大空间工业厂房钢结构设计及优化改进措施在新疆地区应用

袁石钢

【摘要】随着新疆经济建设的发展，新疆工业也取得了相应的进步，大规模的工业生产急需要大量的工业厂房。而工业厂房结构设计具有特殊性，目前新疆大多数工业厂房使用的是钢结构这种经济实用的建筑材料，不仅能经济性好且更具有耐久性，可保证厂房使用的安全。因此本文就新疆大型化炼钢厂房钢结构设计过程中遇到的问题和看法提出探讨。

【关键词】大空间工业厂房;钢结构设计;优化措施

工业厂房是企业重要的生产场所，厂房的质量关系工业生产的效率和工作人员的生命安全，应得到足够的重视。钢结构工程以其优越性逐渐替代了新疆传统的厂房砖混结构，得到了广泛的应用，决定着建筑物的质量。钢结构工业厂房具有良好的抗震性能以及自重较轻等特点，其结构性能影响着企业的生产活动，因此，优化钢结构的设计迫在眉睫。

1、钢结构的材料选用

众所周知，大型钢结构厂房的合理选材是降低项目整体投资的主要因素之一，厂房主梁柱材采用性价比高的Q345B钢材。对于处在腐蚀环境中的承重结构，则一般采用Q235NH和Q345NH等牌号的耐候结构钢。

2、钢结构主体梁柱的设计

2.1承重柱结构设计选型

2.1.1大型冶金厂房中的承重柱一般采用阶梯形柱

其下段通常采用缀条格构柱，而上段既可采用实腹式，亦可采用格构式，但上段以实腹式截面为多。格构柱的单肢柱有H型钢柱、钢管柱钢管砼柱（即钢管内填芯高强混凝土）等几种形式。单肢柱采用钢管柱，虽然理论上钢管柱各方向受力性能稳定，但存在钢管柱的弧面连接及大管的加工焊缝长等缺陷，在实际应用中比较麻烦;钢管砼柱虽能够减小钢管截面，但后期混凝土灌浆的可操作性较差，主要是因为大型冶金厂房主柱高度都有20～30米（甚至更高），钢管内部灌浆时需开通气孔，钢柱过长时可能还需要设置中间孔，以利于通气及灌浆的振捣实，给施工带来困难。近几年，单肢柱采用H型钢的形式，因其加工的完整性及施工的便利性得到更广泛应用。格构柱的缀条可采用角钢、槽钢和T型钢等，当承载较小时可采用槽钢和角钢作为缀条，当吊车吨位超过160吨时，可采用T型钢作为缀条，更好地维护格构柱的整体性。格构柱采用钢接柱脚，为节约用钢量、降低造价和方便施工，格构柱常采用分离式柱脚。露出式柱脚常采用靴梁式，埋入式柱脚直接埋入杯口基础中，并设置剪力钉，在柱底板增加定位地脚螺栓以增加定位精度。

2.1.2厂房主钢柱肩梁结构形式

大型冶金厂房主钢柱肩梁的设计是柱设计的重要部分。柱肩梁位于上段柱和下段格构柱交接处，用以将上柱的内力传递到下柱并兼作吊车梁的支座。因此，肩梁必须有足够的刚度和强度，以保证阶形柱的整体工作。柱的肩梁构造有单壁式肩梁和双壁式肩梁两种形式。单壁式肩梁因其加工的方便性被广泛采用。柱肩梁是厂房柱最重要的受力和传力节点，其腹板厚度及高度的准确度至关重要。

2.1.3承重屋面钢梁结构形式

大型冶金厂房中的承重屋面钢梁实腹式型钢梁和桁架式屋架体系。由于桁架式屋架体系有上下弦，支撑体系上下弦需要布置，安装复杂，施工周期长，因而实腹式H型钢梁已成为大型冶金厂房屋架梁的主流形式。厂房屋面梁和钢柱上段柱的连接常采用端板连接。

2.2支撑系统的布置

支撑系统是保证主体结构整体刚度和承重安全稳定性的重要组成部分。大型冶金厂房中，作用于厂房山墙上的风荷载、吊车的纵向水平荷载、纵向地震力等均要求厂房有足够的纵向刚度，在结构上需要通过合理设置柱间支撑和对应的屋盖支撑系统来实现。每列柱都必须设置柱间支撑，多跨厂房的中列柱的柱间支撑与起边列柱的柱间支撑布置在同一柱子开间。柱间支撑的布置在满足厂房纵向刚度和抗震要求的同时，还应满足厂房温度区间段的要求。大型冶金厂房的横向温度区段的跨度为120米，纵向温度区段的长度为220米。在实际设计中，可能出现设备与柱间支撑相碰的情况，因此需要灵活调整柱间的各种形式。大型冶金厂房下柱格构式双肢柱，应在每个分肢设置支撑，并将两支撑相连，以加强支撑的整体稳定性。屋面支撑的布置大都对应柱间支撑布置，若屋面有设置天窗，则天窗支撑系统应与屋面支撑系统和柱间支撑系统对应，形成更为稳固的刚度体系。屋面梁若采用桁架式屋盖，则屋面支撑需设置上弦的屋面横向水平支撑和纵向水平支撑，以及下弦的屋面横向水平支撑和纵向水平支撑，并必须在上下弦支撑间设置垂直支撑。

2.3围护系统的设计

围护系统包括厂房的檩条、墙梁、屋面板、墙面板和拉条的布置与设置。随着冶金工艺的不断升级和主体冶炼设备的大型化，很多厂房采用大柱距结构，有的甚至在24米以上。因此，墙面体系应采用增加中间小墙柱的设计方式以减小墙梁跨度、达到减小墙梁断面的目的。围护系统中的拉条系统是保证檩条、墙梁与屋面板和墙面板共同作用的关键环节。厂房屋面的檐口和屋脊处应设置斜拉条和刚性撑杆，以组成稳定的桁架结构体系，达到增强屋面檩条和屋面板共同作用的整体围护结构强度。针对重型冶金主厂房常常是连续多跨车间的情况，当屋面单坡长度大于50米时，需在中间增加一道双向斜拉条和刚性秤杆组成桁架结构体系。

2.4吊车梁系统的设计

吊车梁系统是大型冶金厂房的重要组成部分，是保障各生产作业吊车的安全运行，并将吊车的荷载传递至主钢柱的重要受力系统。大型冶金厂房的吊车梁常采用焊接工字形吊车梁，由上翼缘宽钢板、下翼缘窄钢板和中间腹板焊接而成。工字形吊车梁一般设计成等高度、等截面的形式，根据需要也可采用变高度、变截面的形式。由于大型冶金厂房的吊车吨位很大，钢柱采用格构柱、牛腿采用肩梁形式，所以均采用突缘式的吊车梁。

在吊车梁载荷核算时，一般按照两台最大起重量相等的吊车进行设计核载，或按照生产工艺实际排列两台起重量进行设计核载，同时考虑吊车的等级。在大型冶金工程中大型起重设备常用工作级别为A7或A6;厂房柱距一般都在12米以上，因此采用实腹式工字形吊车梁的高度基本都在1.8米以上。为了满足受力后的整体稳定和局部稳定要求，一般同时设置横向加劲肋和纵向加劲肋。在大型冶金厂房实际设计过程中，常因设备空间要求，需要局部加大柱距，当局部因跨度加大需要加高吊车梁断面但牛腿位置高度又不变时，可采用端部变截面的鱼腹式吊车梁，以达到在端部高度不变的条件下增加吊车梁的高度;当需要跨度更大或者强度和稳定要求更高的吊车梁时，可考虑采用箱形吊车梁。对于跨度大于24米的吊车梁，制作时按跨度的1/1000起拱。吊车梁的焊缝应根据结构的重要性、荷载特征、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况进行确认。总体来说，吊车梁和制动结构、辅助桁架及支撑系统形成一个稳定的箱形体系，以承受吊车的竖向荷载以及横向水平荷载，并同时保证自身的结构稳定性。

结语：

綜上所述，新疆重型冶金厂房的设计因工艺复杂、设备众多，使其设计所涉及的内容更纷繁复杂，既需要满足规范的设计规定，还需要考虑综合经济效益。另外，随着新疆冶炼技术的不断提升、冶炼设备大型化及国外先进设备的引进，不断给设计人员带来新的挑战和考验。因此，需要不断提高设计人员的专业水平，以设计出更适合现代钢铁企业和符合高质量要求的重型冶金工程厂房。

参考文献：

[1]范晓斌.某组合结构厂房阻尼比分析[J].山西建筑，2020，46（07）.

[2]胡嘉.钢结构在工业厂房结构设计中的应用[J].化工管理，2020（07）.