黃勇標(biāo)

（茂名瑞派石化工程有限公司 廣東茂名 525000）

在科學(xué)技術(shù)的影響下，重型鋼結(jié)構(gòu)越來越多，如何在當(dāng)前環(huán)境下設(shè)計(jì)出符合大跨度超重型鋼結(jié)構(gòu)廠房已經(jīng)成為工業(yè)上研究的核心內(nèi)容。本次以實(shí)例分析為主，分析了大跨度超高重型鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，希望可以給相關(guān)學(xué)者提供借鑒，提高其廠房的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量。

1 概述

目前船舶機(jī)械得到了快速發(fā)展，產(chǎn)生了多種重型和超重設(shè)備，同時一些大跨度超高型鋼結(jié)構(gòu)廠房也得到了發(fā)展。某鋼制品有限公司由荷蘭公司在中國建設(shè)，由荷蘭公司提供相關(guān)的設(shè)計(jì)方案。該廠為單層單跨鋼結(jié)構(gòu)框架，跨度61.1m，高60m，長200m，柱距為24m。廠房位于巷口，為A類；基本風(fēng)壓0.8kN/m2；廠房高24.225m的位置設(shè)置有兩臺70t的吊車，51.05位置設(shè)置四臺70t吊車，吊車均為A2工作制。

2 進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型

對于上述廠房而言，為了保證其的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提高安全性，必須合理控制框架柱剛度，荷蘭提供的結(jié)構(gòu)方案為圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)方案

該方案為單借三肢柱，柱橫截面為HW498×432，屋架為三肢桁架，腹桿為φ218×16，上下截面為HW400×400。上下支撐吊車梁主要是外伸式牛腿。進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時，主要利用3D3S進(jìn)行軟件計(jì)算，不考慮空間，經(jīng)計(jì)算：①恒載與風(fēng)載組合下，計(jì)算柱頂移角為1/290；②柱底應(yīng)力是0.88；③最大吊車水平產(chǎn)生的軌頂移角為1/900。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，計(jì)算存在兩方面問題，從我國設(shè)計(jì)規(guī)定來看，受風(fēng)荷載影響，橋式吊車單層框架柱頂位移角不能超過1/400；另外，一臺最大吊車水平荷載軌頂位移角是1/1250，上述方案框架剛度較小，應(yīng)力太高。

為了解決原設(shè)計(jì)中存在的技術(shù)問題，經(jīng)過與建筑專業(yè)工程師溝通后按以下條件設(shè)計(jì)：①不能改變吊車軌距；②提高柱剛度，合理控制位移與應(yīng)力比；③不能隨意改變主要材料的截面規(guī)格。主要方案如下：方案1：將原設(shè)計(jì)的三肢改為四肢柱，保持柱肢與截面等條件均衡。方案2：使用三階變階柱，將下階肢距控制為5m；第二階為三肢柱，肢距離為3.5m。方案3：采用二階柱，下階使用4肢柱，肢距為5m，第二階使用3肢柱，肢距為3.5m。屋架均為3肢桁架，之后采用3D3S軟件進(jìn)行計(jì)算，及時對上述方案進(jìn)行分析。框架柱變形產(chǎn)生的位移應(yīng)力和用鋼量如表1所示。

表1 位移、應(yīng)力與鋼量使用比對

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，上述計(jì)算中，方案1框架剛度沒有得到大幅度提升，用鋼量較大；方案2中框架剛度得到了提升而且用鋼量較少；方案3中框架剛度提升的最大，而且用鋼量也沒有得到大幅度增加。柱肢距與格構(gòu)柱之間的剛度成正比，所以當(dāng)方案2與方案3距離為5m時，柱剛度提升效率較高。對方案2與方案3調(diào)整后，可以將柱肢距離設(shè)置為軌道頂?shù)?/10，而且經(jīng)濟(jì)效益較高。此外，原始方案中使用懸挑牛腿支撐吊車梁的用量較大，進(jìn)行調(diào)整時，可使用階型柱，將吊車梁與吊車肢中心重合，減少偏心荷載產(chǎn)生的偏心彎矩，減少實(shí)際用鋼量。進(jìn)行應(yīng)力控制時，由于方案3的下肢使用4肢柱，一般將肢截面應(yīng)力控制在0.9以下后得到的效果較好，經(jīng)過反復(fù)分析，本次使用方案三進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 了解框架結(jié)構(gòu)

本工程框架主要為平面結(jié)構(gòu)，對一個框架分析，方案簡圖如圖2所示。

圖2 方案三結(jié)構(gòu)簡圖

3.1 荷載取值

①屋面恒載為0.25kN/m2，屋面活載為0.5kN/m2。②基本風(fēng)壓是ω0=0.8kN/m2，本工程場地抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，水平地震影響系數(shù)最大值為0.12；建筑結(jié)構(gòu)阻尼比為0.035；計(jì)算振型為9；場地類別主要是三類。③兩臺160t的吊車與四臺500t的吊車主要在24.225m與51.05m。風(fēng)壓高度系數(shù)及體型按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范數(shù)據(jù)計(jì)算，考慮吊車輪壓最不利位置，全部鋼材材質(zhì)均為Q345-B，螺栓使用扭剪型強(qiáng)度為10.9級別的高強(qiáng)度螺栓。

3.2 荷載組合

①1.20×恒載與 1.40×活載；②1.20×恒載與 1.40×恒載；③1.20（1.0 恒載與0.5活載）與1.30地震荷載；④1.20恒載與1.4活載與1.40×0.6風(fēng)載；⑤1.20恒載與1.4活載及1.40×0.7吊車活載；⑥1.20恒載與1.4吊車荷載與1.40×0.7活載與1.4×0.6風(fēng)載。

3.3 進(jìn)行計(jì)算

由于該工程較復(fù)雜，而且較重要，因此可以使用3D3S與MIDAS兩種統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行分析，并結(jié)合平面結(jié)構(gòu)有限元分析方法了解單個框架情況?？蚣芙Y(jié)構(gòu)變形主要由橫載與活載下屋蓋豎向位移組成，受風(fēng)荷載影響，柱頂橫向水平移動，一般吊車在水平荷載的作用下，吊車會發(fā)生水平位移。經(jīng)過計(jì)算后，將柱頂位移及周期表示為表2所示。計(jì)算結(jié)果必須符合GB50017-2003的要求，相關(guān)計(jì)算表明，吊車荷載與風(fēng)荷載起到相互控制的作用，沒有發(fā)揮地震控制作用。

表2 兩種分析軟件位移角與周期比對

3.4 計(jì)算截面

進(jìn)行截面計(jì)算時，首先要將地質(zhì)、恒活載、風(fēng)載等參數(shù)及控制因素輸入，除此選擇截面程序?qū)孛孢M(jìn)行計(jì)算，然后按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》文件中的規(guī)定，控制好梁、柱構(gòu)件邊緣寬厚比及腹板高厚比。進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)算時，必須控制好計(jì)算長度系數(shù)，框架平面中內(nèi)柱長度計(jì)算技術(shù)結(jié)合框架連接與截面形式按照相關(guān)規(guī)定中側(cè)移框架柱計(jì)算長度計(jì)算，可按照相關(guān)程序計(jì)算；框架平面外，柱的計(jì)算長度一般按照約束框架平面外發(fā)生側(cè)向位移的支撐點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，此處柱平面外有三個支點(diǎn)，給24m與51m位置均設(shè)置桁架、框架頂部縱向托架。結(jié)合驗(yàn)算結(jié)果，及時對桿件截面進(jìn)行調(diào)整并優(yōu)化，保證截面內(nèi)力大小一致。圖3表示優(yōu)化后形成的設(shè)計(jì)截面。

3.5 其他方面

（1）提高管桁架施工技術(shù)的措施：①管桁架一把采用無縫鋼管，結(jié)合調(diào)研分析后認(rèn)為可使用高頻直縫焊接鋼管操作，提高經(jīng)濟(jì)效果，但是必須給桿件直焊縫留有足夠的空隙；②支撐管桁架的連接，不能通過節(jié)點(diǎn)板轉(zhuǎn)化，提高屋蓋結(jié)構(gòu)美觀性；③管桁架制作要求加工單位必須配備三向切割設(shè)備，提高桿件切割質(zhì)量，提升焊接對位精確性。

圖3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)簡圖

（2）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。大跨度超高重型結(jié)構(gòu)廠房內(nèi)部的構(gòu)件較多，種類繁雜，構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)方式較多樣化。進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時，不僅要滿足建筑承載力要求，還要保持節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與結(jié)構(gòu)計(jì)算的假定相同。一般剛架柱節(jié)點(diǎn)主要按照剛接設(shè)計(jì)，柱腳使用插入式柱腳。同化成那個要給獨(dú)立基礎(chǔ)頂面留有杯口，完成剛架柱安裝后給細(xì)石混凝土連續(xù)進(jìn)行二次澆注。

（3）支撐體系。目前廠房屋面支撐系統(tǒng)的主要作用是提高屋蓋結(jié)構(gòu)平面中的剛度與找了個體型，主要傳遞吊車縱向剎車力、山墻風(fēng)荷載及廠房縱向地震等作用。由于廠房吊車噸位較大，所以一般將縱向軸向設(shè)置縱向水平支撐；橫向與縱向水平支撐均采用型鋼十字交叉支撐。廠房柱間支撐系統(tǒng)可以及時將吊車縱向剎車力及山墻等荷載傳至框架柱。

4 結(jié)束語

本次主要對大跨度超高重型鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。實(shí)踐探究結(jié)果顯示，大跨度超高重型廠房要運(yùn)行大噸位吊車，所以必須提高其結(jié)構(gòu)剛度，可采用多肢階梯柱；大噸位中輕工作吊車設(shè)計(jì)一般要加強(qiáng)剛度控制；柱肢距設(shè)置為最高軌道高度的1/9～1/12較理想；吊車梁的中心盡量與吊車肢重合，避免因偏心荷載等不利因素影響，適當(dāng)減少牛鋼材用量。