浅谈重型钢结构在机械厂房中的应用

徐小琴

(四川省机械研究设计院(集团)有限公司，四川 成都 610063)

随着时代的发展，钢结构厂房在我国各个行业、领域中均得到了广泛应用，其中，重型钢结构机械厂房多应用于机械厂房建设工作中。相比于过去主流的钢筋混凝土结构，钢结构在抗震性能、自身重量、建造速度、环境保护方面均有着更佳的表现。目前各个行业、领域对钢结构厂房广泛使用，钢结构厂房的设计理念与工艺水平已经不断提升，特别是加入智能化、数字化手段之后，钢结构厂房已具备更加广阔的发展前景[1]。

1 工程概况

本次的研究对象为某双层吊车联合厂房。该厂房整体占地面积为22 680 m2，总体长度180 m，宽度为126 m, 厂房最高高度达到了30 m。根据机械厂房工艺要求，该工程建设为四连跨，最大跨度达到了36 m；最大吊车吨位为两台360 t的吊车，相当于吊720 t重物放在一个柱子上，每跨的高度按照相关工艺标准呈错落式分布。该机械厂房使用双肢格构柱+变截面锲形结构梁，厂房屋面与墙面则采用冷弯薄壁C型钢制成；围护结构采用轻型保温钢结构复合板，即外层复合高强板+耐火保温材料+内层复合高强板。

2 结构设计与分析

2.1 结构设计

该钢结构厂房在高跨位置选用的是双肢格构柱，而在低跨位置则选用的是H型阶梯柱，屋面梁则选用变截面H型钢梁，并将屋面梁与中柱、边柱进行刚接；一般而言，重型钢结构机械厂房通常会选用框排架结构(屋顶桁架方面选用梯形或三角形结构，并将桁架同柱子进行铰接)，而在该厂房中，选用的是轻型门式刚架结构中的锲形结构梁，该结构由锲形单元构成，该单元便于制造与装卸，性价比更高。在重型钢结构机械厂房的设计中，核心点是要让整体结构保持稳定，因此该工程在柱间、屋面水平支撑方面借助刚性支撑来对结构稳定性进行进一步强化；在进行钢架计算时，严格限制双层吊车车梁节点位置和檐口位置的水平位移，使二者水平位移不超过1/1250。

由于该厂房中使用了锲形结构梁，该结构在GB 50017—2017《钢结构设计标准》中把该结构单元等效看作等截面H型钢梁单元，因此为了实现厂房整体的安全性与稳定性，应将刚架结构计算划分为两个部分：首先，根据GB 50017—2017计算钢柱和钢梁，并参照项目要求进行柱梁的调整；其次，根据GB 50017—2017计算钢柱、根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB 51022-2015计算钢梁，并参照项目要求进行柱梁的调整。在实际计算中，应同时满足上述两种运算方式，从而使厂房整体结构更加科学合理、牢固可靠。

2.2 结构分析

2.2.1 结构布置

该厂房内的吊车吨位高达360 t，吊车移动时会造成较为明显的厂房震动，因此要在设计工作中考虑到这个因素。该厂房在屋顶表面支撑方面选用的是角钢支撑，其与纵向支撑、横向支撑一起构成了一个闭环式系统，大大增加了工程的整体刚度；在柱顶、屋脊、钢架转折位置及其他对应位置安装刚性系杆，具体布置情况如图1所示。根据该工程相关要求，将柱间距离设置为12 m，全长为180 m；依次在边跨两端、6轴与7轴之间、10轴和11轴之间安装柱间支撑，将水平作用力传递至基础，在边跨上只安装上柱支撑，以此便于释放吊车梁工作产生的热量。

2.2.2 设计依据

根据我国相关建筑结构设计标准与规范，该厂房抗震设防烈度取值为七度，基本地震加速度取值为0.15 g，设计地震分组为第一组，施工场地类别是Ⅱ类。设计荷载的主要参数如下：屋顶表面活荷载为0.35 kN/m2；屋顶表面恒荷载为0.30 kN/m2(屋面材质选用的是轻型彩钢板)；屋顶表面风荷载为0.30 kN/m2；荷载组合根据国家相关标准进行确认。主结构钢柱、钢梁采用屈服强度为345 N/mm2的B级钢，吊车梁采用屈服强度为345 N/mm2的B级钢。

图1 屋盖支撑、系杆布置示意图

2.2.3 计算结果

本工程涉及的所有计算均借助PKPM(排架框架设计 + 平面辅助设计)工程管理软件的钢结构模块进行建模、运算和诊断，并借助钢结构-空间结构设计软件进行计算结果的验证，按现行规范GB 50017-2017设计。钢结构柱与钢结构梁之间的应力比控制在0.8—0.9范围内。

3 机械厂房设计要点

3.1 柱脚设计

3.2 肩粱和柱梁连接节点设计

在该机械厂房的设计中，因为肩梁高度与下柱截面的高度之比的比值范围在0.4—0.6，所以结果取值为0.5；吊车肢侧方安装的肩梁腹板则选用直接加厚贴板的方法进行加强，以方便后续施工作业。肩梁和牛腿之间的具体连接方式可参考图3。上柱方面选用H型截面，梁则选择上述的锲形结构梁，柱、梁直接进行刚性连接，具体连接方式可参考图4。

a b ca-轴柱脚构造；b-轴柱脚构造；c-轴柱脚构造图2 柱脚结构示意图

a b ca-肩梁节点构造1；b-肩梁节点构造2；c-牛腿节点图3 肩梁和牛腿连接示意图

a b c a-柱梁节点构造1；b-梁梁节点构造；c-柱梁节点构造2图4 柱梁连接示意图

3.3 墙面设计

屋面和墙面檩子都采用XZ280×80×20×3.0，材质为屈服强度采用345 N/mm2的A级碳素结构钢，进行荷载计算时只考虑活荷载、恒荷载与风荷载三个方面。檩子按各自间隔1.5 m的距离进行安装，并将撑杆安装于相邻的两根檩子之间，从而有效增加相邻两个钢架之间屋面或墙面的刚度、强度。

屋面和墙面这两个部分均采用轻型保温钢结构复合板，即外层复合高强板+耐火保温材料+内层复合高强板，内层、外层复合板均由高强度压型钢板，从而使得整个屋面恒载不超过30 kg/m2，并兼具结构牢固、美观大方和防水性好这三大作用，方便工作人员进行维护维修工作，且大大降低了维护维修成本。

4 结语

重型钢结构厂房具有重量轻、建造速度快、维护成本低、抗震能力强等多重优势[2]。随着我国钢结构技术水平与应用范围的不断提升，重型钢结构机械厂房有着光明的发展前景。

本文涉及的重型钢结构机械厂房自建成并投入使用以来，至今运行良好，得到了用户的高度肯定；工作人员在操纵吊车时，也未感受到不适，并且反映厂房内部震动感与噪音均很小，这充分说明了该厂房的刚度达到了较高水准。

除上述要点外，在进行重型钢结构机械厂房设计时，还应当注意以下几点：

1)厂房设计环节应充分考虑钢结构受力情况，遵循便于结构制作与安装的原则，在不同钢铁截面方式用钢量相同的前提下，首先考虑选用结构更为简单，建造更加容易的形式；

2)稳定性是重型钢结构厂房设计的核心要务，因此在实际工作中，应当强化其结构稳定性与水平位移的控制；

3)在重型钢结构厂房设计中，应严格遵循国家相关技术标准与规范，不得随意降低设计方面的关键要素；

4)在重型钢结构厂房设计中，在允许范围内可以尽量加大柱间距离(可设置为12 m)，从而有效减少用钢量，降低生产成本。