分析重型钢结构厂房的吊车梁和排架柱结

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【摘要】本文选取了某钢结构厂房的工程实例，重点对吊车梁和排架柱设计进行了分析对比，提出了设计重型钢结构厂房的注意事项。

【关键词】重型钢结构厂房；吊车梁；排架柱

1.工程概况

该厂房为单层、两跨钢结构厂房，长489 m，宽42 m，建筑面积20538 m2，跨度为2mx21m，柱距有21，24，27m等多种，檐口标高28. 1 m，轨道顶标高18.000m，每跨内设两台起重量均为350t的A7级1：作制吊车。

2.结构设计

本工程建筑结构安全等级为二级，结构构件设计使用年限50年，建筑类别为丙类，抗震设防类别为6度，设计基本地震加速度值为0. 05g，设计地震分组为第一组。计算软件采用中国建筑科学研究院的钢结构CAD软件STS中的框排架模块，柱顶端节点与梁刚接。本工程按《钢结构设计规范》、《建筑抗震设计规范》和《建筑结构荷载规范》等相关规范设计。

2.1主要荷载

该厂房结构所受到的荷载主要有竖向荷载包括结构自重、吊车竖向荷载、屋面活荷载及走道板活荷载；水平荷载包括风荷载、灰荷载，吊车水平荷载等。上述荷载中除屋面自重按0. 55 kN/耐输人外，其它结构自重由程序自动计算。风荷载按《建筑结构荷载规范》选用风荷载体形系数后，由程序自动布置。屋面活荷载0. SkN/澎，灰荷载在水平投影面，距高炉中心SOm内取1. 0 kN/m2，距高炉中心50一100 m时取0. 5kN/耐，走道板活荷载取2. OkN/耐。基本风压0. 4kN/耐，吊车荷载直接输人吊车样本，由程序导人。

2.2主要材料

由于Q345钢市场价格与Q235钢相差不大，Q345钢不仅强度高，同时又具有良好的可焊性及可加工性等工艺性能，所以本工程排架及吊车梁均采用Q345 B钢材。

2.3主要结构布置

本工程排架柱为单阶柱，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，如果采用实腹一「字型截面柱，则柱截面会很大，不经济，该工程中下柱采用格构式钢管混凝土柱设计方案。充分利用了钢管和混凝土两种材料的力学性能，减少了柱子截面尺寸，且外形美观。肩梁采用单腹壁肩梁。

2.4吊车梁和吊车制动系统

该厂房共两跨，每跨内均有两台350t的重级工作制（A7）软钩吊车，吊车跨度为18m，吊车梁跨度有21， 24，27m等多种，由于吊车梁承受荷载很重，吊车梁截面较大，有两种方案可供选择：第一种是采用传统的工字形钢吊车梁；第二种方案是采用箱形截面梁。采用箱形截面梁，可以降低梁的高度，但是耗钢量大，焊接困难，施工麻烦，因此选用了第一种方案，即采用焊接工字形钢吊车梁，跨度大的吊车梁端头采用直角突变式变截面梁。

由于吊车吨位较大，吊车梁的翼缘板厚度较厚。对于厚板，不仅要求沿宽度和长度方向有一定的力学性能，而且要求厚度方向具有良好的抗层撕裂性能。因此设计时规定，对于厚度）40 mm的钢板，厚度方向抗层状撕裂性能应符合《厚度方向性能钢板》（ GB5313-85）中Z15向性能级别要求、钢板正火供货和碳含量的要求。并要求钢板逐张超声波检查，检验方法按《厚钢板超声波检验方法》（ GB/T2970-2004 ） ，其检验等级为2级。制动板采用t=6mm的花纹钢板，吊车为重级工作制或起重量Q > 200t的中级工作制时，焊接吊车梁上翼缘与制动板的连接通常采用高强螺栓。这种做法施工难度大，而且造价较高。本设计采用永久螺栓加焊接的连接方式，这种连接方式经试验验证，受力性能良好，并通过多项工程实践检验表明能够满足设计要求。制动板与辅助析架上弦的连接，采用焊缝连接。

2.5柱子系统设计

排架柱以边柱为例，如图1所示。

钢柱为单阶柱。上柱采用实腹式柱，下柱采用格构式钢管混凝土柱。钢管材料选用Q345 B钢，管内用C45混凝土填充，缀条采用空心钢管。浇灌混凝土的孔开在肩梁以下，孔径约200mm，可在工厂开孔，但不宜将孔板割掉，以免杂物掉进管内.待管内混凝土被振捣密实并达设计强度的50%以后，方可焊接孔板。钢管中混凝土应采用压力灌浆法浇筑，为使管内混凝土密实，在肩梁上翼缘板各开有直径为30mm的泄气孔，灌浆时应振捣密实，直到泄气孔冒浆为止。

2.6柱间支撑设计

为保证厂房的纵向刚度和空间刚度，承受山墙风力、吊车纵向刹车荷载、温度应力和地震作用，沿厂房纵向设置上、下柱间支撑。下柱柱间支撑设两道，原则上应该布置在温度区段中间三分之一处，但是工艺要求，有些位置不能布置柱间支撑，将其位置做适当的调整以满足工艺要求。上柱支撑设四道，上柱支撑除在设有下柱支撑的柱间布置外，在温度区段的两端另设两道本工程的上、下段柱间支撑均设置为双片支撑。

2.7厂房的纵向刚度计算

重级工作制厂房的纵向刚度需经计算确定，即由一台起重量最大的吊车产生的纵向水平荷载标准值（不考虑动力系数）引起柱在吊车梁上翼缘顶面标高处的纵向位移值，不得超过H/4000 （ H为柱脚底面到吊车梁上翼缘顶面的距离）。计算柱纵向位移时，通常采用以下假定：1）仅考虑柱间支撑或其它纵向框架的刚度，而忽略柱刚度的影响，同时假定支撑与柱的连接节点为铰接。2）计算十字交叉支撑时，一般仅考虑拉杆工作。 3）当纵向水平构件如吊车梁、辅助析架等截面较大时，可忽略其轴向变形影响。 4）吊车纵向水平力T。由温度区段内所有柱间支撑共同承担。

2.8厂房的温度应力计算

该厂房的纵向总长度为489 m，分为长度为258和228m的两个温度区段。中间设置温度缝，温度缝采用双柱处理方案，双柱间距为3m。两个温度区段的长度均超过规范规定的长度，而且下柱设置了两道支撑，因此需进行温度应力计算。

2.9基础设计

该工程所在场地基本上为浅埋中风化岩层，局部有新近填土，但深度不超过13m。泥岩的变形模量为1286.8 MPa，承载力特征值为1890kPa。砂岩的变形模量为3352. 9MPa，承载力特征值为6825 kPa。基础采用桩基础和独立基础两种方式，有回填土部分基础采用桩基础，其他部分采用柱下独立基础。由于该项目所在位置工程地质条件良好，两种基础虽然形式不同，但是采用相同的持力层，均为质地坚硬的岩石，压缩变形量很小，因此不会产生不均匀沉降，能够满足设计要求。柱脚为插人式柱脚，构造简单、节约钢材、安全可靠。

3.结语

该工程设计主要有以下几个特点：1）采用传统的实腹式吊车梁，避免了箱形梁施工工艺的麻烦；2）排架柱下柱采用钢管混凝土，充分利用钢材和混凝土的材料性能，有效的减少了钢材用量；3）温度区段的长度超过规范要求，需经过计算验证其变形量和温度应力的大小。该厂房由于其吊车吨位大，用钢量较大，因此结构的布置和选型的合理与否直接影响到造价的高低，同时还要兼顾生产工艺的布置和实际施工的方便性等综合考虑。本文通过对该设计的介绍，为以后类似工程的设计提供了一定的参考。