大跨度双层吊车钢结构厂房的柱间支撑设计

洪承禹 （安徽省施工图审查有限公司，安徽 合肥 230000）

随着国家工业化战略的稳步推进以及装备制造业的迅猛发展，钢结构厂房不仅吊车吨位越来越大，而且某一跨中多台双层大吨位吊车并存的情况也屡见不鲜。柱间支撑作为主要受力构件不仅保证了厂房的纵向稳定和刚度，而且在厂房承受纵向作用力时，起着非常重要的作用。本文以某大型模锻车间的大跨度双层吊车钢结构柱间支撑为例，对柱间支撑进行了布置，并通过相应的受力计算，分析了风荷载、吊车荷载以及地震力对柱间支撑内力的影响，论证了柱间支撑对厂房纵向稳定、刚度及承受纵向作用力发挥的作用。

1 工程概况

某大型模锻车间，厂房长度324m（中部设伸缩缝），宽度171m，共6跨，柱距12m，局部24m，平面图（右）见图1。每跨均布置吊车梁，其中第4跨共设四台大吨位吊车：两台220T+50T的A7级吊车，轴顶标高30.5m；两台300T+20T的A6级吊车，轴顶标高19.0m；上、中、下柱截面见图2。

图1 16-29轴柱及柱间支撑平面布置图

图2 E轴柱截面示意图

2 柱间支撑的设计

为了保证厂房的正常工作，沿厂房纵向布置了柱间支撑，根据该工程的实际情况，柱间支撑的布置遵循了以下原则[1][2]：

①满足生产净空及跨间通行的要求；

②明确合理的传递纵向荷载，缩短地震力及温度应力的传递路线，本工程中，为了避免温度应力过大，下柱支撑尽量设置在厂房单元中间区段内，不设置在厂房单元的两端，仅在厂房两端设置上柱支撑，用来传递作用于山墙上的风荷载，另外，柱间支撑适当均匀拉开设置有利于缩短地震作用的传递路线。具体布置见图3；

③每个温度区段的每一列柱均布置柱间支撑；

④柱间支撑的位置与屋盖支撑位置协同考虑，使结构形成上下共同作用的整体；

⑤柱的高度较大时，应分层设置支撑。本工程由于设置了双层吊车，第4跨均为三阶柱，故设置三层柱间支撑。

图3 E轴线柱间支撑立面图

2.2 设计算例

2.2.1 风荷载+吊车纵向水平荷载计算：

①风荷载

基本风压0.45kN/m2，地面粗糙度B类。

风压高度变化系数：

±0.000～15.000，μz=1.05；

15.000～23.000，μz=1.2；

23.000～34.000，μz=1.38；

34.000～42.000，μz=1.55；

山墙墙迎风面体型系μs=0.8；背风面μs=-0.5。

0m～15m：Q1=1.4×1.05×0.45=0.662kN/m2

15m～23m：Q2=1.4×1.2×0.45=0.756kN/m2

23m～34m：Q3=1.4×1.38×0.45=0.869kN/m2

34m～42m：Q4=1.4×1.55×0.45=0.977kN/m2

W1=0.8×（15+16.5）×[（42.3-34）×0.977+（34-31.53）×0.869]=258kN

W2=0.8×315.5×[（31.53-23）×0.869+（23-22.14）×0.756]=202kN

W3=0.8×31.5×[（22.14-15）×0.756+（15-16.14/2）×0.662]=252kN

②吊车纵向水平荷载（单肢计算）

T2=2×1.4×0.1×4×610=683kN

T3=2×1.4×0.1×4×600=672kN

③风荷载+吊车纵向水平荷载

上柱：作用于一道支撑单肢的水平内力

H1=258/8=3.3kN

中柱：作用于一道支撑单肢的水平内力

H2=33+202/4+683/2=425kN

下柱：作用于一道支撑单肢的水平内力：

H3=425×3/4+252/4+672/2=720kN

2.2.2 地震力计算

柱顶顶重力荷载代表G=恒荷载+0.5×活荷载=0.4+0.5×0.5=0.65kN/m2

F=0.65×167×（15+16.5）=3419kN

吊车空载引起的水平力：

各质点水平地震作用标准值：F1=（G1H1/GjHj）FEK

F1=（168100/618791）×768=209kN

F2=（272910/618791）×768=339kN

F3=（177781/618791）×768=221kN

小车：3×290kN，大车：3×610kN

31m：小车：910kN，1550kN，350kN，80kN

大车：1710kN，2430kN，700kN，320kN

P1-910+1550+350+80-（1710+2430+700+320）/2-5470kN。

19m：小车：1420×2kN，160kN

大车：1760×2kN，460kN

P2=1420×2+160+（1760×2+460）/2=4990kN。

柱自重：上柱GS=37×15=555kN

中柱GZ=78×15=1170kN

下柱GX=198×15=2970kN。

吊车梁自重：31m：D1=14×1.3×（84+51）=2457kN

19m：D2=14×1.3×85=1547kN。

结构总水平地震作用标准值：

Geq=0.85×（3419+5470+4990+555+1170+2970+2457+1547）=1919kN。

FEK=α1Geq=0.04×19191=768kN

上柱：作用于一道支撑单肢的水平内力

H1=1.3×209/8=34kN

中柱：作用于一道支撑单肢的水平内力

H2=1.3×（34+339/4）=154kN

下柱：作用于一道支撑单肢的水平内力

H3=1.3×（154×5/4+221/4）=322kN

2.2.3 12m跨支撑截面选择与计算

①ZCE-1上柱十字形支撑，平面内计算长度l1=8000mm，cosα2=0.72；

受拉杆件控制长细比350

上柱：作用于一道支撑单肢的水平内力

H1=1.3×209/8=34kN；N=H1/cosα2=34/0.72=47kN

采用单槽钢组成的双片支撑，选用[12.6a，A=15.69cm2，ix=4.98cm

长细比=l1/ix=8000/49.8=160＜350

47000/1569=30N/mm2＜215N/mm2

②ZCE-2中柱十字形支撑斜长l2=16000mm，cosα2=0.8；

一个中柱支撑单肢支撑内力

H2=33+202/4+683/2=425kN

N-H1/cosα2-425/0.8-532kN

采用单槽钢组成的双片支撑，选用[22a，A=31.84cm2，ix=8.67cm

532000/3184=167N/mm2＜215N/mm2；

长细比=l1/ix=16000/2/86.7=92＜200。

③中柱斜缀条计算：V＝3184×2×215/85＝16107N，N＝13107/（2×0.65）＝12390N

选用O76×3.0，A=6.88cm2，i=2.58cm；b类截面，稳定系数0.333；

12390/688/0.333=54N/mm2＜215N/mm2，长细比=l1/ix=3700/25.8/=143＜200

④ZCE-3下柱十字形支撑斜长l3=21000mm，cosα2=0.58。

一个下柱支撑单肢支撑内力：

H3=425×3/4+252/4+672/2=720kN

N=H1/cosα2=720/0.58=1241kN

采用单槽钢组成的双片支撑，选用2[22a，A=31.84×2=63.68mm2，ix=8.67cm

1241000/6368=195N/mm2＜215N/mm2

长细比=l1/ix=21000/2/86.7=121＜200。

⑤下柱缀条计算：V=6368×2×215/85=32214N，N=32214/（2×0.65）=24780N。

选用O76×3.0，A=6.88cm2，i=2.58cm；b类截面，稳定系数0.333。

24780/688/0.333=108N/mm2＜215N/mm2，长细比=l1/ix=4700/25.8=1182＜200。

3 结语

通过以上对柱间支撑的分析和计算可以得出，风荷载、吊车荷载以及地震力对柱间支撑内力的影响均不可忽视。在低烈度地区，风荷载与吊车荷载的组合对柱间支撑的设计起到控制作用[3]。

大跨度大吨位吊车厂房，柱间支撑采用单槽钢及双槽钢组成的双片支撑，在保证结构安全的前提下，既满足了使用空间上柱间支撑须设置在柱肢翼缘内侧的要求，同时用钢量较少，经济型较好。本工程竣工投产至今，历经多次极端恶劣天气，但均未影响正常生产，吊车行走时，刚架稳定，未出现任何晃动，取得了较好的成效。