丹东某钢结构框排架厂房用钢量优化

景 伟

(山东省冶金设计院股份有限公司，山东 莱芜 271104)



丹东某钢结构框排架厂房用钢量优化

景 伟

(山东省冶金设计院股份有限公司，山东 莱芜 271104)

以丹东某轧钢钢结构框排架厂房为例，对该厂房的用钢量进行了优化设计，并从计划阶段、实施阶段、改进阶段阐述了该厂房结构各子系统的优化组合研究过程，以合理协调各子系统之间的关系，减少厂房的用钢量。

钢结构，框排架厂房，支撑体系，跨度

建筑钢结构框排架厂房因其适用范围广、施工周期短而被越来越多的业主接受。建筑钢结构的经济性能一直是大家较为关注的一个问题。如何控制工程造价，充分发挥钢结构建筑技术经济上的综合优势，工程设计阶段是关键阶段。我们针对丹东某轧钢项目钢结构框排架主厂房用钢量进行优化，以降低工程造价，实现资源节约最大化的目的。

1 项目简介

丹东某轧钢项目钢结构框排架主厂房位于辽宁省丹东市东港，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为丙类。当地基本风压为0.55 kPa，基本雪压为0.40 kPa。轧钢主厂房包括柱系统、吊车梁系统、屋面系统、墙面系统。主厂房结构形式采用钢结构框排架，共4跨，包括轧辊间、主轧跨、加热跨和原料跨，跨度分别为18 m,24 m,18 m,27 m，轨面标高分别为11 m,15 m,15 m,11 m，屋面最高处标高为20.500 m。轧辊间有两台最大起重量分别为16 t和10 t的吊车，主轧跨有三台最大起重量分别为20 t,16 t和10 t的吊车柱，加热跨有三台最大起重量分别为10 t，16 t和16 t的吊车，原料跨有四台最大起重量分别为10 t,10 t,16 t和16 t的吊车。主厂房柱采用型钢格构柱和焊接H型钢组合的双阶柱或三阶柱，屋面采用变截面焊接H型钢，吊车梁采用简支焊接H型钢，屋面檩条采用轻型焊接H型钢，墙面檩条采用C型钢。

2 要因确定

丹东轧钢项目主要从以下几方面进行用钢量的控制优化：1)结构的支撑体系选用。2)荷载选用分析、组合。3)结构跨度选用。4)柱距选用。5)钢材强度选用。6)钢材规格及材质选用。

3 优化过程

3.1 计划阶段

综合考虑本工程工艺、荷载等方面的因素，制定了本次优化的目标：通过设计过程中合理的用钢量优化，使本工程用钢量相比传统做法用钢量(约130 kg/m2)减少10%～15%。

具体控制用钢量措施如下：

1)选用合理的结构支撑体系。结构支撑包括：柱间支撑和屋面水平支撑。综合考虑温度作用、风荷载和吊车荷载等因素合理布置柱间支撑，满足主厂房纵向刚度的要求。屋面水平支撑采用拉杆设计，与采用压杆设计相比也可大大降低用钢量。

2)合理优化荷载的选用和组合。综合GB 50009—2012荷载设计规范与GB 50017—2003钢结构设计规范对屋面活荷载的规定认为，本工程为轧钢主厂房，通过对类似工程的比较，我们认为计算屋面梁时屋面均布活荷载标准值取为0.3 kPa是安全可靠的，在计算檩条时可将屋面均布活荷载标准值取为0.5 kPa。

3)在满足工艺要求和安全可靠的前提下，结构跨度选用以节约用钢量为目的进行合理优化。厂房跨度要合理，综合考虑柱子和屋面梁用钢量之间的平衡，使二者用钢量之和在满足工艺要求和安全可靠的前提下取得最优结果。

4)在满足工艺要求和安全可靠的前提下，合理优化柱距。柱的纵向间距对用钢量指标也有较大影响。本工程结合甲方原有地基处理结果，选用9 m柱距。

5)钢材强度的选用要考虑钢材的弹塑性特性，充分利用材料截面的塑性发展，尤其是充分利用屋面梁腹板屈曲后的强度，以达到降低用钢量的目的。

6)钢材材质和规格选用也要考虑经济性。钢材的规格选用要兼顾平面内和平面外刚度的要求，尽量选用截面力学参数优良、截面质量较小的规格，这样既有良好的力学性能又节约钢材。

3.2 实施阶段

厂房结构是一个完整的系统，各子系统的优化要相互结合，以避免个别子系统的优化带来其他子系统用钢量的增加。本项目选用的计算软件为PKPM。在优化的过程中要满足工艺要求和安全可靠的前提，制定力学参数的控制指标，见表1。

表1 厂房结构力学参数的控制指标

本工程建在已经部分经过地基处理的场地上，厂房柱距根据地基处理结果定为9 m，吊车梁跨度相应确定下来。对吊车梁需要反复试算以确定最优截面，尽量做到应力与挠度都能满足表2中限值的要求。

框排架跨度的选择需要满足考虑工艺的要求，每一跨都有相应的分区功能。本工程轧钢主厂房跨度在满足工艺要求的前提下，满足单跨跨度不超过30 m并不低于15 m。

在确定好跨度后，建立计算模型对框排架进行计算。柱肢尽量选用成品H型钢，以方便进行制作。经过计算本工程位移对结构体系起控制作用，型钢柱肢的应力比都能控制在限值范围内。对型钢柱肢分别采用三种型钢进行试算，并比较了三种型钢的截面物理、力学特性(见表2)。选用HN400×200×8×13能较好兼顾节约材料和厂房纵向刚度合理的要求。

表2 三种型钢的截面物理、力学表

3.3 改进阶段

经过前阶段优化，虽然减小了总用钢量，但可能造成不方便施工等方面的问题，并不是最优的结果，需要进行统一改进。问题主要包括如下方面：吊车梁截面过多，虽然用钢量得到优化但制作下料较为琐碎，不利于板材的充分利用，故将相近截面进行统一；柱系统上柱截面过小，造成人孔制作困难，统一将上柱截面高度改为800 mm等。

3.4 总结阶段

本次优化取得了明显的经济效果：经过设计过程中合理的用钢量优化，本工程主厂房用钢量为110 kg/m2，相比传统做法用钢量减少15%。

4 结语

本次对该钢结构厂房用钢量的优化获得了如下结论：

首先，在钢结构厂房的设计中，设计人员应根据厂房不同的工艺要求、吊车吨位，选择合理的结构形式，确定经济的柱距、跨度，充分发挥钢结构厂房的优势，加强结构和构件的规格化、统一化、标准化工作，以提高钢结构工业化生产水平。

其次，钢结构厂房的用钢量优化是系统性的优化，厂房的各个子系统要相互配合，在各个子系统优化之间寻找平衡点，找到最优结果。

再次，要在经济性和安全性、适用性之间寻找平衡点，使优化具有可行性和实际意义。用钢量的优化能不能使结构保持足够的可靠性和安全性，适不适合工艺流程的要求，加工、制作、运输、施工方不方便，这都需要设计者进行反复的验证。所以钢结构优化不只是结构系统的优化，还是整个建设系统的优化，优化要有全局的眼光。

最后，我们认为钢结构轧钢主厂房具有一定的共性，这体现在厂房跨度、跨数、高度、吊车吨位、屋面荷载情况，类似钢结构主厂房用钢量可以控制在110 kg/m2左右。

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

[2]GB 50017—2003，钢结构设计规范.

[3]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范.

The steel consumption optimization of a steel structure frame-bent workshop in Dandong

Jing Wei

(ShandongMetallurgicalDesignInstituteLimitedCompanybyShare,Laiwu271104,China)

Taking a rolling steel structure frame-bent plant in Dandong as an example, this paper made optimization design to this workshop steel used amounts, and from the design stage, practice stage, improvement stage elaborated the optimization combination research on this workshop each subsystem, in order to reasonably coordinate the relation between each subsystem, reduced the workshop the steel used amounts.

steel structure, frame-bent workshop, support system, span

1009-6825(2015)01-0050-02

2014-10-29

景 伟(1980- )，男，工程师

TU391

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