張繼濤

中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710000

重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計在結(jié)構(gòu)柱選型、屋面及柱腳等方面要求嚴格，國內(nèi)對重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計已有大量的工程實踐。一般重型大跨廠房采用結(jié)構(gòu)形式為排架柱加網(wǎng)架屋面形式。溫慶東等[1]對某大型煉鑄鋼廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了分析，該廠房柱選型為格構(gòu)柱截面，可以節(jié)約用鋼量約25%。趙永全等[2]通過對大跨空間結(jié)構(gòu)進行有限元分析認為，網(wǎng)架設(shè)計需要采用整體分析模型，不能簡單地采用單獨網(wǎng)架模型進行分析。魏強等[3]通過某體育館整體與局部建模相結(jié)合的計算方式對該體育館進行了分析，認為在合理考慮下部支撐及支座剛度，上部鋼屋架可以單獨建模進行計算。吳勇軍等[4]通過分析鋼網(wǎng)架屋蓋和混凝土支承框架的整體性認為，整體建模分析比傳統(tǒng)上下部分開建模計算更為精確。李社生[5]對某多層大空間體育訓練館的混凝土框架柱支承和網(wǎng)架屋面進行了整體計算分析，考慮結(jié)構(gòu)空間協(xié)同作用工作，確保了結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。鄭念屏[6]對某大跨超重鋼結(jié)構(gòu)廠房進行方案對比分析，廠房結(jié)構(gòu)柱最終選擇四肢格構(gòu)柱，在滿足結(jié)構(gòu)強度與穩(wěn)定要求同時，減少了用鋼量。趙宏康等[7]對某重型廠房選型進行了分析，采用了四肢格構(gòu)柱及網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)形式。

文章總結(jié)了諸多學者的研究成果，針對某重型大跨鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計過程中遇到的技術(shù)難題及解決措施進行了分析總結(jié)，可為同類工程提供新的思考和建議。

1 工程概況

臺塑河靜鋼廠工程位于越南河靜省工業(yè)區(qū)，項目主要建筑物為鋼結(jié)構(gòu)全天候雨棚，屬于重型鋼結(jié)構(gòu)廠房。項目建成后將成為該地區(qū)標志性建筑，經(jīng)常受到政府等各類人員參觀。臺塑河靜鋼廠工程建成效果圖如圖1所示。

圖1 臺塑河靜鋼廠工程建成效果圖

該全天候雨棚是為滿足各種天氣條件下的船舶進出港口（需滿足大跨度及單層高度要求）的貨物裝卸作業(yè)（需滿足重型吊車荷載要求）而設(shè)計的建筑物。該建筑面積約18792m2，廠房縱向長度為142.8m，橫向長度為116m，吊車軌道頂標高45m，檐口高度為48.58m。具體如圖2～圖5所示。

圖2 平面布置圖

圖3 剖面圖

圖4 整體計算模型圖

圖5 主要格構(gòu)柱布置圖

廠房共設(shè)4臺550t/50t雙橋式吊車，分別在每一橫向跨度內(nèi)布置2臺吊車，4臺吊車可同時進行裝卸貨作業(yè)，吊車平面布置實景圖如圖6所示。該鋼結(jié)構(gòu)廠房單層建筑高度、跨度在國內(nèi)均比較少見。文章將對該鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的特殊之處做詳細分析。

圖6 吊車布置實景圖

2 設(shè)計基本數(shù)據(jù)

抗震設(shè)防烈度為7度（0.1g），設(shè)計地震分組第一組，場地土類別為II類；基本風壓值按照越南相關(guān)荷載規(guī)范取值為1.55kN/m2（按20年一遇平均最大風速取值），轉(zhuǎn)換為國內(nèi)荷載規(guī)范基本風壓為0.91kN/m2[8]；屋面為上人屋面，設(shè)計活荷載為2kN/m2；4臺吊車為雙橋式軟勾吊車。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計難點

3.1 結(jié)構(gòu)柱設(shè)計選型

根據(jù)實際需要，該工程長度方向共14跨，一共49根柱，其中包括4根抗風柱，柱截面選型應考慮以下方面：其一，房屋為單層結(jié)構(gòu)，層高、跨度均較大；其二，建筑物共設(shè)4臺吊車，4臺吊車可同時作業(yè)，同時作業(yè)產(chǎn)生的吊車荷載作用大，對側(cè)向位移限值條件高；其三，建筑物地處海岸環(huán)境，極易遭受臺風等極端惡劣天氣影響；其四，前期安裝運輸及后期運營維護應在設(shè)計過程中綜合考慮。

基于以上原因，初步設(shè)計考慮采用格構(gòu)柱截面，格構(gòu)柱整體剛度大，對控制側(cè)向位移貢獻大；格構(gòu)式柱將彎矩轉(zhuǎn)化為分肢柱的拉壓力平衡彎矩。

（1）分肢截面選擇。格構(gòu)柱通常采用四肢格構(gòu)柱、三肢格構(gòu)柱或雙肢格構(gòu)柱等形式，其分肢截面可選擇圓鋼管或者型鋼等形式。對此，方案設(shè)計從側(cè)向位移，用鋼量等方面進行對比。選擇單位重量基本相等的圓形截面及H型截面進行對比，圓形截面尺寸為D600mm×16mm，H型截面尺寸為H400mm×400mm×22mm×28mm；在圓形截面單重略小于H型截面的基礎(chǔ)上，其回轉(zhuǎn)半徑更大，即能提供更大的抵抗彎矩；且對于拼接連接，圓形截面所用螺栓更少。綜合對比，在重量相當?shù)那闆r下，所提供的抵抗彎矩相差在15%左右；考慮采用相等的抵抗彎矩情況下，分肢采用圓柱截面比型鋼截面節(jié)約造價約12%。因此，最終格構(gòu)柱分肢截面采用圓形截面。后期運營成本主要考慮結(jié)構(gòu)的維修維護，由于結(jié)構(gòu)位于近海岸，長期受到沿海潮濕環(huán)境大氣的侵蝕，后期需對格構(gòu)柱面漆重新進行噴涂，在滿足設(shè)計要求的前提下，圓形截面表面積最小，便于二次維護。

（2）局部抗風系數(shù)。主體結(jié)構(gòu)為格構(gòu)柱，在超過結(jié)構(gòu)設(shè)計風荷載作用下，可允許其墻面等維護結(jié)構(gòu)受到一定程度的損壞。在維護結(jié)構(gòu)損壞的情況下，風力可直接從結(jié)構(gòu)面穿過，以減輕結(jié)構(gòu)主體承擔的風荷載作用，因此需要考慮分肢結(jié)構(gòu)的局部風荷載。根據(jù)荷載規(guī)范查表得到圓形截面體型系數(shù)μs=1.0，型鋼截面體型系數(shù)μs=1.3。對于風荷載，圓形截面更有利于減小風荷載。在實際建成投產(chǎn)以后，該項目于2017年經(jīng)歷了正面登陸的19號強臺風“杜蘇芮”，中心風力達到14級，結(jié)構(gòu)主體完整無損壞，僅部分維護結(jié)構(gòu)遭到破壞，進一步印證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和安全性。

（3）格構(gòu)柱安裝。根據(jù)初步確定的格構(gòu)柱計算方案，單根格構(gòu)柱總長約45m，最大單根格構(gòu)柱重達到110t，這對于運輸及安裝要求都很高?？紤]格構(gòu)柱主要加工制作在國內(nèi)加工廠，在設(shè)計過程中將格構(gòu)柱分為4段，通過海運方式運輸。格構(gòu)柱的拼接可采用對接焊接及法蘭盤螺栓連接方式。由于焊接在現(xiàn)場實際操作中較為困難，且多為高空焊接作業(yè)，對施工要求高，實際施工過程不一定能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。因此，結(jié)構(gòu)拼接采用螺栓拼接。在設(shè)計排架柱的過程中充分考慮了各方面的因素，目前建成后的全天候雨棚運輸安裝已順利完成，并投入生產(chǎn)。

3.2 屋蓋體系設(shè)計

（1）整體協(xié)同分析。本結(jié)構(gòu)單體跨度為58m，屬于中跨網(wǎng)架，每橫向跨度內(nèi)設(shè)置兩根格構(gòu)柱抗風柱，同時也作為網(wǎng)架支座，屬于多邊支承網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式相對比較成熟。主要難點在于：①是否考慮網(wǎng)架屋面與排架柱共同受力，整體計算分析或分別單獨計算。目前此類結(jié)構(gòu)設(shè)計采用整體計算模型為主。整體計算時，結(jié)構(gòu)前三階振型分別為X向平動、Y向平動、扭轉(zhuǎn)；單獨計算網(wǎng)架時，前幾階振型均為上下振動，整體計算更符合實際情況。②網(wǎng)架支座剛度的選擇對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對影響較大。筆者分別按網(wǎng)架支座剛度為2kN/mm、10kN/mm、100kN/mm、鉸接等四種情況對網(wǎng)架進行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著支座剛度的增大，網(wǎng)架整體用鋼量增加；最大變形，最大支座位移逐漸減小。通過對比分析并結(jié)合實際情況，最終選擇網(wǎng)架支座剛度為10kN/mm，此時網(wǎng)架跨中最大位移為181mm，網(wǎng)架用鋼量為44kg/m2。

（2）積水荷載。該項目處于近海岸環(huán)境，屋面雨水充沛，屋面活荷載較大。屋頂設(shè)計為結(jié)構(gòu)找坡，可在一定程度上減少屋面雨水積水荷載。對雨季部分位于沿海地區(qū)的廠房進行調(diào)研，結(jié)果顯示，屋面建筑的坡度即使達到1∶15，短時間內(nèi)的大量降雨，加上風荷載與雨水流動方向相反時的阻礙作用，屋面仍會在短時間內(nèi)堆積一定量的雨水，這一部分荷載主要集中在屋面邊緣5～6m內(nèi)，該部分荷載在設(shè)計過程中也應充分考慮。該工程實際建成后，在強暴雨時對屋面進行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)確實存在短時間內(nèi)的積水荷載。雖然此部分荷載小于上人屋面活荷載取值，但是不大于上人屋面荷載0.5kN/m2。在荷載規(guī)范中暫時尚未列入該荷載，但是作為設(shè)計人員，應充分考慮可能存在的所有設(shè)計荷載，且在以后相關(guān)的設(shè)計中，在靠近海邊、短時間降雨量較大的環(huán)境中，應在結(jié)構(gòu)局部范圍增加相關(guān)荷載驗算，也可采用增加落水孔等其他措施減少此部分荷載。

3.3 柱腳設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)柱腳形式主要為埋入式柱腳、外包式柱腳及外露式柱腳。考慮到該全天候雨棚結(jié)構(gòu)的重要性，及建成后會吸引較多當?shù)刂匾獊碣e參觀，設(shè)計時在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下，還需充分考慮結(jié)構(gòu)的美觀性，因此采用埋入式柱腳形式，即剛性連接柱腳。

（1）柱腳抗剪鍵。由于結(jié)構(gòu)受力荷載大，柱腳設(shè)計難點在于抗剪鍵設(shè)計。傳統(tǒng)底板使用抗剪鍵已經(jīng)無法滿足該結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，且我國相關(guān)規(guī)范在柱腳進行設(shè)計計算時并不考慮錨栓參與抗剪。對于格構(gòu)柱而言，柱腳的抗剪主要是由于分肢抗拉與抗壓引起的，為此在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，筆者提出了一種新形式的抗剪鍵設(shè)計，具體設(shè)置如圖7所示，通過焊接在柱腳的工字型截面鋼，承擔兩個方向的剪力。其他構(gòu)造措施按照規(guī)范要求正常設(shè)計。

圖7 抗剪鍵設(shè)置

（2）抗剪鍵簡化計算。假定結(jié)構(gòu)的主要剪力全部由設(shè)置的工字型型鋼截面承擔，偏安全僅考慮由一側(cè)抗剪鍵承擔全部剪力；且同時偏安全的取柱腳所承擔彎矩的10%施加于工字型抗剪鍵。驗算工字型截面在壓彎作用下的強度及穩(wěn)定計算，還需要驗算鋼柱腳內(nèi)填充混凝土的局部抗壓及工字型截面鋼在基礎(chǔ)處混凝土的局部抗壓計算。

3.4 水平位移控制指標確定

在整體計算過程中，由于全天候雨棚生產(chǎn)主要使用4臺吊車裝卸貨物，為保證吊車的正常使用，需控制吊車梁的梁頂水平位移差及縱向位移差。文章限于篇幅，僅討論在設(shè)計過程中需要特別注意的位移指標。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，在風荷載作用下結(jié)構(gòu)柱頂水平位移為H/400（H為柱高度）。柱頂水平位移將導致吊車梁水平位移過大，將會引起吊車梁在行進過程中的卡軌現(xiàn)象。同一吊車梁兩側(cè)的格構(gòu)柱位移應盡可能保持協(xié)調(diào)，以避免因吊車兩側(cè)標高不一而產(chǎn)生卡軌，同時吊車梁每側(cè)縱向吊車梁也應保證在相關(guān)規(guī)范要求限值內(nèi)，以保證吊車正常安全使用。

目前相關(guān)規(guī)范僅規(guī)定了柱頂在風荷載作用下的水平位移，為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，筆者在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，針對每一列柱的水平位移均盡量控制協(xié)調(diào)。這一方面主要體現(xiàn)在格構(gòu)柱的設(shè)計上：通過合理布置柱距及設(shè)計格構(gòu)柱截面，最終既滿足了相關(guān)規(guī)范設(shè)計要求，又滿足了吊車梁對水平位移的協(xié)調(diào)一致要求。

4 結(jié)果分析

4.1 格構(gòu)柱截面

通過以上分析，完成結(jié)構(gòu)整體計算分析，限于篇幅，文章僅列出格構(gòu)柱主要材料選用表，具體如表1所示。單根柱最大總重110t，共計49根格構(gòu)柱。

表1 格構(gòu)柱主要材料選用表 單位：mm

4.2 網(wǎng)架截面

在設(shè)計網(wǎng)架的過程中，綜合考慮受力合理、用鋼量節(jié)省及施工方便，共采用2950個網(wǎng)架球，直徑為120～300mm，網(wǎng)架桿件共計11366根，直徑為88.5～219mm，網(wǎng)架平均用鋼量為44kg/m2。

4.3 位移指標

格構(gòu)柱共3列，控制每列格構(gòu)柱在吊車梁處位移為H/312（H為柱高度），滿足吊車正常運行，且滿足相關(guān)規(guī)范設(shè)計要求。

5 結(jié)論

該重型廠房自開工建設(shè)，在設(shè)計過程中綜合考慮了各方面因素，保證了安裝的順利進行，且建成以后，完全滿足設(shè)計的萬噸碼頭裝卸貨要求。筆者在該項目設(shè)計、安裝等過程中得到了一定的啟發(fā)，對于重型鋼結(jié)構(gòu)廠房，提出以下建議供相關(guān)工程參考。

（1）重型鋼結(jié)構(gòu)柱的設(shè)計在保證基本強度和穩(wěn)定要求的前提下，還應從使用要求、工程施工方案、工程投資經(jīng)濟、后期維護等多方面進行綜合考慮。

（2）對于大跨度空間屋面，一般采用屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)即可滿足設(shè)計要求，該廠房的屋面網(wǎng)架平均用鋼量為44kg/m2，同時在對屋面進行設(shè)計時，應根據(jù)實際情況，綜合分析結(jié)構(gòu)所承擔荷載，以避免規(guī)范未提及而出現(xiàn)缺項漏項，導致結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患。

（3）格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計往往對抗剪鍵關(guān)注不夠。在實際設(shè)計過程中，應在滿足設(shè)計要求的情況下，合理選擇抗剪鍵的結(jié)構(gòu)形式。此結(jié)構(gòu)采用了一種更加簡單的抗剪鍵計算方法，可為相關(guān)工程提供一定的參考。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計除應滿足風荷載作用下水平位移限值要求，對有重型吊車運行的結(jié)構(gòu)，應該采用更嚴格的位移控制。