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重型吊车门式刚架钢结构厂房设计

发表时间：2020/11/2 来源：《基层建设》2020年第21期作者：艾洁1 朱裕2

[导读] 摘要：本研究选择单跨36米跨度并且可以装在50/20t重型吊车门式刚架钢结构厂房设计为研究案例，首先阐述了该厂房的设计思路跟结构组成，在参考国内外相关工程经验的基础上，借由有限元软件来设计跟校核该结构厂房。

        1广西华锐钢铁工程设计咨询有限责任公司；2柳州职业技术学院
        摘要：本研究选择单跨36米跨度并且可以装在50/20t重型吊车门式刚架钢结构厂房设计为研究案例，首先阐述了该厂房的设计思路跟结构组成，在参考国内外相关工程经验的基础上，借由有限元软件来设计跟校核该结构厂房。该厂房结构主要由由格构柱、变截面钢梁、轻型屋面跟墙面围护结构部分组成，本研究可以为类似研究提供一定的参考跟借鉴。
        关键词：重型吊车；门式刚架；钢结构
        自改革开放后，我国经济飞速发展，建筑行业也迎来了发展的黄金时期，门式刚架轻型刚结构也成为了一种十分受欢迎且应用非常广泛的建筑材料结构，其具有绿色无污染、造价成本低、使用钢材少、普适性较强等诸多优点。2002年，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（后续简称为《门规》）的实施，为轻钢工程设计技术人员在轻钢结构的使用方面，提供了强力的参考跟科学的依据，这极大地促进了轻钢结构的发展。《门规》的出现为让单跨实腹式刚架、多跨实腹式刚架、悬挂式起重机、吨位小于30吨的吊车单层房屋结构的设计跟安装变得更加科学合理，规范有序，大大推动了轻钢结构的应用发展。
        然而，在一些特定的工程项目中，有可能存在超过30吨限值的大吨位吊车以及轻型围护系统的钢结构厂房的设计，在设计该工程时，设计人员经常面临无规可依的窘境，无奈之下只能使用低吨位吊车跟普通的钢结构设计规范来作为设计跟计算的基础跟参考依据，进而引发了钢材用量超标或者钢结构安全性能无法满足相关规范的问题。因此，探讨怎样开展重型吊车门式刚架钢结构厂房设计工作是很有必要且意义重大的。接下来，笔者将选择具体工程实例为研究对象，来展开相应的探讨。
        1.工程概况
        柳钢某设备厂房，设备库长度共计72米，柱距间隔为9米，单跨跨度36米，设有一50/50t吊车，跨度31.5米，轨顶标高8.010米，结构选型为钢排架结构。该工程用到了格构柱+变截面H型钢梁，用轻型H型檩条作为屋面檩条，墙梁选择冷弯薄壁C型刚；选择压型钢板来作为围护结构设计的主材料。图1是改工程建筑的剖面图。

        图1 建筑剖面图
        2.设计要求
        《门规》并不适用于这种50t吊车门式的刚架结构厂房的设计，在设计其中的主刚架跟吊车梁需要以《钢结构设计规范》（后续简称《钢规》）作为参考依据，精细地控制好吊车梁的形变程度，防止主钢架柱的侧向偏移量过多，至于刚架梁跟围护结构依旧能够以《门规》为设计指导依据。
        （1）参考《钢规》跟《门规》来确定主刚架梁的挠度限值，其限度等于其跨度值的1/400，主刚架柱侧移偏移量最大值也等于其跨度值的1/400。当吊车吨位等于或者大于50t时，确定其竖向挠度跟水平挠度的限值，前者即其跨度的1/750，后者为其跨度的1/2200。当吊车吨位小于50t时，其跨度的1/600便是其竖向挠度的限值。
        （2）考虑到该工程中的吊车吨位相对较大，其在水平方向的惯性也比较大，因此其刹车压力是比较大的，这就要求刚架有相对较高的水平侧移刚度，参考借鉴其他的类似工程且经过专家探讨后，认为△/hT要比1/750更小，这样比较合理。
        （3）为了提升厂房结构的整体刚度，需要用到刚接柱脚。在具体的设计过程中，要确保厂房构造的柱脚底可以承受住一定的水平剪力跟弯曲应力，尽量不要让应力区在基地位置出现，因此选择插入式杯口基础最为合适。
        （4）以《门规》为指导依据来设计围护结构，檩条挠度小于等于1/150，墙梁挠度小于等于1/100，其他受压杆长细比小于等于180，吊车梁下面的柱间支撑长细长小于等于300。
        3.结构设计方案
        （1）确定主刚架柱各组成部分的造型结构，其下柱选择格构式钢柱，上柱选择热轧H型钢实腹式柱，两肢之间使用钢缀条互相联结；梁构造焊接成H型实腹式变截面梁，梁上面的多个分段节点通过螺栓连接，为保证柱脚的刚性，基础选择选择插入式杯口基础。
        （2）吊车梁参考《钢吊车梁》，选择其中符合相应设计要求的对应吊车梁。
        （3）以H型檩条作为屋面檩条，墙梁材料选择冷弯薄壁C型刚。
        （4）屋面支撑选择轻钢型柔性拉杆加刚性系，为了减轻大吨位吊车的纵向刹车压力，吊车梁下的柱间支撑体系选择双片支撑体系，提升吊车的抗形变能力。
        4.主刚架结构分析
        4.1 计算模型
        选择PKPM结构设计软件来构建模型，计算主刚架结构的内力，对其进行相应分析。
        4.2计算取值
        （1）计算参数：主刚架跟吊车梁一直选择Q345，弹性模量E=206x103MPa，泊松比μ＝0．3，抗拉强度f＝315MPa，抗剪强度fv＝185MPa；连接采用10．9级M24摩擦型高强螺栓。
        （2）荷载取值：荷载具体取值整理成喜爱表1，涉及吊车性能的各种参数详见下表1跟表2。
        表1 荷载标准值        KN/mm2

表2 吊车主要性能参数

        注：（1）吊车工作制：中级；（2）吊车每侧轮数：2个
        （3）计算工况及结果
        经过计算发现，刚架的应力、挠度限值、侧移位移量以及刚架柱的稳定性等参数全部符合我国相关建筑规范内既定的设计要求。
        5.典型节点构造
        5.1柱脚设计
        柱脚的格构柱分肢直接插入混凝土杯口基础，然后对混凝土进行再次浇灌，来提升柱脚的稳定性。这样的柱脚构造安稳性能较好且所用钢材不多，设计也较为简易，其使用效果非常不错。需要提到的是，由于该工程厂房跨度较大，容易导致柱脚跟混凝土杯口接触的部位产生较大的拉应力，因此，在设计基础时基础顶部同样也要根据计算结果来埋入钢筋。
        5.2肩梁跟柱梁连接节点设计
        因为肩梁高度跟下柱截止面高的比值取值范围已经确定，位于0.4-0.6的区间内，本设计选择该区间的中间点，取值0.5；吊车肢侧的肩梁腹板加强方式采用直接贴板加厚的方式，该方式操作简易，施工流程比较简单。
        6.结语
        本研究选取综采设备库厂房设计为研究对象，主要对重型吊车门式刚架钢的结构形式、平面设计、模型计算等内容进行了论述，希望可以为其他类似的建筑设计提供一定的参考。笔者认为在重型吊车门式刚架钢结构厂房设计中，有以下几个要点需要着重注意：（1）在设计过程中，需要整体考虑结构受力情况、制作情况跟安装难度，选择综合性最强的方案，即当材料用量相差无几的情况下，要优先选择制作流程简单，结构简单的截面形式；（2）高度重视整体结构的稳固性，控制好结构的位移；（3）钢结构设计标准必须严格遵循相关的设计规范，不得随意变动；（4）重型钢结构厂房设计使用大柱距最为适宜，具体可以考虑9米或者12米，如此能够节约钢材用量。
        参考文献：
        ［1］包头钢铁设计研究院．钢结构设计与计算［M］．北京：机械工业出版社，2014．
        ［2］钢结构设计手册（上、下册）［M］．北京：中国建筑工业出版社，2013．