某大型炼铸锻钢联合厂房结构设计要点浅析

林振杨，申秀秀

（1.中机第一设计研究院有限公司，合肥 230601；2.汇杰思创(北京)建筑设计有限公司，北京 101403）

1 工程概况

本项目是某装备产业园区新建大型炼铸锻钢联合厂房，建筑面积133 707.39 m2， 建筑物总长度427.94 m， 总宽度379.84 m，厂房最大高度40.85 m（脊高）。 联合厂房由废钢车间、清铲车间、炼铸车间、锻造热处理车间、机加工车间组成，各车间平面布置如图1 所示。 废钢车间为南北向两连跨，跨度依次为21 m，24 m，柱距有9.7 m、12 m 两种，第一、二轴线分别有一处抽柱，吊车最大吨位为100 t。清铲车间为东西向三连跨，跨度依次为24 m、24.9 m、30 m，柱距有12 m、18 m 两种，吊车最大吨位为300 t。炼铸车间为南北向五联跨，跨度依次为20.9 m、30.4 m、32 m、24.4 m、18.2 m，柱距有9.7 m、12 m、18 m三种，第四、五轴线柱子分别有3 处抽柱，吊车最大吨位为320 t，其中第二、三跨为双层吊车，炼铸车间屋顶设有荷载较大的除尘罩及除尘管道等设施。 锻造热处理车间与机加工车间为南北向六联跨， 跨度依次为33.2 m、30 m、18 m、33 m、26.1 m、33 m，吊车最大吨位为450 t。 其中第四跨从西向东先由高层、中层共两层吊车变换为中层一层吊车，再变换成中层、低层两层吊车，最后再变换成低层一层吊车，第六跨从西向东，先由高层一层吊车变为高层、 低层两层吊车， 再变为低层一层吊车。 厂房屋面及墙面采用彩色保温压型钢板围护结构。

图1 联合厂房各车间平面示意图

2 工程项目特点

本项目位于智能高端装备产业园内，建设用地非常紧张，在限定的用地范围， 需要将数量繁多的工艺工段合理布置完善，导致了车间纵横跨交织，高低跨相连，吊车层数的反复变化。 车间内部设备布置紧凑，严重挤压了厂房钢柱基础承台的空间，给结构设计带来了较大的挑战。 车间安装多层吊车且吨位较大，吊车层数变化多且轨高错落布置，柱网变化多且有抽柱大跨度，大大增加了结构分析的工作量和构造设计的难度。工艺设备种类繁多，铸钢平台、电炉设备、铸造坑、排屑沟槽、大型压机、数控机床设备等几乎布满整个厂房地面，不仅平面位置上要与厂房基础协调，纵向深度上亦要考虑避让。

3 厂房结构设计要点

3.1 平面布置和竖向布置

重型炼铸锻钢联合厂房的平面布置和选型是一个系统工程， 需要考虑的因素很多。 必须考虑工艺布局和建筑使用要求，结构安全技术要求，经济合理性要求，工期要求，施工技术及地质气候等自然条件。 考虑工艺布局、吊车起重量及厂房的经济性、标准化，车间柱距采用12 m 的标准柱距，部分地方应工艺设备和生产需要，抽柱形成24 m 柱距，纵向车间与横向车间因设缝，柱距调整为9.7 m。 车间跨度根据吊车通行所需的最小宽度，并依据吊车轮压等设计参数，计算分析排架柱的截面尺寸，进而确定各排架柱的插入距。

厂房车间竖向高度确定：首先，根据生产工艺需求确定吊车的轨顶标高；其次，考虑吊车上部留有足够的安全空间；再次，考虑车道顶部管线的安装空间；最后，计算分析屋架梁的高度，综合确定车间排架的高度。

3.2 吊车荷载确定

根据GB 55001—2021《工程结构通用规范》[1]规定安装多台起重机的厂房应根据实际情况计算参与组合的起重机数量， 根据GB 50009—2012 《建筑结构荷载规范》[2]（以下简称《荷载规范》）规定：计算排架考虑竖向荷载时，单层多跨厂房不宜多于4 台； 双层多跨厂房宜按上下层分别不多于4 台进行组合，且下层吊车满载时，上层吊车按空载计算，上层吊车满载时，下层吊车不计入。 计算水平荷载时，吊车台数不应多于2 台。 当计算吊车梁或制动结构强度、稳定、竖向挠度以及连接时，应按实际情况考虑吊车组合台数，但不多于2 台，可按较大荷载的2 台吊车同时紧靠， 轮压位于梁上最不利位置计算。 当计算吊车梁或制动结构疲劳和水平挠度时，按1 台最大重级吊车考虑。

本项目R、U 轴抽柱处柱距最大为24 m，相邻柱距为12 m，R 轴处吊车布置情况为左侧上层（29.5 m 跨）2 台320 t（12.8 m宽），下层（27.5 m 跨）1 台260 t（15.5 m 宽）、2 台150 t（11.5 m宽）、1 台80 t、1 台32 t，R 轴右侧（22 m 跨）1 台150 t、1 台125 t（10.2 m 宽）、1 台32 t、2 台20 t，R 轴两侧共计12 台吊车。 N轴线左右各两层，共计15 台吊车，为吊车数量最多处。 经与甲方生产部门及工艺专业沟通确定，R 轴处排架柱设计时，24 m柱距左侧上层考虑2 台320 t 吊车， 下层考虑最不利的1 台260 t+1 台150 t 吊车， 右侧考虑1 台150 t+1 台125 t 吊车。12 m 柱距左侧上层考虑1 台320 t，下层考虑1 台260 t，右侧考虑1 台150 t 吊车。

3.3 风荷载的计算

本项目由几大生产工艺组成联合厂房， 整体上纵向和横向均高低错落，特别是炼铸车间、锻造热处理-机加工车间的刚架形体，《荷载规范》[2]和GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[3]（以下简称《门刚规范》），均没有较为匹配的体型。 《门刚规范》风荷载体型系数取值有前置条件是房屋高度不大于18 m，本项目檐口高度均在20 m 以上，因此，体型系数取值主要参照《荷载规范》，按下列情况分别考虑。

1）废钢车间与清理车间形体较为规整，符合封闭式双坡屋面，计算排架时，风荷载体型系数参照《荷载规范》表8.3.1第2 项取值。

2）炼铸车间形体在《荷载规范》内未有完全匹配的，比较近似于 “封闭式不等高不等跨且中跨带天窗的三跨双坡屋面”，风荷载体型系数参考《荷载规范》表8.3.1 第13 项取值。

3）锻造热处理机加工车间形体在纵向方向有3 次较大变化。 1～21 轴锻造热处理车间与机加工车间相间的露天跨无屋顶，两车间体型系数分别参照《荷载规范》表8.3.1 第14 项、第2 项取值。 22～33 轴范围两车间的露天跨有屋顶，且露天跨为单面开敞式屋顶。 露天跨体系系数参考《荷载规范》表8.3.1 第26 项取值， 其他跨参照 《荷载规范》 表8.3.1 第8 项（29～33轴）、第14 项（22～29 轴）取值。34～46 轴封闭三跨双坡屋面，体型系数参照《荷载规范》表8.3.1 第8 项取值。

4）计算墙面和屋面檩条时，《门刚规范》对体型系数按角部、中间区、边区进行区域区分，且不利区域体型系数比《荷载规范》取值大，故按《门刚规范》最不利区域取大值进行设计计算。

3.4 纵横向温度应力分析

GB 55006—2021《钢结构通用规范》[4]强调，刚架轻型房屋钢结构应设置必要的纵向和横向温度区段， 每个温度区段应设置支撑系统，保证各区段空间稳定。 本项目依据各生产车间的工艺要求，利用纵横向车间布置形成的缝、车间之间的露天跨等条件划分了废钢车间、清铲车间、炼铸车间、机加车间、锻造热处理车间等相对独立的温度区段。 机加车间与锻造热处理车间露天跨相连接的部分刚架横向长度为175 m，超过GB 50017—2017《钢结构设计标准》[5]规定的150 m 限值。 考虑到超过不多，且屋面横向高低错层，横向不设伸缩缝，且不同高度的屋面可各自释放一定的温度应力，因此，可不考虑横向温度应力的影响。

本项目废钢车间总长度346 m， 远超过钢标250 m 的限值，故在其中间位置26 轴处设伸缩缝，布置双柱。 机加锻造热处理车间纵向长度为426 m， 结合纵向吊车布置变化的情况，选择在21 轴处设伸缩缝布置双柱。 锻造热处理车间从21 轴至46 轴有240 m 长， 不过在其中间部位29 轴处纵向屋面有高低错落，可以释放纵向温度应力，因此，整个大联合厂房在纵向亦可不考虑温度应力的影响。 当前建设过程的联合厂房如图2 所示。

图2 建设过程中的联合厂房鸟瞰图

3.5 车间抽柱设计分析

根据工艺布置需求，本项目废钢车间在28 轴线有两处抽柱，一边柱和一中柱；炼铸车间分别在24 轴抽两中柱和在28轴线上抽两中柱和一边柱。 抽柱处厂房要注意以下主要问题：一是吊车梁跨度增大， 大跨度吊车梁的设计尤其要考虑变形的控制；二是屋面结构布置需要考虑托梁的布置，托梁的计算及构造、节点连接需要特别注意；三是为防止抽柱使得厂房整体刚度变弱， 应设置纵向水平支撑协调抽柱榀刚架与标准榀刚架的变形。

在对抽柱榀刚架的计算分析中，托梁的模拟有两种方法：一是增设上下铰接的虚拟柱模拟托梁的作用， 虚拟柱的变形要与托梁的竖向变形相互协调； 二是利用软件里面的弹簧支座模拟托梁作用。 本项目采用软件中添加弹簧支座的方法来计算分析。

托梁与刚架梁连接一般有平接和搭接两种方式。 采用平接时，刚架梁顶与托梁顶位于同一标高，可节省厂房空间或者降低厂房整体高度，而采用搭接时，节点构造更简单，施工更便利，但是刚架梁的变形易使托梁扭转失稳。 综合考虑，本项目采用托梁与刚架梁平接的做法，连接节点如图3 所示。

图3 托梁连接节点图（单位：mm）

4 结语

1）本项目用地紧张，通过对结构的合理布置优化，使废钢、熔炼、铸造、热处理、清铲、机加工等生产系统及所属工段自成一体互不干扰，相互间较好地衔接成一联合整体，满足了工艺生产的需求，取得了较高性价比。

2）对于柱距较大的多层吊车（吨位较大、重级工作制）多跨厂房，计算吊车荷载时，应按实际布置及使用情况以及荷载的作用效应，合理确定不同工况、不同效应下参与组合的吊车台数。 风荷载的体型系数应按实际情况分别考虑。

3）大型联合厂房由于平面尺寸相当大，需要关注纵横向的温度应力分析， 尽量通过采取设置伸缩缝及有关构造措施避免温度应力的影响。

4）厂房抽柱处应注意合理设置纵横向屋面支撑以加强整体刚度，注意托梁的模拟分析和节点连接方式。