某重型钢结构厂房优化研究

杜 宇 段旭松

(中国十九冶集团有限公司勘察设计分公司，四川成都 611730)

0 引言

随着国家对钢材产业的鼓励和引导，我国2011年中国粗钢产量达到6.95亿t左右，这为大力发展钢结构创造了良好的外部基础。在经济高速发展的大环境下，钢结构厂房由于其优越的结构性能和良好的综合经济效益，越来越多的应用到工业建筑当中，钢结构工业厂房特别是带有大吨位的重型钢结构厂房在国内迅速发展，已进入一个新的快速发展阶段。

1 背景工程简介

本文所述某重型厂房拟建场地较为平坦，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类。该地区基本风压0.30 kN/m2。拟建厂房平面为“一”字形，长度为360 m，跨度方向为144 m，总建筑面积超过50 000 m2。

1.1 模型分类

本工程为四连跨重钢厂房，共有8台吊车，其中A-B，B-C，DE轴跨内有双层吊车，上层32 t，轨道标高7.6 m，下层10 t，轨顶标高10 m;C-D轴内上层吊车125 t，轨顶标高14.2 m，下层吊车50 t，轨顶标高10 m。吊车吨位大，数量多是本例重钢厂房的特点，于是合理设计、保证厂房结构安全可靠，降低工程造价是亟待分析研究的对象。厂房刚架立面简图见图1。

根据工艺要求，柱距要求在9 m～12 m最适合布置工位和设备。于是，下一阶段的主要工作就是依据工艺要求对主刚架进行建模计算。据相关工程经验，刚架横梁的截面一般采用工字型钢，初选横梁截面高度可取跨度的1/40～1/30。本例中，由于柱距和屋面荷载已经确定，因此在计算优化后对于横梁的变化不大，所以本例将重点对主钢架的不同截面钢架柱进行分析研究。由相关经验可知，主刚架的用钢量一般占总项目用钢量的1/3～1/2，所以，对主刚架的合理设计和控制可以取得较好的经济效益，为分析柱距、钢柱对主刚架的影响，本文将主要以如下几个模型进行分析，刚架柱截面初选主要依据经验公式和参考《钢结构设计手册》［1］表10-3，本文依据柱距和格构柱截面共建立6个结构模型。

1.2 模型主刚架柱截面特性

各模型的二维计算简图如图1所示，柱子编号从左至右分别为A-E号，各柱子主要截面参数见表1，表2。

模型中，柱子采用双钢管钢混凝土组合截面的钢管内填充C40混凝土，采用四钢管钢混凝土组合截面的钢管内填充C30混凝土。经软件计算，各模型应力比、柱顶位移、挠度均满足规范要求，在此前提下以用钢量为评价标准，对上述模型在不同柱网布置、不同柱截面形式时厂房结构的总用钢量进行比较分析，提出了最为经济的柱距及格构柱形式。

表1 9 m柱距各格构柱主要截面参数

表2 12 m柱距各格构柱主要截面参数

2 模型计算分析

经计算，各模型主刚架用钢量见表3。

从表内数据可知，在柱距相同的情况下，H型钢格构柱截面较钢管混凝土组合式格构柱截面单榀用钢量少2 t～7 t左右，总用钢量少30 t～110 t左右，按钢材出场单价8 000元计算，仅此一项就可节约造价约25万元～90万元。

表3 各模型用钢量表

其余构件用钢量单独计算，最终用钢量如表4所示。

从表3和表4可知，虽然12 m柱距标准榀数量较9 m柱距减少，但是经计算总用钢量仍较9 m柱距多，因此9 m柱距是较合理的柱距，而在格构柱形式上，双H型钢格构柱与双钢管混凝土组合截面用钢量相近，但是加上浇筑混凝土的造价，H型钢格构柱是性价比最高的选择。

表4 吊车梁及附属构件用钢量表

综合上述数据，厂房所有构件总用钢量见表5。

表5 各模型总用钢量表

上述模型中各构件用钢量占总用量比例如图2所示。

模型分析结论如下:

1)柱距增加对于厂房整体用钢量有明显影响，柱距越大，单位用钢量越大。以本文最终设计方案的双H型钢格构柱为例，9 m柱距较12 m柱距用钢量下降9.04%，钢材减少338.522 t，如以钢材市场单价8 500元(含材料、制作、油漆、不含安装)计算，可节省造价287.75万元，经济效益显著。

2)柱距越大的吊车梁钢材用量越大，单位造价也越高。

3)主刚架及吊车梁占到了结构总用钢量的70%左右，降低造价最为直接有效的方法就是合理选取柱子截面和柱距，对主刚架和吊车梁进行优化，可以取得明显的经济效益。

4)通过本设计发现，在有大吨位吊车的厂房设计中应优先选择全钢结构的格构柱，单位用钢量较钢混凝土组合式格构柱低，而且还省去了混凝土购买和浇筑费用，此外制作工艺也较为简单，快捷。

最终，经过与业主讨论沟通，项目采用了最少用钢量的模型，9 m柱距双H型钢格构柱截面，较其余模型总钢材节省了10%左右，取得了较好的经济效益。

3 结语

随着重钢厂房越来越多的应用到工业建筑领域，钢结构优化必将迎来发展大潮，通过优化不仅可以使结构的受力更为合理，同时降低建造成本，提高钢材利用效率，顺应了资源节约型社会的发展趋势。

［1］《钢结构设计手册》编委会.钢结构设计手册(上下册)［M］.第3版.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［2］CECS 102-2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［S］.

［3］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.