張建華 上海市機電設計研究院有限公司工藝設計二所

張建華（1960年～），男，大學本科、工學士、高級工程師。從事專業(yè)之一為鍛造項目工程設計工作。

0 前言

近年來國內大型機械裝備制造業(yè)一直處于一個高速發(fā)展時期，全國各地掀起了一股大型自由鍛設備及重型熱處理設備的投資建設熱潮，紛紛啟動重型裝備項目。

在大型鍛件項目實施過程中，建設（或改造）具有大型鍛件生產能力的廠房，成為了首要且必須的前提條件。

1 項目簡介

企業(yè)委托要求設計規(guī)模為鍛件產量達到12萬t/年，最大鍛件單件重330t，環(huán)型類鍛件最大直徑?7.5m，軸類鍛件最長27m，平均鋼錠利用率64.9%。

該項目屬于利用已有企業(yè)進行技術改造，主要包括擴建萬噸水壓機車間、擴建熱處理車間等廠房及新建冷卻循環(huán)水泵房、擴建鍋爐房等。

要在已有企業(yè)不具備生產大型鍛件的條件下，設計出一個滿足特殊生產需要量身定制的生產廠房，首先需要一個優(yōu)秀的整體設計方案。該整體方案包含了安全、可靠、具有可操作性、物流順暢的工藝布局，同時包含了滿足產品生產需求的新材料、新裝備及滿足實用要求的生產廠房等。

2 工藝設計

要獲得優(yōu)質的大型鍛件，必須要將鍛造和熱處理等前后工序有機地結合起來，這就要求鍛造加熱爐、鍛造機、操作機、鍛后熱處理爐、性能熱處理爐、淬火冷卻設備等大型熱加工設備合理布置、密切協(xié)作。大型鍛件通過火車、電動平車、鍛造起重機、淬火起重機等多種運輸手段在各個生產車間或工序中形成良好且有效的物流。

2.1 萬噸水壓機車間

在老車間主副跨的基礎上向東接長51m，接長部分由西向東主要依次布置4m×18m、7.5m×10m、6m×13m、4m×14m等四臺鍛造加熱爐，分別布置在10.5m、14m、12.5m、14m柱距內, 柱距不統(tǒng)一主要是滿足所配置加熱設備布置和起重機行駛范圍。另有一臺5m×13m鍛造加熱爐布置在與接長部分相鄰老車間最后一個柱距內,形成五臺鍛造加熱爐依次排列。

在老車間主跨主要布置設備有16 500t油壓機（當時為世界上最大），630t·m操作機，5m×13m、5m×18m臺車式燃氣性能熱處理爐，見圖1及圖2所示。

圖1 16 500t油壓機

新老車間起重機軌道貫通，鍛件的運輸采用250t、350t起重機，500t鋼錠采用二臺起重機臺吊。

經改造后，萬噸水壓機車間可生產加熱工件最長為16m，筒體類鍛件最大直徑為?7.5m，最大載重量為500t,鍛后熱處理軸類鍛件最長為27m，筒體類鍛件最大直徑為?7.5m，最大鍛件重量為330t。

每臺燃氣爐都有一個煙道，采用集中下排煙，即在室外狹小地方設計出滿足工藝要求地下集中煙道（長66.11m），直至進入高80m，出口直徑?3m的煙囪。

圖2 630t·m操作機近景

2.2 熱處理車間

在老車間（后稱主跨）的基礎上向西接長27m，柱距為13.5m、13.5m。將原室外遺棄多年的事故油槽（18m×13m×12.35m），納入室內將其改造成布置2臺?3.2m×15m井式熱處理爐、1個?5m×18m油槽、一個?5m×18m水槽等，及在其上方+5m處設鋼平臺的熱處理單元。改造過程中將槽底底板及四面?zhèn)缺谶M行特殊加固，并在側壁上開鑿滿足?0.48～1.42m油管、水管穿行且具有防水功能的孔洞。由于原事故油槽平面一部分超過主跨南側軸線且坑內不允許立廠房柱子，故向西接長的主跨南側少一根廠房立柱，即27m柱距一躍而過。且改造后此處為雙層起重機運行，軌高分別為+20m、+32m,其中+32m上行駛200t淬火起重機，單起重機梁就高達4m。

在緊貼主跨的南側擴建24m×231m副跨，按工藝要求建造連續(xù)長地坑，其凈尺寸為111.48m×9m×（-6m、-10m、-15m，在-15m處安裝電梯）。在-15m地坑上方設+1m連續(xù)鋼平臺,其他深度地坑上方設+4.0m連續(xù)鋼平臺。連續(xù)長地坑內布置1臺?2.8m×15m、2臺?2.8m×12m、2臺?2.2m×9m井式熱處理爐，1臺?5m×20m噴水噴風槽，1臺?5m×14m噴風裝置，1臺?5m×14m水槽，1臺?5m×14m油槽等裝備及大型中間循環(huán)油槽等，見圖3所示。

圖3 熱處理車間（連續(xù)長地坑）井式熱處理爐等

3 廠房設計

20世紀90年代以后，隨著國家鋼鐵業(yè)的進步，重型廠房向全鋼結構發(fā)展，從屋蓋、支撐、起重機梁系統(tǒng)到承重柱等，均采用型鋼組合而成。全鋼結構的應用較好地解決了高大廠房重型承載的需求，并且也建立起了符合國家規(guī)范的全鋼結構力學體系和電算模塊。

本文所涉及的廠房均為全鋼結構、且重型鋼結構設計。

3.1 熱加工廠房特殊性

對于萬噸水壓機車間及熱處理車間這類性質的廠房，均屬于熱加工生產性質的廠房，工件在生產中的溫度可達1 200℃，為了防止因屋面積水滲漏到車間內而造成重大事故，屋面設計時必須采用外天溝。

因上述車間內布置有油壓機、鍛造加熱爐及性能熱處理爐等，當裝載著加熱后的工件從爐內出來或鍛壓時，工件產生非常巨大的熱輻射，為減小輻射熱對廠房的不利影響，在熱源（設備）周圍的廠房立柱必須外包耐火磚或刷耐火涂料。屋面必須設置大喉口屋脊通風器，其通風排熱效果是傳統(tǒng)要求的3倍。

大型鍛件生產廠房內的起重機起吊噸位大、設備復雜、工作環(huán)境較為惡劣，一旦起重機發(fā)生故障，將會對生產造成極大的影響，因此，在100t以上起重機跨內必須設置檢修起重機（或檢修電動葫蘆）及檢修平臺。

3.2 建筑設計

（1）萬噸水壓機車間（見圖4所示）

車間主廠房擴建為單層鋼結構，南北兩跨，向東接長51m，柱距為分別是10.5m、14m、12.5m、14m，南面主跨30m，屋架下弦標高為27.08m；北面副跨21m，柱頂標高為15.5m。

圖4 水壓機車間外貌，右為高80m、出口直徑?3m煙囪

主跨內新設Gn=250/80t、Gn=350/100t橋式起重機各1臺，與老車間內軌道連通。主跨內設16t檢修用電動葫蘆吊。

車間主、副跨接長廠房均采用單脊雙坡屋面，8mm厚鋼板外天溝，屋面坡度同老廠房。屋面采設光帶，屋脊處設屋面自然通風器長51m，接至老屋面的東頭端跨中心，喉口6m（副跨3m），見圖5所示。

圖5 萬噸水壓機車間（接長部分）內部

（2）熱處理車間（見圖6所示）

車間主廠房擴建部分為單層鋼結構，分南北兩跨。北面主跨（即原熱處理車間向西擴建部分）向西接長27m、跨度30m，柱距為2個13.5m，屋架下弦標高為40m。南面副跨（即原熱處理車間向南擴建部分）跨度24m，東西長147.33m，柱距分別為13.5m、12.5m、11m、12m，柱頂標高為28m。

圖6 熱處理車間外貌（可看得出主跨接長）

主跨向西擴建部分設置上下雙層起重機軌道：上層與原有32m軌道連通，行駛Gn=200/50t 淬火起重機；下層與原有20m標高軌道連通，行駛Gn=100/20t橋式起重機，并新增Gn=75/20淬火起重機。副跨設Gn=120/50t淬火起重機、Gn=75/20t、Gn=30/10t橋式起重機。主跨內二處分別設10t檢修用電動葫蘆吊。

主跨接長及北跨廠房均單脊雙坡屋面，8mm厚鋼板外天溝，主跨接長部分屋面與老車間屋面連通。屋面設采光帶，主跨屋脊處設屋面自然通風機20m及副跨118m，喉口均為6m，見圖7所示。

圖7 熱處理車間（副跨）內部

3.3 結構設計

3.3.1 擴建萬噸水壓機車間

老萬噸水壓機車間向東擴建接長51m，主跨寬度為30 m、副跨為21m。單層鋼結構廠房，接長部分與老廠房起重機貫通。接長主跨內設250t及350t起重機各1臺，副跨內不新增起重機，但老廠房副跨內原有起重機行駛至接長車間內。接長車間柱間布置有多臺大型熱處理爐設備，柱距采用10.5m、14m、12.5m、14m。

接長廠房結構選型：在主、副跨中柱間布置了5臺鍛造加熱爐，致使接長部分無法布置柱間支撐，因此考慮接長部分采用與原廠房連接成一個結構體系，利用原有廠房柱間支撐。在新老廠房交接處不另立柱子。考慮與老廠房結構體系的一致，接長廠房主副跨上部脫開，形成二個獨立的單跨鋼框架結構。主跨下柱為格構柱，上柱為實腹式工字型柱。柱腳為插入式，起重機梁為實腹式工字型梁，制動桁架。主跨最東面車擋需建在車間外，起重機梁外挑。屋面為鋼屋架，間距為8m，柱距為10.5m、14m、12.5m、14m，設置鋼托架擱中間屋架，因起重機噸位大，屋架上下弦平面均設置了封閉的縱橫向水平支撐，屋面檁條采用高頻焊H型鋼，墻面系統(tǒng)為單層彩鋼板墻面。在柱距中間設置一道墻架柱，下段懸吊在輔助桁架下，上段支承在輔助桁架上面，墻檁為C型冷彎薄壁型鋼，或高頻焊H型鋼檁條，山墻設置抗風桁架一道。副跨框架柱采用實腹式等截面工字型鋼，框架梁采用實腹式變截面梁，屋面系統(tǒng)采用主次梁結構體系，起重機梁為實腹式工字型梁，墻面系統(tǒng)柱距中間設置一根墻架柱，檁條采用C型冷彎薄壁型鋼。

廠房基礎為樁基獨立基礎。在中柱距間布置有5臺加熱爐軌道基礎，因重量大采用條形樁基。其中有1臺加熱爐軌道在老廠房柱間，采用灌注樁。該基礎南端宜與新建油壓機基礎一起考慮。

油壓機基礎是一個14.9m×9m×6.915m深地坑，為保證油壓機基礎滿足使用要求，同時將施工過程中對老廠房影響減到最小，采用滿堂壓樁處理，坑底不平整度達到幾乎苛刻的規(guī)定要求。

（1）新老廠房關系

屋面系統(tǒng)：在新老廠房交接處59軸是老廠房的山墻軸線，老廠房屋面板長度6m，由于屋架中心離軸線1 000mm，而屋面板端部懸出屋架，導致擴建廠房的屋面檁條無法擱到屋架上，因此接長前必須將端開間6m范圍的屋面板拆除后改為輕鋼屋面，接長廠房的第一間托架應從59軸上柱（鋼柱）焊出。

起重機梁系統(tǒng)：在59軸處原起重機梁同樣懸出柱，導致接長廠房的起重機梁無法擱置，因此接長前須將原12m起重機梁拆除調換新起重機梁。

墻梁系統(tǒng)：接長廠房的墻梁擱置在老廠房柱上，原混凝土下柱須采取加固，增加牛腿用于擱置擴建廠房的墻梁。

（2）老廠房的抗震鑒定

老廠房建造于20世紀60年代，未考慮抗震設計。

主跨：接長廠房起重機梁與老廠房連成一整體，從東端原伸縮縫兼抗震縫即43軸往東至接長后山墻面形成新的結構單元，該新結構體系需滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。為配合新油壓機的工作，新增1臺250t及1臺350t起重機，控制荷載數(shù)據(jù)不能超過原有起重機對廠房的影響，廠房結構承載能力基本滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。但是老廠房砼柱的箍筋不滿足現(xiàn)行抗震設計規(guī)范的要求，必須進行抗震構造加固。加固范圍為新增油壓機范圍內的結構單元。

副跨：擴建廠房并未增加起重機，其他使用荷載也沒有改變,未超過老廠房的原設計使用荷載，但按現(xiàn)行規(guī)范副跨需進行抗震鑒定和加固。

3.3.2 擴建熱處理車間

車間為原熱處理車間（主跨30m）向西擴建接長27m，并向南側擴建一跨（副跨24m），均為單層鋼結構廠房。接長主跨雙層軌高32m、20m與原廠房起重機軌道貫通，20m軌高除原有1臺100t起重機需通過外，新增1臺75t淬火起重機。擴建副跨設1臺120t淬火起重機、1臺75t起重機及1臺30t淬火起重機，軌高20m。

擴建廠房下柱采用格構式鋼柱，中間軸線C另立副跨的工字形小鋼柱支承輔跨的起重機荷載，上柱為實腹式工字形柱，柱腳為錨栓連接，抗風柱設置1至2道抗風桁架。起重機梁為實腹式工字形梁，制動桁架；中間軸線柱距為27m的起重機梁采用箱形截面、制動桁架。因新老廠房交接處柱兩邊擱置不同跨度的起重機梁，考慮梁端支承高度相同，27m起重機梁用變截面（高度）梁；原廠房20軌高起重機梁按照2臺100t運輸起重機校核，不需加固。主跨屋面為鋼屋架，中間27m柱距設置鋼托架，檁條為高頻焊H型鋼。副跨屋面系統(tǒng)采用主次梁結構體系，檁條為C型冷彎薄壁型鋼，墻面系統(tǒng)為單層彩鋼板墻面，墻檁為C型冷彎薄壁型鋼。C軸27m柱距內另增墻架柱由輔助桁架承重。

車間廠房基礎為樁加獨立承臺，因工藝復雜，在副跨內布置連續(xù)長地坑，其凈尺寸為111.48m×9m×（坑深-6m，-10m，-15m，在-15m）采用沉井施工法。

（1）新老廠房的關系

屋面系統(tǒng)：主跨在新老廠房交接處是老廠房山墻屋面板（12m）端部懸挑出屋架，導致接長屋面檁條無法擱置，故接長前必須將原端開間12m屋面板拆除后改為輕鋼屋面。

起重機梁系統(tǒng)：在原起重機梁端懸挑部分因影響接長部分起重機梁的擱置，故必須割除，但原起重機梁可不拆除。

在老廠房南側C軸線外新立的小鋼柱高度與原廠房標高為 12m處的鋼牛腿相碰，須將該牛腿割除，并將小鋼柱與老廠房鋼柱之間用角鋼及橫隔板拉結。

（2）老廠房的抗震鑒定

老廠房建造于20世紀70年代，未考慮抗震設計。

老廠房主跨（30m）鋼結構部分：因擴建副跨對老廠房的影響，須考慮老廠房按現(xiàn)行規(guī)范的抗震鑒定，經按原設計鋼材強度和截面復算，老廠房主結構基本能滿足規(guī)范要求。

老廠房主跨（30m）混凝土結構部分：10～12軸因擴建影響，也須考慮老廠房的抗震鑒定，經復算，除老基礎須補樁加固外，其他主結構也能滿足承載力要求，但混凝土柱的箍筋間距不能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求，必須進行抗震構造加固。

綜上所述大型鍛件技改項目，設計中牽涉到老廠房改造或是擴建的內容，必然給建筑結構設計帶來繁重的工作量，尤其是原有廠房建設時間較為久遠，已無法判斷該建筑物承載、抗震、沉降等方面情況或能力的情況下，必須委托有資質的公司對老廠房進行抗震鑒定。根據(jù)抗震鑒定報告，制定一系列的加固處理措施，如結構體系不完整、不符合現(xiàn)行規(guī)范要求的柱間支撐、屋面支撐按現(xiàn)行規(guī)范要求補全；結構構造不符合現(xiàn)行規(guī)范要求的，按現(xiàn)行規(guī)范進行加固處理；砼雙肢加密區(qū)箍筋不符合要求，擬采用粘鋼板加固（但環(huán)境溫度必須<60℃）或用外包鋼板進行加固處理；未與主體結構連接的女兒墻拆除重做，或采取加固構造措施。屋面及墻面伸縮縫處不滿足抗震縫寬度的，擬將一側的板拆除重做或局部鑿除加固，以滿足縫寬要求。對結構構件抗震驗算承載力、穩(wěn)定性等不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的進行加固補強處理，如個別鋼屋架、天窗架腹桿應力比、長細比超限的可加大截面面積，用粘鋼板或貼焊型鋼等方法進行補強。根據(jù)抗震鑒定，如原有建筑物年久失修，改造或加固費用巨大，綜合施工周期等其他因素，也可建議將原廠房部分拆除重建。

若歷史久遠老廠房需接長，且起重機軌道須在新老廠房貫通時，查看老廠房軌道標高圖樣已無意義，多年來老廠房沉降，軌道此時實際標高已偏離圖樣標高。因此首先需要請有資質單位對老廠房起重機軌道標高進行實測（選擇多個點），新廠房軌道標高按最終測試數(shù)據(jù)來確定，這樣新老廠房軌道可以貫通。

若新廠房新增加起重機噸位遠遠超過老廠房起重機噸位，且需起重機新老廠房貫通，顯然老廠房承受不起大噸位起重機使用，但又不允許拆掉重建。如何解決，比較可行方法是，在確保起重量的前提下，向起重機供應商提出起重機參數(shù)的限制值（即非標參數(shù)），將老廠房中最大起重機參數(shù)值作為新廠房大噸位起重機限制值，例如增加大噸位起重機兩側大車行走的輪子數(shù)，使其每個輪子的輪壓值≤限制值；起重機大車、小車行走速度≤限制值等。萬噸水壓機車間就是采用此方法解決新增350t起重機駛入原最大只能行使200t起重機老廠房。

4 結論

按“十二五”規(guī)劃需求，我國大型鍛件產品的需求將維持在一個較高的水平。

因此，在短時期內迅速擴大我國大型鍛件的生產能力，將是亟待解決的問題，而設計并建設有大型鍛件生產能力的廠房，成為了首要且必須的前提條件。