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        大噸位吊車鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)分析

        2019-11-20 03:01:26陳天仙
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2019年21期
        關(guān)鍵詞:鋼量屋架格構(gòu)

        陳天仙

        (福建建工集團(tuán)有限責(zé)任公司,福州350001)

        1 工程概況

        在原有廠區(qū)內(nèi)擬新建一棟重塔車間,單層,火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為丁類,總建筑面積摘要m2。建筑長(zhǎng)度252.25m、寬度80m,結(jié)構(gòu)類型為鋼結(jié)構(gòu)的廠房,車間跨度40m+40m。每跨均設(shè)有雙層吊車,下層配置2 臺(tái)吊車,起吊質(zhì)量60t/20t,雙鉤,中級(jí)工作制,工作級(jí)別A5,吊鉤起吊高度16m;上層設(shè)2 臺(tái)吊車,起吊質(zhì)量200t/25t,雙鉤,中級(jí)工作制,工作級(jí)別A5,吊鉤起吊高度20m。另在車間外東側(cè)室外原材料堆放場(chǎng)地內(nèi)設(shè)1臺(tái)半門電磁吊,起吊質(zhì)量60t,吊鉤起吊高度10m,軌道跨度24m。車間西側(cè)山墻側(cè)設(shè)8 扇寬10m、高15m 的電動(dòng)推拉門,北側(cè)山墻與原有一期重塔車間貼臨。

        2 設(shè)計(jì)參數(shù)

        本工程位于漳州市漳浦縣六鰲鎮(zhèn),設(shè)計(jì)50a 一遇基本風(fēng)壓為0.75kN/m2,設(shè)計(jì)10a 一遇基本風(fēng)壓為0.40kN/m2,地面粗糙度為A 類,不考慮屋面雪荷載[1]。建筑抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為7 度,設(shè)計(jì)基本加速度為0.15g,所在場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震分組為第3 組,場(chǎng)地類別為Ⅲ類[2]。

        3 方案選擇與優(yōu)化

        本工程按吊車噸位劃分,屬于重型廠房。此類鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)布置需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)、工藝、安全的需求。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既要同時(shí)滿足承載力極限狀態(tài)下和正常使用狀態(tài)下的要求,又要保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和吊車運(yùn)行的安全性。

        最初設(shè)想是考慮采用常見(jiàn)的重鋼廠房的結(jié)構(gòu)形式,即單榀結(jié)構(gòu)采用H 型鋼格構(gòu)柱,屋面采用H 型鋼梁。

        本工程需要設(shè)置雙層吊車,上層吊車起重量為200t/25t,且柱間單跨跨度達(dá)到了40m。雖然模型計(jì)算能夠滿足,但考慮吊車噸位較大,以及雙工字鋼格構(gòu)柱自身縱向剛度沒(méi)有足夠儲(chǔ)備,工字鋼的高度不能一味加高,導(dǎo)致造價(jià)偏大。因此,初步方案需要優(yōu)化調(diào)整。考慮采用四管鋼管混凝土格構(gòu)柱,可以適當(dāng)調(diào)整縱向的厚度,來(lái)達(dá)到提高自身縱向剛度的要求。其材質(zhì)為Q235B,Dx為800mm,Dy為摘要mm,鋼管1、鋼管2 皆為φ219mm×14mm(灌芯C40),斜綴條:φ95mm×4mm,橫綴條:φ76mm×5mm,其截面圖見(jiàn)圖1。

        圖1 鋼管格構(gòu)柱截面圖

        在接下來(lái)的進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)中,在保證安全穩(wěn)定的前提下,通過(guò)對(duì)構(gòu)件截面的合理性及規(guī)范指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算,對(duì)比不同的柱距對(duì)整體造價(jià)的影響,將方案進(jìn)行最終優(yōu)化。

        在調(diào)整模型的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)原方案屋面在19m 標(biāo)高一階鋼柱處變形比柱頂變形還大,柱頂位移約70mm,而此處位移約78mm,不滿足GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》大于H/400(H為鋼柱高度)的要求[3]??紤]到由于風(fēng)荷載很大,為保證柱的抗側(cè)剛度,將邊跨格構(gòu)柱柱肢間距由摘要mm 增加到摘要mm。

        在對(duì)原方案鋼管混凝土柱強(qiáng)度校核時(shí),發(fā)現(xiàn)φ219mm×14mm 鋼管混凝土強(qiáng)度偏低,計(jì)算出鋼管混凝土單肢柱的軸向承載力為摘要kN,小于設(shè)計(jì)值摘要kN,需要加強(qiáng)。因此,改取用高強(qiáng)鋼管,材質(zhì)由Q235 改為Q345。由施工工藝原理可知,鋼管管徑的大小影響施工質(zhì)量。為方便混凝土施工,提高施工質(zhì)量,避免施工事故,參考相關(guān)的施工經(jīng)驗(yàn),鋼管直徑由219mm 改為351mm。

        關(guān)于屋面實(shí)腹鋼梁方案的進(jìn)一步細(xì)化核算:初步方案為截面擬采用BH摘要mm×260mm×8mm×14mm,高厚比(1300-2×14)/8=159.0,根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,當(dāng)高厚比h0/lw≥140.3 時(shí),應(yīng)在應(yīng)力較大區(qū)設(shè)置縱向加勁肋。這樣就導(dǎo)致鋼梁制作復(fù)雜,且對(duì)施工安裝技術(shù)要求較高,增加了施工難度。

        由于屋面跨度較大,單跨達(dá)到了40m。為提高屋面剛度及整體穩(wěn)定,屋架形式考慮選用網(wǎng)架或管桁架。與傳統(tǒng)的開口截面(H 型鋼和I 字鋼)鋼桁架相比,管桁架結(jié)構(gòu)整體性能好,扭轉(zhuǎn)剛度大且外表美觀,制作、安裝、翻身、起吊都比較容易。而管桁架結(jié)構(gòu)是在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比具有其獨(dú)特的優(yōu)越性和實(shí)用性。管桁架中的桿件大部分情況下只受軸線拉力或壓力,應(yīng)力在截面上均勻分布,因而容易發(fā)揮材料的作用,這些特點(diǎn)使得桁架結(jié)構(gòu)用料經(jīng)濟(jì),結(jié)構(gòu)自重小。

        鑒于以上的分析比較,最終考慮采用三角管桁架的屋架形式,試算的截面如圖2 所示。

        圖2 屋架剖面圖

        因采用9m 柱距,吊車梁考慮按實(shí)腹式工字鋼設(shè)計(jì),這種梁主要由上翼緣板、下翼緣板、腹板等焊接而成,具有制作簡(jiǎn)單、施工方便、受力性能好、抗疲勞能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為了充分利用鋼材強(qiáng)度,節(jié)約造價(jià),設(shè)計(jì)成上寬下窄的不等寬工字鋼。

        吊車梁在橫向水平荷載作用下,梁上翼緣平面內(nèi)將承受較大的水平方向彎矩和剪力,若僅靠梁本身傳遞橫向水平力,將產(chǎn)生很大的彎扭作用,不但不經(jīng)濟(jì),也很難滿足使用要求,因此,在梁的上翼緣平面設(shè)置由角鋼組成的水平制動(dòng)桁架,以抵抗橫向水平荷載,保證吊車梁的穩(wěn)定性。

        柱間支撐是為保證建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定、提高側(cè)向剛度和傳遞縱向水平力而在相鄰兩柱之間設(shè)置的連系桿件。本工程結(jié)合鋼管格構(gòu)柱的類型,采用雙片槽鋼剛性支撐,按規(guī)范要求,在兩端及中間每隔50m 均勻設(shè)置。

        屋面水平支撐均采用的是焊接鋼管組成的交叉支撐。因屋架為三角管桁架,為了提高平面外的側(cè)向穩(wěn)定性,而設(shè)計(jì)了焊接鋼管組成的屋面垂直桁架支撐,在屋架兩端和中間部位沿縱向通長(zhǎng)設(shè)置3 道,與屋架一同形成受力更好的整體剛度。

        通過(guò)對(duì)上述各個(gè)方案的分析,以下對(duì)各個(gè)方案的用鋼量和成本數(shù)據(jù)做了綜合匯總對(duì)比,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

        表1 各個(gè)方案的用鋼量、成本綜合對(duì)比

        經(jīng)對(duì)比分析可知:(1)當(dāng)采用H 型鋼格構(gòu)柱+屋面空間桁架方案用鋼量最大,為摘要t;(2)當(dāng)將柱距由9m 改為12m后,屋面空間桁架用鋼量減少,吊車梁、屋面檁條和墻面檁條的用鋼量顯著增加(當(dāng)跨度>9m 時(shí),檁條不宜采用冷彎薄壁型鋼實(shí)腹式構(gòu)件,需采用桁架式),結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)摘要t。

        綜合比對(duì)后,人們認(rèn)為鋼管混凝土柱(柱距9m)+屋面管桁架方案的主要構(gòu)件用鋼量省、成本低,主要構(gòu)件用鋼量為摘要t,相對(duì)于原方案用鋼量減少132t,成本約減少68 萬(wàn)元。而且,此優(yōu)化方案較好地解決了原設(shè)計(jì)方案鋼管柱管徑偏小、混凝土澆筑困難、分肢柱強(qiáng)度不夠、屋面梁腹板高厚比過(guò)大、實(shí)腹屋面梁與四肢格構(gòu)柱連接復(fù)雜等設(shè)計(jì)不足和考慮不周等問(wèn)題。

        本項(xiàng)目最終按優(yōu)化后的方案給出施工圖,現(xiàn)已建設(shè)完成,于2018 年開始投入生產(chǎn)使用。

        4 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,對(duì)于大噸位吊車鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)選型,固然有多種設(shè)計(jì)方法。但如何在保證安全穩(wěn)定的同時(shí),又能優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)是工程設(shè)計(jì)同行們?cè)诖祟愒O(shè)計(jì)中所面臨的共同問(wèn)題和思考方向。本文通過(guò)工程的主要用鋼量和對(duì)應(yīng)成本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算而得出的最優(yōu)方案,以期能夠?yàn)橥愋蛷S房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些參考。

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