某高跨双层吊车钢结构厂房设计

王 琴

(中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223)

某高跨双层吊车钢结构厂房设计

王 琴

(中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223)

以带有双层吊车的某冷轧高强钢高跨单层钢结构厂房为例，对厂房柱子系统的结构设计思路、构造要求、计算依据和计算结果分别进行了分析和介绍，以采用更合理的结构形式，达到工程的经济性和安全性。

钢管混凝土，四肢格构式柱，双层吊车，钢结构厂房

1 工程概况

该工程为冷轧热镀锌和高强钢试验机组厂房，厂房纵向长度共486 m，横向宽度57 m，厂房总建筑面积约2.77万m2，分为两跨，左边跨30 m宽为热镀锌机组厂房，右边跨27 m宽为冷轧高强钢试验机组厂房，共设10台吊车，吊车轨顶标高分别为15.000 m，44.000 m，64.000 m，33.500 m，工作级别为A5/A6，按厂房高度可分为低跨厂房(柱顶高度22.000 m，纵向长165 m)、中跨厂房之一(柱顶高度51.000 m，纵向长111 m)、中跨厂房之二(柱顶高度40.500 m，纵向长159 m)及高跨双层吊车厂房(柱顶高度71.000 m，纵向长51 m)四种形式。本文主要对高跨双层吊车厂房进行分析，刚架立面图如图1所示。

建设地区基本风压w0=0.45 kN/m2，基本雪压S0=0.55 kN/m2，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，结构抗震设防类别为丙类。

2 结构体系

该厂房所在地为北方采暖地区，根据《钢结构设计规范》表8.1.5的要求，采暖房屋纵向温度区段控制值为220 m，设计时在低跨厂房、中跨厂房及高跨双层吊车厂房分界处设置伸缩缝，每一区段均符合要求。

厂房采用框排架结构，横向采用刚架受力体系，纵向由排架柱、柱间支撑、系杆及吊车梁系统组成。高跨双层吊车厂房下阶柱采用四肢格构式钢管混凝土柱，沿纵向在下柱中部设置管廊桁架(兼作系杆)，中阶柱采用四肢格构式钢管柱，钢管中不填充混凝土；厂房上阶柱和屋面梁均采用H型钢。

3 厂房柱结构方案的比较

单层厂房柱下阶柱常用形式为H型钢格构式柱和钢管混凝土格构式柱，钢管混凝土格构式柱有两肢和四肢两种类型。

3.1 H型钢格构式柱

当厂房高度较高、吊车起重量较大时，厂房下柱常采用H型钢格构式柱，一般在吊车梁下设置一个柱肢，其受力合理、侧向刚度较大，相对于实腹式柱可大大节省钢材量，是一种结构计算和施工都很成熟的结构形式。

3.2 钢管混凝土格构式柱

钢管混凝土结构是指在钢管之内填充混凝土而形成的组合构件，由于钢管对混凝土的约束紧箍效应，当钢管混凝土柱受压时混凝土处于三向受压状态，大大提高了混凝土的抗压承载力，能充分利用混凝土的强度，同时混凝土的存在也能克服钢管结构容易发生局部屈曲的缺点，因而该结构能更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点。从视觉上看，钢管混凝土格构柱外形更轻盈、美观。

3.3 经济性比较

该工程初步设计时对刚架柱结构形式进行了经济性比较，采用PKPM软件对下阶柱和中阶柱采用H型钢格构式柱、两肢钢管混凝土格构式柱和四肢钢管混凝土格构式柱的情况分别进行了计算分析，计算结果见表1。从表中结果可以看出，在计算应力相差不大时，采用H型钢格构柱时的钢材量比钢管混凝土格构式柱的钢材料要大很多，而在风荷载作用下的柱顶位移1/330远小于采用钢管混凝土格构式柱时的1/415和1/475，不满足规范要求的1/400，这表明钢管混凝土格构式柱比H型钢格构式柱有更好的结构侧向刚度和更大的强度储备，柱子的用钢量也可大大降低；与两肢钢管混凝土格构式柱相比，四肢钢管混凝土格构式柱所用钢材重量略多，而钢管内填充混凝土少，但四肢钢管混凝土侧向更稳定，钢管混凝土的强度能更充分地利用起来，根据《CECS 28—2012 钢管混凝土结构设计与施工规范》第4.1.8条，钢管混凝土柱长细比不宜大于80，而该工程下柱较高，采用两肢、四肢格构式柱时柱长细比分别为113，67，显然采用两肢格构式柱不符合规范要求，故最终设计时采用四肢钢管混凝土格构式柱。

表1 不同结构形式计算结果对比

由于该高跨双层吊车厂房上层吊车轨顶标高较高，为64 m，中阶柱高度有20 m，考虑施工的方便可行性，且以防从柱底采用泵送顶升浇灌法浇灌时压力过大引起钢管薄弱处爆裂，在计算允许的情况下，设计时中阶柱采用四肢钢管柱，钢管内不填充混凝土，在下层肩梁标高以上1 m钢管拼接点处设置盲板，以挡住混凝土上升，相应肩梁处钢管侧面开泄流孔和泄气孔。

4 厂房刚架的计算与设计

4.1 刚架计算

厂房刚架按平面刚架进行计算，采用PKPM软件进行计算，下阶柱按四肢钢管混凝土格构式柱输入，中阶柱按四肢钢管柱输入，屋面梁与上柱刚接。刚架计算中格构式柱的应力比为构件考虑偏心率影响的整体承载力折减系数和长细比影响的整体承载力折减系数后其作用轴力与整体承载力的比值，基于此，选择合适的柱肢距比较关键；在满足整体承载力要求的同时应注意单肢承载力也需满足要求。计算结果表明，由风荷载引起的柱内力为地震荷载的5倍以上，风荷载在此类高跨厂房内力组合中起绝对控制作用，按《钢结构设计规范》将风荷载作用下的柱顶位移控制在1/400以内。

4.2 型钢柱、梁板件宽厚比及构件长细比限制

根据《建筑抗震设计规范》第9.2.14条第2款及条文说明，轻屋盖厂房塑性耗能区板件宽厚比限值可根据其承载力的高低按性能目标确定；塑性耗能区外的板件宽厚比限值，可按《钢结构设计规范》采用。因该工程地震作用不起控制作用，所有刚架均按2倍多遇地震作用组合计算并不影响计算结果，则按抗规9.2.14条条文说明，型钢柱和屋面梁板厚比可按《钢结构设计规范》要求采用。钢管混凝土格构式柱构件按CECS 28—2012 钢管混凝土结构设计与施工规范长细比不宜大于80，其他构件可按《建筑抗震设计规范》单层厂房柱长细比不超过150的规定控制。

4.3 节点构造

由于钢管混凝土柱系四肢柱，下阶柱与中阶柱、中阶柱与上柱的肩梁构造要比两肢柱肩梁复杂得多，肩梁类似于四条腿的桌子，肩梁处钢管均须开十字形槽口插入肩梁腹板，肩梁上下盖板开施工用人孔，而吊车梁突缘支座作用点位于钢管两肢连线的中点处，其下腹板厚度按计算确定。该肩梁施工精度要求较高、钢管开槽口插入肩梁腹板时对接困难，施工难度较大，用钢量也多。

柱脚构造采用钢管柱肢直接插入基础杯口基础的形式，钢管插入深度不小于单肢钢管直径的2.5倍或格构式柱总宽度的一半，当柱底所受弯矩或拉力较大时钢管插入杯口深度按计算确定，插入式柱脚比一般刚接柱脚构造简单，施工方便，且用钢量少。

5 结语

四肢钢管混凝土柱应用于较高的带有双层吊车的单层厂房，能充分发挥结构承载力高、平面内和平面外刚度均较大的特性，相对用钢量少，结构体系合理可靠，可以取得最佳经济效果。

[1] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] CECS 28—2012，钢管混凝土结构设计与施工规范[S].

[4] 郑 聪.某重型钢结构厂房设计[J].福建建筑，2012(8):15.

[5] 种道坦，李新泰.某门式轻钢厂房加固及分析[J].山西建筑，2014，40(2)：56-58.

The steel structure workshop design of a high span double-layer crane

Wang Qin

(SouthChinaMetallurgicalEngineeringTechnologyLimitedCompany,Wuhan430223,China)

Taking a cold rolled high strength steel high span monolayer steel structure workshop with double crane as an example, this paper respectively analyzed and introduced the structure design idea, construction requirements, calculation basis and calculation results of plant column subsystem, so as to use more reasonable structure form, to achieve the economic and safety of engineering.

steel tube concrete, limb lattice column, double crane, steel structure workshop

2015-01-04

王 琴(1983- )，男，工程师，一级注册结构工程师

1009-6825(2015)08-0061-02

TU391

A