江 利

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550081)

關(guān)于特殊吊車(chē)鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

江 利

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550081)

通過(guò)特殊吊車(chē)荷載的鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)實(shí)例，提出采用橫梁為無(wú)限剛度的剛接框架形式的分析研究，為鋼結(jié)構(gòu)程序的開(kāi)發(fā)節(jié)省大量的時(shí)間。

特殊吊車(chē);鋼框架;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)逐漸步入了現(xiàn)代化的歷程，已由過(guò)去傳統(tǒng)的只注重實(shí)用開(kāi)始向現(xiàn)在的既滿足工藝要求、又注重美觀大方、配置合理的方面發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)廠房雖比鋼筋砼廠房投資大，但施工進(jìn)度快、外形美觀，故得到廣泛應(yīng)用。在有色行業(yè)中，特殊吊車(chē)荷載條件下鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜、特殊的問(wèn)題，筆者通過(guò)理論分析和工程實(shí)例，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了深入探討。

1 鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的單層廠房框架是由柱和屋架(或橫梁)所組成，各個(gè)框架之間有屋面板和檁條、托架、屋蓋支撐等縱向構(gòu)件相互連接在一起，故框架實(shí)際上是空間工作的結(jié)構(gòu)。

框架柱的柱腳一般均剛性固定于基礎(chǔ)，按屋架(或橫梁)與柱的連接方式不同，框架可分為鉸接框架和剛接框架兩大類。凡屋架與柱的連接構(gòu)造不能抵抗彎矩者稱為鉸接框架;能抵抗彎矩者稱為剛接框架。剛接框架根據(jù)柱與屋架(或橫梁)的抗彎剛度比值大小不同，可分為橫梁為無(wú)限剛度的框架和橫梁為有限剛度的框架兩種?？蚣苤唇Y(jié)構(gòu)形式的不同通常分為等截面柱、階形柱和分離式柱三大類。

等截面柱又分為實(shí)腹式和格構(gòu)式柱兩種。等截面柱構(gòu)造簡(jiǎn)單，只適用于無(wú)吊車(chē)或吊車(chē)起重量Q≤15 t的輕型廠房中。

階形柱也分為實(shí)腹式和格構(gòu)式兩種。階形柱由于吊車(chē)梁或吊車(chē)桁架支承在柱截面變化的肩梁處，荷截偏心小，構(gòu)造合理，其用鋼量比等截面柱節(jié)省，應(yīng)用較廣泛。

分離式柱是由支承屋蓋結(jié)構(gòu)的屋蓋肢和支承吊車(chē)梁或吊車(chē)桁架的吊車(chē)肢所組成，兩肢之間以水平板相連接。分離式柱構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作和安裝比較方便，但用鋼量比階形柱多，且剛度較差，只宜在下列情況下采用:

(1)吊車(chē)軌頂標(biāo)高較低(軌頂標(biāo)高≤10 m)，而吊車(chē)起重量又較大(Q≥75 t)時(shí)。

(2)相鄰兩跨吊車(chē)的軌頂標(biāo)高相差很懸殊，而低跨吊車(chē)的起重量Q≥50 t時(shí)。

(3)預(yù)留有擴(kuò)建跨時(shí)。

2 特殊吊車(chē)荷載分析

在有色行業(yè)中隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了相應(yīng)操作設(shè)備的升級(jí)換代，主要的生產(chǎn)操作由過(guò)去單獨(dú)分散的地面設(shè)備完成轉(zhuǎn)為由吊車(chē)集中完成。如本文工程介紹中陽(yáng)極焙燒車(chē)間中的吊車(chē)，它要承擔(dān)的生產(chǎn)任務(wù)是:用陽(yáng)極夾具運(yùn)送陽(yáng)極塊并裝爐，用填料管向爐坑中加入填料，用吸料管從爐坑中吸出填充料，用陽(yáng)極夾具出爐陽(yáng)極塊并運(yùn)送，用吊鉤吊運(yùn)焙燒爐的附屬設(shè)備及車(chē)間的零星物品等。吊車(chē)已由過(guò)去單一的起重運(yùn)輸設(shè)備成為最主要的生產(chǎn)操作設(shè)備，稱為多功能天車(chē)。它的附帶設(shè)備多、自重大、運(yùn)行操作復(fù)雜，是一種特殊吊車(chē)。

在工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中，吊車(chē)荷載的取值是設(shè)計(jì)計(jì)算中的一個(gè)重要條件，它對(duì)結(jié)構(gòu)選型、柱子、吊車(chē)梁、基礎(chǔ)的載面尺寸起著直接的、主要的作用。尤其吊車(chē)的橫向水平荷載，對(duì)柱、吊車(chē)梁的強(qiáng)度及變位起著控制作用。對(duì)于這一新型吊車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，卡軌力作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載被首次提出。吊車(chē)設(shè)計(jì)所提的橫向水平力包括卡軌力作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平荷載取值時(shí)，柱、基礎(chǔ)的截面尺寸明顯增加，尤其為滿足吊車(chē)梁頂面處的柱變位要求，截面較常規(guī)設(shè)計(jì)增加30%?？ㄜ壛?即為水平側(cè)向力)產(chǎn)生的原因有很多，如吊車(chē)輪的水平偏斜、安裝誤差等等。它是一種瞬時(shí)力，隨機(jī)作用于兩個(gè)不同的方向?？ㄜ壛θ襞c慣性力同時(shí)作用，且同為最大時(shí)應(yīng)有:①大車(chē)運(yùn)行。②由于某些原因出現(xiàn)偏斜運(yùn)行。③偏斜產(chǎn)生的卡軌力作用方向與慣性力一致。由此，通過(guò)概率分析說(shuō)明，慣性力最不利條件出現(xiàn)的概率＜1%，即按目前慣性力其條件保證率超過(guò)99%，且不與卡軌力組合。

綜上所述，特殊吊車(chē)荷截取值應(yīng)遵循的原則是:

(1)根據(jù)操作使用情況，計(jì)算載荷譜系數(shù)，確定吊車(chē)工作制。

(2)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》方法，計(jì)算吊車(chē)荷載。

(3)不考慮卡軌力的影響。

(4)其余按現(xiàn)行有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行。

3 結(jié)構(gòu)方案的確定

一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)方案的確定是十分重要的，合理的方案在技術(shù)先進(jìn)、適宜的前提下，可取得良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。所以，方案確定時(shí)，必須注意以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)滿足生產(chǎn)工藝的要求;

(2)滿足結(jié)構(gòu)的要求;

(3)經(jīng)濟(jì)合理，美觀大方。

有特殊吊車(chē)鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)方案確定為框架結(jié)構(gòu)，這主要由于有特殊吊車(chē)，吊車(chē)起重量大，屬特重型廠房。為了保證其剛度的要求，應(yīng)選用橫梁為無(wú)限剛度的剛接框架形式。其中由于吊車(chē)起重量較大，框架柱選用分離式柱?？蚣芰涸诋?dāng)廠房跨度較小時(shí)，選用橫梁比較合適;當(dāng)跨度較大時(shí)(跨度≥30 m)，選用屋架就比較經(jīng)濟(jì)合理。

4 剛接框架計(jì)算要點(diǎn)

剛接框架，橫桿為屋架，柱子為分離式柱的計(jì)算要點(diǎn)為:

(1)正確進(jìn)行荷載計(jì)算。對(duì)于吊車(chē)荷載來(lái)說(shuō)，它的水平荷載由屋蓋肢承受，而豎向荷載則傳至吊車(chē)肢上。

(2)屋蓋肢的內(nèi)力計(jì)算。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，所起的作用也越來(lái)越大。如今剛接框架的計(jì)算已可由計(jì)算機(jī)應(yīng)用PKPM計(jì)算軟件程序幫助完成，但計(jì)算機(jī)只能計(jì)算橫桿是橫梁這種情況，屋架設(shè)計(jì)則不能一次完成。故當(dāng)屋架與柱剛接時(shí)，則需采取以下幾個(gè)步驟進(jìn)行計(jì)算。

1)根據(jù)構(gòu)造要求假定桿件的截面尺寸，屋架的幾何尺寸，并計(jì)算屋架的折算慣性矩，將屋架換算成橫梁(慣性矩相同)。

2)根據(jù)換算橫梁作框架計(jì)算簡(jiǎn)圖，并應(yīng)用PKPM程序進(jìn)行框架計(jì)算。

3)屋架按鉸接應(yīng)用PKPM進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。

4)將框架計(jì)算中柱頂產(chǎn)生的端彎矩和水平力傳至屋架上，端彎矩用一組偶力H=M/h來(lái)代替，水平力則認(rèn)為直接由下弦桿傳遞。

5)將端彎矩和水平力產(chǎn)生的內(nèi)力與鉸接屋架的內(nèi)力相組合，即得剛接屋架各桿件的最不利內(nèi)力(端彎矩和水平力使內(nèi)力增加，或使桿件由拉桿變?yōu)閴簵U)。

(3)廠房橫向剛度的計(jì)算:為了保證廠房?jī)?nèi)吊車(chē)的正常運(yùn)行，廠房柱除滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求外，還應(yīng)具有足夠的剛度，以避免由于柱的水平位移過(guò)大而引起吊車(chē)卡軌或因廠房剛度不夠，搖晃過(guò)大，影響生產(chǎn)。

計(jì)算廠房橫向剛度是按一臺(tái)最大吊車(chē)橫向水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值(不考慮動(dòng)力系數(shù))作用在跨間兩側(cè)吊車(chē)梁上翼緣頂面處來(lái)確定。

當(dāng)廠房?jī)?nèi)設(shè)有重級(jí)工作制吊車(chē)時(shí)，其橫向水平容許位移值規(guī)定為:

1)按平面結(jié)構(gòu)圖形計(jì)算框架:△≤Hc/1 250;

2)按空間結(jié)構(gòu)圖形計(jì)算框架:△≤Hc/2 000.

Hc為基礎(chǔ)頂面至吊車(chē)梁或吊車(chē)桁架頂面的高度。

鋼結(jié)構(gòu)框架的計(jì)算，一般都采用試算法，既先假定屋架和柱各部分截面尺寸及慣性矩，然后根據(jù)計(jì)算得到的內(nèi)力來(lái)選取截面，如若各部分選取的截面慣性矩比值與假定的慣性矩比值相差30%以上時(shí)，則需重新計(jì)算，直至結(jié)果滿意為止。

對(duì)于設(shè)有大噸位的中、重級(jí)工作制吊車(chē)的單、雙跨高大廠房一般應(yīng)先核算柱的剛度，以免廠房剛度不夠而重算。

5 鋼結(jié)構(gòu)框架的主要設(shè)計(jì)問(wèn)題

鋼結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)中，它的荷載收集、方案確定、內(nèi)力計(jì)算固然很重要。但它的連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)及其連接計(jì)算也是鋼結(jié)構(gòu)整個(gè)設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是否得當(dāng)，對(duì)保證鋼結(jié)構(gòu)的整體性和可靠度，對(duì)制造安裝的質(zhì)量和進(jìn)度，對(duì)整個(gè)建設(shè)周期和成本都有著直接的影響。鋼結(jié)構(gòu)廠房的主要節(jié)點(diǎn)有兩個(gè):柱腳和柱頂。

(1)柱腳節(jié)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)的整體，不僅設(shè)計(jì)，而且在工廠制作、現(xiàn)場(chǎng)安裝等都必須保證質(zhì)量，作為鋼結(jié)構(gòu)的柱腳，亦即鋼柱與鋼筋砼基礎(chǔ)的連接節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)必須明確地反映出來(lái)，才能使施工者有足夠的認(rèn)識(shí)，以保證施工質(zhì)量。

柱腳按結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，可大體分為鉸接柱腳和剛性固定柱腳兩大類。鉸接柱腳僅傳遞垂直力和水平力，剛性固定柱腳除了傳遞垂直力和水平力外，還要傳遞彎矩，剛性廠房的柱腳一般多采用剛性固定柱腳。

剛性固定柱腳按其構(gòu)造形式又分為外露式柱腳、埋入式柱腳和外包式柱腳。剛性固定外露式柱腳主要由底板、加勁肋、錨栓及錨栓支承托座等組成，各部分的板件都應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，而且相互間應(yīng)有可靠的連接，為滿足柱腳的固定度、提高其承載力和變形能力，柱腳下部(柱腳處)在形成塑性鉸之前，不容許錨栓和底板發(fā)生屈曲，也不容許基礎(chǔ)砼被壓壞。

剛性固定埋入式柱腳是直接將鋼柱埋入鋼筋砼基礎(chǔ)中，在埋入式柱腳中，鋼柱的埋入深度是影響柱腳的固定度、承載力和變形能力的重要因素，而且有時(shí)對(duì)于中柱、邊柱和角柱，其埋入深度也不盡相同，埋入深度Sd一般可在以下范圍內(nèi)采用:

對(duì)大型截面H型鋼柱和箱形截面柱、圓管形截面柱:

式中:hc為鋼柱的截面高度或管徑。

剛性固定外包式柱腳就是按一定的要求將鋼柱腳采用鋼筋砼包起來(lái)的柱腳。

設(shè)計(jì)外包式柱腳的包腳鋼筋砼部分時(shí)應(yīng)注意:

1)彎曲屈服在先，剪切屈服在后，其極限抗彎承載力應(yīng)高于鋼柱的全塑性彎矩;

2)在基礎(chǔ)未形成塑性鉸時(shí)，尚未達(dá)到其極限承載力;

3)包腳鋼筋砼部分的垂直縱向主筋，要有足夠的錨固長(zhǎng)度，而且在頂部要設(shè)彎鉤;

4)包腳高度、截面尺寸和箍筋配置，對(duì)柱腳的內(nèi)力傳遞和恢復(fù)力特性起重要作用，設(shè)計(jì)中應(yīng)使砼的包腳有足夠高度和足夠的保護(hù)層厚度，并要適當(dāng)配置補(bǔ)強(qiáng)箍筋。包腳高度一般在以下范圍內(nèi)采用:

對(duì)大型截面H型鋼柱和箱形截面柱、圓管形截面柱:

包腳處鋼柱翼緣外側(cè)面的鋼筋砼保護(hù)層厚度，一般不應(yīng)＜18 cm，同時(shí)還應(yīng)滿足配筋的構(gòu)造要求。

(2)柱頂?shù)倪B接設(shè)計(jì)。柱頂屋架與柱的連接可采用鉸接或剛接。對(duì)單跨廠房，為使房屋有較大的橫向剛度，常采用剛接。

剛接屋架的節(jié)點(diǎn)有兩種形式:①采用焊縫連接;②采用螺栓連接。焊縫連接又分為端斜桿為上升式和下降式兩種，它們的連接形式不同，焊縫的計(jì)算也各不相同。螺栓連接時(shí)，必須進(jìn)行螺栓拉力的計(jì)算，以確定螺栓的大小和個(gè)數(shù)。

在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，柱肩梁的設(shè)計(jì)與構(gòu)造也是非常重要的問(wèn)題。在分離式柱中，柱肩梁不但要保證屋蓋肢和吊車(chē)肢連接成剛強(qiáng)的整體，而且還要使吊車(chē)的水平荷載傳至屋蓋肢上。

柱肩梁按構(gòu)造形式可分為單腹板式肩梁和雙腹板式肩梁兩種。肩梁由腹板、上蓋板、下蓋板和墊板所組成，當(dāng)?shù)踯?chē)梁或吊車(chē)桁架為平板式支座時(shí)則應(yīng)加設(shè)加勁肋。

肩梁腹板與屋蓋肢的連接采用角焊縫焊接，與吊車(chē)肢的連接采用插入開(kāi)槽口的吊車(chē)肢腹板中，以角焊縫或開(kāi)坡口的T形對(duì)接焊縫焊接。

肩梁內(nèi)力可按簡(jiǎn)支梁計(jì)算。

強(qiáng)度計(jì)算:抗彎 M/γxWn≤f;

抗剪 τ=VS/I tw≤fv。

6 工程實(shí)例

某廠陽(yáng)極焙燒車(chē)間剛接框架設(shè)計(jì)實(shí)例。廠房長(zhǎng)度192 m，柱距6 m，廠房跨度36 m，見(jiàn)圖1。

圖1 剖面圖Fig.1 Sectional drawing

6.1 原始資料

吊車(chē)形式:重級(jí)工作制多功能天車(chē)一臺(tái)。

抗震設(shè)計(jì)烈度:7度;

基本風(fēng)壓:0.35 kN/m2。

6.2 結(jié)構(gòu)方案確定

(1)根據(jù)廠房要求，結(jié)構(gòu)形式采用鋼結(jié)構(gòu)廠房，屋面及圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用彩色鋁板瓦(見(jiàn)表1、表2)。

表1 主要技術(shù)性能Tab.1 Main Technical Performance

表2 輪壓表Tab.2 Wheel－pressure List

(2)由于吊車(chē)荷載大，且為特重級(jí)工作制吊車(chē)，故決定采用剛接框架形式，柱子采用分離式柱，橫桿采用剛接梯形鋼屋架。

6.3 吊車(chē)荷載計(jì)算

吸料小車(chē)滿載荷重:Q+g=1 064 kN

夾具小車(chē)滿載荷重:Q+g=130 kN

因?yàn)槲闲≤?chē)和夾具車(chē)不可能同時(shí)工作，且吸料小車(chē)荷重比夾具車(chē)大，故計(jì)算時(shí)按吸料小車(chē)滿載時(shí)考慮，根據(jù)輪壓圖進(jìn)行計(jì)算。

吊車(chē)垂直荷載標(biāo)準(zhǔn)值:Dmax=805 kN

Dmin=321 kN

每個(gè)輪子產(chǎn)生的橫向水平制動(dòng)力標(biāo)準(zhǔn)值:

則吊車(chē)水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值:H'max=49 kN;總 Hmax=2×49=98 kN。

6.4 內(nèi)力計(jì)算

(1)屋蓋肢框架

1)通過(guò)構(gòu)造要求假定桿件截面:

鋼柱400 mm×900 mm×16 mm×20 mm，

屋架桿件截面假定為:

屋架端部高h(yuǎn)1=L/16=36 000/16=2 250 mm，取 hl=2 500 mm

跨中高h(yuǎn)2=4 235 m，上、下弦選用 2L 200 mm×125 mm×10 mm折算慣性矩 IO=()k=0.032 m4。

代換橫梁為組合工字鋼 I 400 mm×1 800

計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 框架計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.2 Frame calculation diagram

圖3 屋架計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.3 Roof truss calculation diagram

2)通過(guò)PKPM程序進(jìn)行計(jì)算，桿件截面滿足要求，其中柱頂處

柱頂彎矩 M=1 018 kN·m

水平力 H'=83.5 kN

將M折算成一對(duì)力偶 H″=M/h1=1 018/2.5=407 kN

故傳至屋架上部的水平力為 H1=407 kN傳至屋架下弦水平力 H2=407+83.5=490.5 kN

計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

應(yīng)用PKPM進(jìn)行計(jì)算，桿件截面均滿足要求。

3)吊車(chē)肢按軸心受壓柱計(jì)算。

6.5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

剛接柱腳設(shè)計(jì)為露出式，應(yīng)用PKPM進(jìn)行節(jié)點(diǎn)計(jì)算，柱頂剛接節(jié)點(diǎn)采用安裝螺栓連接，螺栓數(shù)量、大小由計(jì)算確定。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析和工程實(shí)例，初步了解了特殊吊車(chē)條件下鋼結(jié)構(gòu)廠房的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)程序的開(kāi)發(fā)雖節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間，但它的程序內(nèi)容并不完善(如剛接屋架的計(jì)算等)，有許多的計(jì)算需作進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，相信這些問(wèn)題都能得到圓滿解決。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[2]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]李星榮，魏才昂，丁峙崐，李和華.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

Probe into Steel Frame Structure Design for Special Crane

JIANG Li
(Guiyang Aluminum－Magnesium Design＆ Research Institute Co.Ltd.，Guiyang 550081，China)

By means of steel structure building design for special crane load，analytical investigation to beam being adopted as rigid connection frame of infinite stiffness was carried out so as to save the time for steel structure program development.

special crane;steel frame;structure design

TF391

A

1004－2660(2012)02－0022－06

2012－04－18.

江利(1966－)，女，貴陽(yáng)人，工程師.主要研究方向:工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).