用单阶三肢柱方式，其中柱截面确定为HW498×432，屋架选择三肢桁架，上下弦觉截面为HW400×400，腹杆为Φ219×10，另外上下支撑吊车梁选择用外伸式牛腿[4]。为保证结构稳定性与刚度满足设计要求，需要利用3D3S计算软件来进行结构分析，并对单榀框架进行平面分析，对其存在的空间作用忽略不计，得到计算的最终位移与应力结果。静载与风载形式下，柱顶位移交角为1/290；柱底部应力为0.89；最大吊车水平荷载产生的轨顶位移角为1/850。利用分析结果，从相关规范出发，在不改变吊车轨距、主要材料截面的基础上，提高结构刚度，并合理控制位移与应力比，需要对结构设计方式进行优化。第一，将三肢柱改为四肢柱，不改变柱肢与缀条截面；第二，利用二阶变阶柱方式，肢距变更为5m，第二阶选择三肢柱方式，肢距更改为3.5m，不改变柱肢与缀条截面；第三，利用三阶变阶柱方式，下阶肢距更改为5m，第二阶肢距变更为4m，第三阶肢距更改为3.5m，不改变柱肢与缀条截面。另外，屋架形式仍选择用三肢桁架，利用3D3S计算软件对三种变更方案进行计算，通过对框架柱变形位移、用钢量以及应力等数据的比较来确定最佳方案。

　　2.2框架结构分析

　　（1）确定荷载数值

　　屋面活载为0.55kN/，恒载0.25kN/，基本风压0.8kN/，粗糙度为A类。另外，结合当地地震活动情况，确定水平地震影响系数最大为0.13，特征周期为0.34s，建筑结构阻尼比为0.034。4台500t吊车与2台160t吊车分别作用在52.32m与24.523m高处。结合各项数据，最终选择钢结构材料为Q234-B，螺栓为扭剪型高强度螺栓。

　　（2）排架柱顶位移设计

　　以钢结构设计规范为依据，对排架柱顶水平位移限制进行灵活取值，选择合适的措施来保证重型吊车运行的安全性与稳定性，降低吊车卡轨力对结构造成的不良影响。

　　（3）柱脚形式设计

　　重型吊车荷载比较大，存在很大的柱脚弯矩力，在确定柱脚形式应对此种情况进行详细分析，如果只是选择用常规平接式并不能完全满足柱脚受力需求，应选择用插入式处理。其中，应做好插入深度的精确计算，使其既能满足界面本身高宽比例需求，又可以达到结构抗震对截面塑性的要求。

　　二、结构平面布局选型分析

　　在确定厂房结构平面布局设计时，必须要保证结构单元划分的合理性，一般需要从工艺布局、建筑物平面投影尺寸以及吊车设置等方面着手：

　　第一，确定结构单元平面尺寸。尺寸的确定必须要满足生产工艺布局、货流入口、人流入口以及参观通道等建设要求。对于大跨度重型钢结构厂房结构单元尺寸的设计，还应结合经济需求，将单元长度尺寸控制在220m以内，跨度方向尺寸控制在150m以内。

　　第二，满足吊车使用要求。设计时应尽量缩小轨高差异，将低于12m的檐口高度或者钢架端部下沿合并成为一个单元来进行计算。如果厂房结构主跨为大吨位吊车，附跨为轻型吊车，则在设计时必须要保证各单元分配的合理性。在保证主跨横向刚度满足侧向风荷载以及地震作用力基础上，采取双柱的方式来对公共轴进行处理。一方面，主附跨公共轴一般都会设计成为结构高大的防火隔墙，并且主要设置在哎主跨钢柱外侧位置，在不脱缝的情况下达到双柱合一的状态。通过此种设计方式可以提高吊车在公共柱两侧运行的安全性。另一方面，采取双柱处理方式，能够提高轻钢规程与钢结构规范应用的合理性，并将地震力作为控制指标之一，合理选择钢柱钢梁腹板以及翼缘宽厚与高度的比限制。通过合理控制各项指标，降低不必要的浪费。

　　第三，投影尺寸控制。在对厂房结构进行设计时，可以将投影尺寸以矩形或者方形规划为一个结构单元，对于长向端出现的局部收进情况，应严加控制收进尺寸，并将抗震规范平面布置规则作为指标，提高厂房结构抗震性能。另外，对于必须要收进的结构处理，可以在平面凹角位置设置补强措施，提高结构建设的整体性与稳定性。

　　三、厂房屋面结构变形控制分析

　　对于大跨度重型钢结构厂房来说，一般会认为厂房屋面刚度无穷大，这样为保证结构设计的合理性，就需要控制好扰度，避免出现结构变形的情况。就厂房结构变形特征来看，需要重点管理吊车轨顶处水平位移，在屋面梁刚度比较小的情况下，钢柱就会起到悬臂柱的作用，位移不能满足设计需求，这样将更多的钢添加到柱子上，增大柱子的截面[3]。在厂房结构传统设计中，大多选择用桁架屋面梁，结构自身荷载比较大，在使用过程中容易出现漏水情况，但是也因为桁架屋面梁刚度高，结构的安全性也比较高。另外，也可以选择用实腹式梁方式，梁柱一般采用刚接处理方式，对结构变形要求比较小，不会出现漏水等情况，也具有比较高的应用价值。

　　厂房结构设计是工业生产的重要环节，一般来说重型装备制作业，厂房结构跨度都比较大，并且厂房跨数多、吊车荷载大，结构相对复杂，为提高结构设计的合理性，就需要结合大跨度厂房结构特点着手，确定设计要点，然后从多个方面进行分析，做好结构选型与荷载计算等，争取不断提高结构设计的合理性。