王静1 高元2 葛召深3
1.中国核电工程有限公司 北京 100840
2. 中国核电工程有限公司 北京 100840
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摘要：本文结合实际工程系统讨论重型钢结构厂房的结构布置、关键构造、荷载取值等问题，对该类结构的分析思路、模型建立等进行详细的阐述，并对关键控制指标给出具体建议，以供类似工程设计参考。
关键词：钢结构、排架柱、柱间支撑
1 工程概况
某120t转炉炼钢工程中的渣跨主厂房，为单层、单跨、双坡钢结构厂房，长138m，跨度为24m，柱距为12m，18m两种，有两台起重量为60t的A7级工作制和一台20t的A6级工作制的吊车，厂房建筑剖面图见图1-1所示。
图1－1建筑剖面图
图2-1排架柱截面详图
2 结构设计
2.1 荷载取值
荷载准确与否直接影响到设计结构的合理经济性，是结构设计重要环节【3】。该厂房结构所受荷载主要有竖向荷载，包括：结构自重、吊车竖向荷载、屋面及走道板活荷载；水平荷载包括风荷载、积灰荷载，吊车水平荷载等。
2.1.1 屋面荷载取值
根据《荷载规范》规定积灰荷载应与雪荷载或不上人屋面均布活荷载两者中较大值组合。由于转炉炼钢会产生较大积灰，且在雪荷载较小地区，通常积灰荷载起较大控制作用。本工程水平投影距离高炉中心50~100m，故积灰荷载取0.5KN/m2。屋面恒荷载主要包括屋面压型钢板自重、屋面檩条自重、屋面支撑系统自重；以柱距12m为例，屋面檩条采取高频焊接H型钢，屋面支撑主要考虑水平支撑、垂直支撑、刚性系杆，且为保证屋面系统整体刚度，通常在屋面檩条下设置隅撑（按拉杆长细比控制）；故屋面的恒荷载取值为0.55KN/m2。另还应考虑工艺生产需求，屋面上放置管道支架或屋面檩条下吊挂检修单轨吊时所产生的荷载。
2.1.2 风荷载取值
根据场地类别、厂房建筑高度确定结构风压体型系数及风压高度变化系数；对于基本风压的确定，通常厂房结构设计取50年基本风压。系数确定完毕后套用以下公式计算出厂房结构受力构件的风荷载标准值：
（2-1）
2.1.3 吊车荷载取值
根据提供的吊车资料计算吊车竖向荷载及横向水平荷载，横向水平荷载一般有软钩吊车、硬钩吊车之分。一般每榀排架，参与组合的吊车台数不应多于2台。
2.1.4 其他荷载取值
厂房结构中荷载还包括参观走台以及检修平台活荷载，通常取值2.0KN/m2；动力管道的吊挂荷载；墙皮系统偏心距产生的垂直荷载。
2.2 柱系统设计
本工程钢柱为双肢单阶柱，上阶柱采用工字型实腹焊接截面柱。下阶柱除承受上柱荷载外，还需承受吨位较大的吊车荷载，若用实腹柱，截面较大，经济合理性差。考虑该工程跨度24m，采用格构式钢柱较为经济。
根据截面高厚比和板的宽厚比，确定排架柱截面尺寸，通过计算，确定上柱为H1000X450X18X20焊接H型钢，下柱为双角钢2L125X12与H型钢H700X300X16X20的组合截面，缀条采用TN125X125X6X9，见图2-1。
对于格构式柱和大型实腹式柱，应在承受较大水平力、设有悬臂牛腿处和运送单元的端部设置横隔，横隔间距不大于柱长边的9倍和8m，一般每4~6m设置一道横膈板或横隔架。本工程下柱长为9.76m，分别在柱脚和下柱中间设置一道横膈板。
2.2.1排架柱的稳定及承载力计算
格构式排架柱要验算其平面内整体稳定性，平面外整体稳定可不计算，但应计算各分支 稳定性。计算得平面内整体稳定应力128N/mm2，左肢最大稳定应力计算值133.56 N/mm2，右肢最大稳定应力计算值149.89 N/mm2，均小于205 N/mm2，满足稳定性要求。
2.2.2 缀条计算
缀条按两端铰接轴心受压构件计算。缀条并不由强度控制，仅需进行稳定计算，计算公式如下：
；
2.2.3 人孔设计
当设有安全通道时，需在柱腹板开设通行人孔。构造要求在人孔周边应设置加劲板以加强腹板。孔底处横向加劲板因与吊车制动结构及吊车梁上翼缘相连，要传递吊车横向水平荷载，其板厚与尺寸要满足吊车梁中关于腹板的高厚比要求。
人孔两侧分肢视为单向压弯构件，计算每个分肢强度和在排架柱平面内和平面外的稳定性。平面内、外的计算长度取人孔净空高度。
2.2.4 肩梁计算
单臂式肩梁的腹板可近似按简支梁计算，对其强度进行验算，下段柱为实腹式柱时，可不做强度计算，其腹板厚按构造确定。
2.3 柱间支撑设计
为保证厂房纵向刚度和空间刚度，承受山墙风荷载、吊车纵向刹车力、温度应力和地震作用，延长房纵向设置上下柱间支撑。一般当温度区段大于120m时，下段柱柱间支撑应设置两道，其位置宜布置在温度区间三分之一范围内，两道支撑件的中心间距不宜大于60m。但作为工业建筑，还应满足工艺生产要求，柱间支撑位置需要作出适当调整。本工程总长度138m，需设置两道下柱柱间支撑，上柱支撑设置四道，除在设有下柱支撑的柱间布置外，在两端另设两道。
2.4 基础设计
本工程地基承载力特征值为=225KPa，采用柱下独立基础，依据《地基规范》规定双肢柱插入基础深度应满足；的要求，ha为双肢柱全截面长边尺寸；hb为双肢柱全截面短边尺寸；本工程双肢柱的全截面为1700mmX700mm，故柱插入深度取1.3m。本基础杯底厚度取475mm满足构造要求。对基础进行承载力及抗冲切验算，均满足要求。
3 结论
总而言之，在大跨工业厂房悬挂吊车的钢结构设计中，前期策划与理论设计是非常必要的，而合理的结构选型是整个结构体系能否正常发挥其优势的关键。在设计过程中，要尽量减小扰度，保持平面外稳定的同时，选用刚度较大的结构形式，才能使得整个钢结构发挥其最佳工作状态，同时还应兼顾生产工艺的布置和实际施工的方便性等综合考虑。
本文通过对结构方案的介绍，为该类结构提供模型建立等分析思路，提出重型钢结构厂房设计时应注意事项，并对关键控制指标给出建议，以供类似工程设计参考。
参考文献
[1]钢结构设计规范GB50017-2003
[2]门式刚架轻型技术规程CECS102：2002
[3]徐锐昌，余晓毅，某重型钢结构厂房的吊车梁与排架柱结构设计，建筑结构[J]，2009（4）
[4]董运动，文长法，钢结构单层厂房框排架柱平面内计算长度系数探讨，内蒙古石油化工[J]，2008（9）
[5]钢结构设计手册
论文作者:王静1,高元2,葛召深3
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第7期
论文发表时间:2018/7/16
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