大吨位吊车钢结构厂房的设计分析

陈天仙

（福建建工集团有限责任公司，福州350001）

1 工程概况

在原有厂区内拟新建一栋重塔车间，单层，火灾危险性分类为丁类，总建筑面积摘要m2。建筑长度252.25m、宽度80m，结构类型为钢结构的厂房，车间跨度40m+40m。每跨均设有双层吊车，下层配置2 台吊车，起吊质量60t/20t，双钩，中级工作制，工作级别A5，吊钩起吊高度16m；上层设2 台吊车，起吊质量200t/25t，双钩，中级工作制，工作级别A5，吊钩起吊高度20m。另在车间外东侧室外原材料堆放场地内设1台半门电磁吊，起吊质量60t，吊钩起吊高度10m，轨道跨度24m。车间西侧山墙侧设8 扇宽10m、高15m 的电动推拉门，北侧山墙与原有一期重塔车间贴临。

2 设计参数

本工程位于漳州市漳浦县六鳌镇，设计50a 一遇基本风压为0.75kN/m2，设计10a 一遇基本风压为0.40kN/m2，地面粗糙度为A 类，不考虑屋面雪荷载[1]。建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7 度，设计基本加速度为0.15g，所在场地设计地震分组为第3 组，场地类别为Ⅲ类[2]。

3 方案选择与优化

本工程按吊车吨位划分，属于重型厂房。此类钢结构工业厂房的结构布置需要综合考虑经济、工艺、安全的需求。结构的设计既要同时满足承载力极限状态下和正常使用状态下的要求，又要保证结构稳定性和吊车运行的安全性。

最初设想是考虑采用常见的重钢厂房的结构形式，即单榀结构采用H 型钢格构柱，屋面采用H 型钢梁。

本工程需要设置双层吊车，上层吊车起重量为200t/25t，且柱间单跨跨度达到了40m。虽然模型计算能够满足，但考虑吊车吨位较大，以及双工字钢格构柱自身纵向刚度没有足够储备，工字钢的高度不能一味加高，导致造价偏大。因此，初步方案需要优化调整。考虑采用四管钢管混凝土格构柱，可以适当调整纵向的厚度，来达到提高自身纵向刚度的要求。其材质为Q235B，Dx为800mm，Dy为摘要mm，钢管1、钢管2 皆为φ219mm×14mm（灌芯C40），斜缀条：φ95mm×4mm，横缀条：φ76mm×5mm，其截面图见图1。

图1 钢管格构柱截面图

在接下来的进一步深化设计中，在保证安全稳定的前提下，通过对构件截面的合理性及规范指标进行验算，对比不同的柱距对整体造价的影响，将方案进行最终优化。

在调整模型的过程中，发现原方案屋面在19m 标高一阶钢柱处变形比柱顶变形还大，柱顶位移约70mm，而此处位移约78mm，不满足GB 50017—2003《钢结构设计规范》大于H/400（H为钢柱高度）的要求[3]。考虑到由于风荷载很大，为保证柱的抗侧刚度，将边跨格构柱柱肢间距由摘要mm 增加到摘要mm。

在对原方案钢管混凝土柱强度校核时，发现φ219mm×14mm 钢管混凝土强度偏低，计算出钢管混凝土单肢柱的轴向承载力为摘要kN，小于设计值摘要kN，需要加强。因此，改取用高强钢管，材质由Q235 改为Q345。由施工工艺原理可知，钢管管径的大小影响施工质量。为方便混凝土施工，提高施工质量，避免施工事故，参考相关的施工经验，钢管直径由219mm 改为351mm。

关于屋面实腹钢梁方案的进一步细化核算：初步方案为截面拟采用BH摘要mm×260mm×8mm×14mm，高厚比（1300-2×14）/8=159.0，根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》，当高厚比h0/lw≥140.3 时，应在应力较大区设置纵向加劲肋。这样就导致钢梁制作复杂，且对施工安装技术要求较高，增加了施工难度。

由于屋面跨度较大，单跨达到了40m。为提高屋面刚度及整体稳定，屋架形式考虑选用网架或管桁架。与传统的开口截面（H 型钢和I 字钢）钢桁架相比，管桁架结构整体性能好，扭转刚度大且外表美观，制作、安装、翻身、起吊都比较容易。而管桁架结构是在网架结构的基础上发展起来的，与网架结构相比具有其独特的优越性和实用性。管桁架中的杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力，应力在截面上均匀分布，因而容易发挥材料的作用，这些特点使得桁架结构用料经济，结构自重小。

鉴于以上的分析比较，最终考虑采用三角管桁架的屋架形式，试算的截面如图2 所示。

图2 屋架剖面图

因采用9m 柱距，吊车梁考虑按实腹式工字钢设计，这种梁主要由上翼缘板、下翼缘板、腹板等焊接而成，具有制作简单、施工方便、受力性能好、抗疲劳能力强等优点。为了充分利用钢材强度，节约造价，设计成上宽下窄的不等宽工字钢。

吊车梁在横向水平荷载作用下，梁上翼缘平面内将承受较大的水平方向弯矩和剪力，若仅靠梁本身传递横向水平力，将产生很大的弯扭作用，不但不经济，也很难满足使用要求，因此，在梁的上翼缘平面设置由角钢组成的水平制动桁架，以抵抗横向水平荷载，保证吊车梁的稳定性。

柱间支撑是为保证建筑结构整体稳定、提高侧向刚度和传递纵向水平力而在相邻两柱之间设置的连系杆件。本工程结合钢管格构柱的类型，采用双片槽钢刚性支撑，按规范要求，在两端及中间每隔50m 均匀设置。

屋面水平支撑均采用的是焊接钢管组成的交叉支撑。因屋架为三角管桁架，为了提高平面外的侧向稳定性，而设计了焊接钢管组成的屋面垂直桁架支撑，在屋架两端和中间部位沿纵向通长设置3 道，与屋架一同形成受力更好的整体刚度。

通过对上述各个方案的分析，以下对各个方案的用钢量和成本数据做了综合汇总对比，具体数据见表1。

表1 各个方案的用钢量、成本综合对比

经对比分析可知：（1）当采用H 型钢格构柱+屋面空间桁架方案用钢量最大，为摘要t；（2）当将柱距由9m 改为12m后，屋面空间桁架用钢量减少，吊车梁、屋面檩条和墙面檩条的用钢量显著增加（当跨度＞9m 时，檩条不宜采用冷弯薄壁型钢实腹式构件，需采用桁架式），结构用钢量达摘要t。

综合比对后，人们认为钢管混凝土柱（柱距9m）+屋面管桁架方案的主要构件用钢量省、成本低，主要构件用钢量为摘要t，相对于原方案用钢量减少132t，成本约减少68 万元。而且，此优化方案较好地解决了原设计方案钢管柱管径偏小、混凝土浇筑困难、分肢柱强度不够、屋面梁腹板高厚比过大、实腹屋面梁与四肢格构柱连接复杂等设计不足和考虑不周等问题。

本项目最终按优化后的方案给出施工图，现已建设完成，于2018 年开始投入生产使用。

4 结语

综上所述，对于大吨位吊车钢结构厂房的结构选型，固然有多种设计方法。但如何在保证安全稳定的同时，又能优化方案的经济性，应是工程设计同行们在此类设计中所面临的共同问题和思考方向。本文通过工程的主要用钢量和对应成本的数据统计计算而得出的最优方案，以期能够为同类型厂房结构设计提供一些参考。