多跨钢结构炼钢主厂房框排架用钢量控制

景伟

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东莱芜 271104）

经验交流

多跨钢结构炼钢主厂房框排架用钢量控制

景伟

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东莱芜 271104）

通过对实际工程中多跨钢结构炼钢主厂房框排架用钢量的计算分析，总结其中用钢量规律，对不同类型炼钢主厂房用钢量指标区间及用钢量指标优化提出了建议。

钢结构；炼钢主厂房；用钢量

1 前言

炼钢主厂房是为转炉、电炉等炼钢连铸工艺服务，这类钢结构厂房有一定的共性，体现在吊车吨位、厂房高度、跨度、跨数、屋面荷载等方面。炼钢主厂房钢框排架一般采用较为通用的下柱格构柱、上柱实腹柱、屋面采用实腹梁的形式。在实际工程应用中，随着钢结构的普及，该类厂房用钢量出现优化的趋势。通过对十几个炼钢主厂房排架计算模型的还原，综合考虑最大起吊吨位、厂房高度、跨度等因素，对占总用钢量较大比例的框排架用钢量进行对比分析，寻找合理的用钢量指标控制区间。

2 厂房用钢量指标分析

炼钢主厂房可以分为柱系统、屋面系统、墙面系统和吊车梁系统［1］。这4个系统相互之间密切关联，用钢量指标的控制需要对各个系统进行平衡以达到最优。4个系统中吊车梁系统较为独立，影响吊车梁的主要因素是吊车吨位和厂房纵向跨度。墙面系统用钢量与风荷载和厂房纵向跨度有关。屋面系统中檩条用钢量与屋面风压（与屋面体型密切相关）、积灰荷载、活荷载、雪压和厂房纵向跨度等有关。可以看出在外加荷载一定的情况下，吊车梁系统、屋面系统和墙面檩条均与厂房纵向跨度有关。根据相关资料和工程经验，炼钢主厂房较为经济的纵向跨度为9～15 m。柱系统和屋面系统中钢框排架占厂房总用钢量比重较大（约占40%～60%），受工艺条件、厂房跨度、厂房高度、吊车吨位等影响较大。所以对钢结构厂房中框排架用钢量进行控制对总体用钢量控制意义重大。

2.1 主厂房共性

炼钢主厂房的最高高度范围为30～45 m，最大吊车起吊吨位范围100～280 t。一般较高的厂房对应着起吊吨位较高的吊车。最大吊车吨位一般出现在原料跨、钢水接收跨、精炼跨，根据钢包、铁水包重量及炉容确定。其余跨吊车吨位较小，不同冶炼规模的厂房吨位差别较小。吊车工作级别一般为A6、A7。厂房一般包括原料跨、电炉（转炉）跨、精炼跨、钢包维修跨、钢水接收跨、连铸跨、过渡跨、出坯跨，有时也会把精整跨放在炼钢主厂房中，其跨度一般为27～33 m。根据具体工艺布置确定实际跨数，一个完整的炼钢主厂房并不是包含所有跨，一般可将几跨进行整合，有时也存在个别跨比如出坯跨会设置两跨的现象。各跨的常用跨度：原料跨、钢包维修跨、过渡跨为21～24 m；电炉跨、精炼跨、钢水接收跨、连铸跨为24～27 m；转炉跨为12～15 m；出坯跨为24～33 m。当然，根据工艺布置不同，跨度也会有比较大的变化，但最大跨度一般＜36 m。

厂房屋面荷载主要包括屋面板材、檩条、支撑、屋面梁等的恒载以及活荷载、积灰荷载、风载和雪荷载。其中，屋面梁跨度、屋面板材的类型、可变荷载的大小及组合对屋面系统用钢量的影响较大。炼钢厂房的积灰荷载有一定的分布规律，可参考GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中相关规定。

2.2 主厂房用钢量的主要影响因素

就几个主要因素对用钢量的影响进行分析。

1）厂房高度对框排架用钢量的影响。厂房高度与工艺有很大关系，转炉炼钢厂房一般高于电炉炼钢厂房，炉容大小也直接影响厂房高度。炼钢厂房最高高度一般为30～40 m。厂房高度增加柱用钢量也相应增加，对于边柱，厂房高度增加，风荷载产生的弯矩加大，边跨柱柱顶位移加大，故其用钢量也会增加。边跨一般为钢坯跨或加料跨，根据冶炼规模的大小，一般标高变化幅度在6 m以内。

2）吊车轨顶标高对框排架用钢量影响。吊车轨顶标高由工艺确定，一般冶炼规模大的厂房轨顶标高也相应较高，最大轨顶标高出现在炼钢跨。根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》要求，吊车梁轨面标高处由1台最大吊车水平荷载所产生计算变形值不超过基础顶面至吊车梁顶面高度的1/1 250。轨顶标高越高，水平位移越大，钢柱截面也要变大。

3）厂房跨度对框排架用钢量的影响。工艺布置决定厂房跨度，跨度对屋面梁用钢量的影响比较大。实腹钢梁用钢量比屋架用钢量偏大，尤其是跨度大于27 m时用钢量增大明显。但实腹钢梁制作简便，厂房施工期和使用期涂装、维护量小而方便，且质量好进度快，屋面梁比屋架应用日益广泛。

4）吊车吨位对框排架用钢量的影响。在保证钢柱制作工艺的情况下，吊车竖向荷载对提高柱截面应力比的影响有限。吊车水平荷载所产生的轨面位移往往对框排架结构起着控制作用，吊车吨位越大，该水平位移越难满足，故吊车吨位对框排架用钢量的影响较大。

5）力学参数控制对框排架用钢量的影响。力学参数对用钢量的影响较为显著，具体控制指标详见表1（长细比150，宽厚比为GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》第9.2.14条）。

应力参数、构造参数和变形参数要相互配合已达到最优结果。综合多个工程经验，厂房位移参数起控制作用，应力比很难达到限值。构造参数对用钢量的影响较大，尤其是构件的宽厚比、高厚比等参数直接对应着构件板材的厚度，对用钢量的影响较为显著，可根据抗震性能目标要求控制板件宽厚比。

表1 钢结构炼钢厂房梁、柱力学参数控制

6）荷载大小对框排架用钢量的影响。地震荷载对钢结构厂房的影响要远低于混凝土厂房，因为钢结构厂房质量轻地震荷载小，其次材料强度大、塑性性能好，抗震设防目标更容易实现。风荷载对边柱的影响较大，对中柱的影响较小。活荷载、积灰荷载和雪荷载对屋面梁的影响较大。

2.3 工程实例分析

应用PKPM软件对十几个炼钢厂房进行计算，选取其中较为典型的几个进行比较。厂房荷载参数、几何参数、吊车吨位、用钢量参数见表2（其中，g为重力加速度，m/s2；积灰荷载均为0.3 kPa）。用钢量折算到每平米，计算方法为：排架用钢量=框排架总用钢量/（排架总跨度×排架间距）。

表2 各工程实例力学参数、几何参数、吊车吨位、用钢量

3 结语

1）炼钢厂房吊车吨位一般对应着冶炼规模，吊车吨位大的厂房一般高度较高、吊车轨面标高较高，相应框排架用钢量也较大。可以将最大吊车吨位150 t以上的炼钢厂房作为重型炼厂厂房，其用钢量的合理指标为60～90 kg/m2。最大吊车吨位150～75 t的炼钢厂房可以作为中型炼钢厂房，其用钢量的合理指标为40～70 kg/m2。对于轻型炼钢厂房，其用钢量的合理指标为35～45 kg/m2。

2）排架用钢量是炼钢厂房总用钢量的一部分，必须考虑整个厂房结构系统统筹才能取得最优的用钢量结果。

3）地震荷载对钢结构厂房的影响要远低于混凝土厂房。高地震设防烈度并没有使用钢量显著增加，这与混凝土结构有显著不同。钢结构比混凝土结构有更优越的抗震性能。

4）要统筹考虑力学参数对用钢量的影响。炼钢厂房的安全性要通过各方面的力学参数来保证，应力参数和变形参数要综合考虑，均需满足国家现行规范的相关要求。在风荷载、地震荷载、吊车荷载较大的厂房，如重型炼、中型钢厂房，变形参数往往起着控制作用。对于构造参数，不同的参考文献中对钢结构框排架厂房有不同的经验要求。由于钢结构框排架厂房材料模型、力学模型、结构模型较为成熟，相关规范对应力、变形、构造参数的规定较为完备，吊车振动荷载也可控，结构设计时还应以计算和国家规范要求为依据，而不能照搬相关参考文献中的经验要求［1］。

［1］包头钢铁设计研究总院.钢结构设计与计算［M］.2版.北京：机械工业出版社，2006.

TU391

B

1004-4620（2015）02-0077-02

2014-12-11

景伟，男，1980年生，2007年毕业于广东工业大学岩土工程专业。现为山东省冶金设计院股份有限公司工程师，从事冶金行业建筑工程设计工作。