大功率机车检修基地双层吊车厂房的结构分析

周　杰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

大功率机车检修基地采用流水检修工艺，主要包括检修组合车库、解体组装库、优化喷漆库、转向架检修库、返修库、机车调试库、机车整体试验库，并新设检修综合楼、移车台、淋雨试验等检修设施。新设机车出入线、机车停留线、交车棚及房屋、机车外皮清洗机、股道管理自动化系统等机车整备设施，预留机车整体吹扫库等。其中解体组装库是大功率机车检修基地中检修工艺生产线上最为重要也是最复杂的的一个环节。该环节检修工艺要求吊车频繁作业，并具有多种工作级别，且应具备大吨位整体吊装能力。因此，该库房具有跨度大、长度超长、带有双层大吨位吊车等一系列特点，这种厂房也是首次应用于铁路工业检修车库中，对铁路行业房屋建筑设计提出了新的挑战和机遇。本文拟通过对双层吊车厂房的排架结构特性分析及比选，提出适用于大功率机车检修基地双层吊车钢结构厂房的合理结构形式。

1　排架柱形式的比选择

在以往厂房设计中，通常竖向受力结构体系为排架结构，而排架柱的常见的形式主要有实腹和格构两大类，对于钢结构，在柱截面高度大于1 000 mm时，下柱宜采用格构柱，上柱一般为实腹柱，这是因为格构柱可用较少的条形钢材，通过有机的组合达到较大的截面惯性矩。

图1　实腹柱和格构柱比较(单位：cm)

如图1，某双层吊车厂房中柱采用格构柱：焊接H型钢+焊接H型钢，截面宽度2 050 cm×420 cm，其截面特性：

A=414 cm2，Ix=270 697 cm4，Iy=8 316 599 cm4；

若采用实腹柱2 500 cm×800 cm×18 cm×25 cm，其截面特性：

A=841 cm2，Ix=213 452 cm4，Iy=8 331 752 cm4

在同样的力学参数时，实腹柱用钢量将多出近一倍(仅柱截面)，因此有条件采用格构柱时，可以大幅度地降低工程用钢量。相关研究表明，吊车吨位越大、厂房跨度越大，这种经济性将越明显。

经研究分析，格构柱和实腹柱受力的区别在于格构柱的两肢可分为屋盖肢和吊车肢，在竖向荷载下两肢分别独自受力。屋盖肢主要承受风荷载、上柱传来的屋盖荷载和吊车水平荷载。厂房边柱的吊车肢仅承受吊车的竖向荷载，厂房中柱的两个肢均为吊车肢。此时，吊车肢还将承担通过肩梁传来的上柱荷载，而两跨的吊车荷载则分别各自承担，如图2所示。

图2　肩梁和柱关系

2　格构柱截面形式的选择

常用的格构柱截面形式如图3所示。

图3　格构柱常用截面形式

上述截面形式中，a、b、d、e截面多用于边列柱，c、f截面多用于中列柱。

d、e、f类截面格构柱一般为钢管柱中灌注混凝土，适用于有重级、特重级吊车的钢结构厂房，其焊接、构造工序比较复杂，不利于下层吊车牛腿施工。

对于大功率机车检修基地，双层吊车厂房上层吊车吨位一般不超过100 t，下层吊车一般吨位不超过15 t，牛腿采用悬挑就基本可以满足相关计算和构造要求。因此，建议选用焊接H型钢截面作为吊车肢，如图3中a、b、c三种截面形式。

a类截面：角钢+焊接H型钢，应用于边柱，是适用最广泛的格构柱截面，角钢承受厂房风荷载以及上柱传来的屋盖荷载和吊车水平荷载，焊接H型钢承受吊车的竖向荷载。通过计算，当屋面荷载不大(厂房跨度不大)，采用角钢和焊接H型钢的钢材强度能够充分得到利用。

b类截面：槽钢+焊接H型钢，应用于边柱，适用于跨度比较小、和吊车吨位不大的格构柱厂房。当厂房跨度较大时，槽钢必须通过“一”字形钢板(偏钢)焊接，再加上缀条的作用，容易在槽钢肢形成应力集中。

c类截面：焊接H型钢+焊接H型钢，既可应用于边柱，也可应用中柱。应用中柱的时候，可以根据两边吊车不同吨位选择不同的焊接H型钢。应用于边柱时，结合H型钢作为缀条，施工便利，利于下层吊车牛腿构造。

3　某工程格构柱截面设计

工程概况：某双层吊车厂房，跨度27 m，柱距9 m，在高程+13.000 m设置75t桥式吊车两台和+9.000 m设置10 t桥式吊车两台(吊车荷载见表1)，设计依据如下。

主体结构使用年限：50年；

恒荷载：0.4 kN/m2；

活荷载：0.5 kN/m2；

基本风压：0.5 kN/m2；

基本雪压：0 kN/m2。

场地地震效应：抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值0.05g，设计地震分组为第一组，设计特征周期0.35 s。

表1　某工程吊车数据

设计分别通过多方案比选择，对以下面四种组合方式的格构柱截面进行了分析研究(如图4、表2所示)。

图4　格构柱截面试算

方案柱截面方案一-14×550+2L140×12+H600×350×12×20方案二H600×350×12×20+H600×350×12×20方案三-16×550+2(-140×12)+H600×350×12×20方案四H600×350×12×20+H600×350×12×20

表3　计算结果

经计算比较可知：

在充分发挥钢材性能方面，从该工程边界条件来看，厂房跨度27 m，有上、下两层吊车，通过软件分析，计算结果如表3所示，本着充分发挥材料特性为原则的情况下，采用格构柱(方案一)(角钢+焊接H型钢)较为合理。

4　结束语

格构柱的计算应主要包括柱身强度、整体稳定、单肢稳定、缀板(条)计算，并应注意肩梁节点的计算和柱脚节点计算等。由于分肢平均应力大于整个构件的平均应力，分肢稳定性得到保证，整个构件平面外的稳定也得到保证。因此，其弯矩平面图外的整体稳定性不必计算。

格构柱的内力可通过计算软件分析得出，但由于软件对各杆件的计算尚不尽如人意，有些细部(如缀条)甚至计算中未能充分考虑。因此，还需要采用手工计算作为补充。

吊车肢计算时，为了确保安全，考虑到格构柱缀件体系传递两肢间的内力情况较为复杂，同时考虑吊车梁最大压力全部作用于吊车肢上的设计工况，应对吊车肢进行补充核算工作。

[1]GB50017—2003 钢结构设计规范[S]

[2]TB10011—2012 铁路房屋建筑设计标准[S]

[3]《钢结构设计手册》编委会.钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004

[4]CECS102：2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]