钢铁工厂钢结构厂房的优化设计
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地把科学发展观贯穿经济社会发展的全过程， 为加 快建设节约型社会作出应有的贡献。 根据国家建设节约型社会的要求， 最近我们设 计了天津钢铁有限公司$# 炼 " " & & 中厚板材工程、 钢连铸新增钢包中间罐车间工程的钢结构厂房， 对 这两个工程的厂房钢柱、 吊车梁、 屋面、 托架、 墙架系 统的优化设计， 通过精心的计算、 精心设计、 优化结 构体系、 合理选材， 达到了节省钢材的目的， 收到了 良好的经济效益和社会效益。 @ 天津钢铁有限公司AB ? ? C C 中厚板材工程钢结 构优化设计 天津钢铁有限公司 $# " " & & 中厚板材工程位 于天津市东丽区李庄乡， 厂区南濒临海河； 北面靠津 塘公路； 西临天津钢管公司。设计生产规模为年产
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第一组屋架 （或板梁） 跨度为% 间距! 第二组 + ’， & ’； 为屋架 （或板梁） 跨度为 % 间距 ! 。根据计 , ’， & ’） 算， 屋架方案比板梁方案至少节省! ／ # ) ’ 钢材 "
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屋架系统采用有檩体系的轻屋盖， 这种结构形 式， 具有结构简单， 受力明确， 自重轻， 施工快， 外观 简捷， 寿命长等特点。屋面梁采用屋架方案； 本工程 中柱距为 ! 、 、 、 、 除! 、 " ! 0 ! & ! . " ! ’， . " ! ’ 中间另设 托架、 屋架外， 其余均按大檩条设计。在檩条系统 中， 以往是按照简支梁设计的， 在本次设计中， 我们 考虑了屋架下弦支杆 （即隅撑） 对檩条的支撑作用， 将檩条按三跨连续梁设计 （但是要注意， 在边跨及变 形缝处的檩条， 由于最边跨隅撑只能当作屋架下弦 支点， 不能当作檩条支点， 所以此处檩条只能当二跨 连续梁计算） 。计算模型见图" 。
在檩条系统中以往是按照简支梁设计的在本次设计中我们考虑了屋架下弦支杆即隅撑对檩条的支撑作用将檩条按三跨连续梁设计但是要注意在边跨及变形缝处的檩条由于最边跨隅撑只能当作屋架下弦支点不能当作檩条支点所以此处檩条只能当二跨连续梁计算
钢铁工厂钢结构厂房的优化设计
段新华 张 旻 李 勇 张立明!
杭州 $ ） ! % " " " （中冶京诚工程技术有限公司 摘 北京 ! ） （浙江中房建筑设计研究院 " " " # $
人类社会的可持续发展， 让我们行动起来， 坚定自觉 ? 前 言 最近， 国务院发出 《关于做好建设节约型社会近 期重点工作的通知》 。 “通知” 从节能、 节水、 节材、 节 地和资源综合利用五个方面提出了今明两年建设节 约型社会的重点工作， 并提出了加快节约资源的体 制和法制建设七个方面的措施。 我国是一个人口众多、 资源相对不足、 生态先天 脆弱的发展中国家。随着经济快速增长和人口不断 增加， 努力缓解资源不足的矛盾， 不断改善生态环 境， 实现可持续发展， 已经成为十分紧迫的任务。 经济增长在相当程度上仍然是主要依赖ห้องสมุดไป่ตู้源的 高投入来实现的， 能源、 淡水、 土地、 矿产等资源不足 的矛盾越来越突出。 地球只有一个， 资源极其宝贵。未来 ! 我 # 年， 国仍将处在工业化和城镇化快速发展的阶段， 国民 经济的快速发展将进一步增大资源消耗的强度。我 们面临人口不断增加、 资源约束突出、 环境压力加大 的严峻挑战。为了加快我国现代化建设、 实现全国 建设小康社会的宏伟目标， 为了子孙后代的福祉和 万方数据 ， ，
通过优 化 设 计， 整个车间比初步设计节省了
! "大柱侧墙皮柱； # "中间跨墙皮柱 图$ 墙架柱系统设计
* ( 6左右钢材。 ! 钢结构优化设计 天津钢铁有限公司炼钢连铸车间续建工程新增 钢包 中 间 罐 修 砌 车 间 长 * 宽. 为双$ 5 5 1， ’ 1， 2 1 跨， 柱距* ， 一跨为两台 ／ 吊车， 另一跨为一 ’ 1 (’ ( 3 台／ ， 一台* ／ 轨面标高 * ( ’ ( 3 ( ( ’ ( 3 吊 车， + , ( ( ( 1 （见图5 ） 。
表! 两组屋架比较
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力； 下端通过长圆孔和基础支座连接， 这样既可以适 用水沟竖向变形的需要， 又可以减少墙架柱计算长 度， 使墙架柱断面更经济； 并且墙架柱悬挂在辅助桁 架上， 下端只传水平力给基础， 所以不必考虑不同基 础形式引起的不均匀沉降的影响。 %& # # ’ ’ 中厚 板材工程墙架柱基础采用了作用在天然地基上的基 础， 而没采用厂房大柱的作用在桩基上的基础形式， 这样就减小了基础尺寸和桩的数量， 降低了基础造 价。 在墙架系统设计中， 我们根据工程情况进行了 分类： 外墙皮中， 在墙架柱和厂房大柱之间， 高度方 向间隔大约 % 这样在水平风荷 ’ 设一道水平压杆， 载作用下， 墙架柱计算模型就由中部的两跨连续梁 （每跨约为! 转变为间距为 % # ’） ’ 的多跨连续梁， 柱截面也由 7 （ ／ 减小到 * % & # 8! / &8/8! ! & # ) ’） 工字钢! （ ／ 。详见图% 。 , " # ( & ) ’） 在整个厂房的主轧跨两侧、 机修间按工艺要求 设置了内墙皮。在内墙皮中， 考虑到墙架柱不受水 平风荷载， 只是单向压弯构件， 采用了和外墙不同的 柱断面； 并且在内墙皮和厂房大柱之间， 不再另设墙 架柱， 墙皮檩条直接连接到厂房大柱上。
／ 。同简支梁比较， 厂房用钢量重量节省约 & # ) ’） "。 ／ . ( & ) ’ ! " # 墙架系统 墙架系统为全钢结构的独立体系， 墙架柱采用 悬挂结构体系。这样可以使墙架柱部分或全部为拉 弯构件， 受力情况有所改善。墙架柱悬挂在吊车梁 辅助桁架上， 上端与天沟以弹簧板相连来传递水平
量， 所以在%& # # ’ ’ 中厚板材工程我们采用了屋架 方案。比较结果见表! 。
炼钢连铸新增钢包中间罐车间工程的钢结构厂 要： 结合天津钢铁有限公司$# " " & & 中厚板材工程、
房设计， 提出了厂房钢柱、 吊车梁、 屋面、 托架、 墙架系统的优化设计， 通过精心的计算、 精心设计、 优化结构体 系、 合理选材， 达到了节省钢材的目的， 收到了良好的经济效益和社会效益。 关键词： 节约型社会 厂房设计 优化钢结构 节省钢材
在天津钢铁有限公司 %& # # ’ ’ 中厚板材工程 开展施工图之前， 我们首先针对工程情况， 结合以前 所作轧钢厂房， 对各种可行的结构方案进行了详细 的比较、 讨论， 进行了优化设计。 ! " ! 屋面系统 在施工图设计前， 我们对屋架方案和实腹板梁 方案进行了比较， （比较时， 荷载取理想情况： 恒荷载
表! 厂房墙架柱对照
靠近厂房大柱墙皮柱 内墙墙架柱 外墙墙架柱 直接连到厂房大柱 工字钢* （ ／ 2 ’ ( , + / 1） 0 中间墙皮柱 （ ／ % & ’ ( ( ) * ( ( ) + , + ) ’ * , . / 1） 0 （ ／ % & $ + ( ) * . + ) . ) * * + ( / 1 0 ）
1 2连续檩条； 3 2简支檩条 ! 2边跨檩条； " 2中间跨檩条 图" 檩条计算模型
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万方数据
工业建筑 " # # ,年第% ,卷增刊
表" 天津中厚板各项经济指标
项目 主车间厂房钢柱 主车间厂房吊车梁 主车间厂房屋面 主车间厂房墙皮 总计 详图吨数 ／ 3 +( 4 2. ’ 2 ++ ( * 4 4 . * -$ ’ ’ 初步设计吨数 ／ 3 ++ 4 * .5 4 ( 2* + ( *’ 5 ’ ’ (5 . $
最终， 天津中厚板各项经济指标优化前后对比 如表$ 。
图5 新增钢包中间罐修砌车间
厂房柱采用 % 型钢柱， 下柱为 % 型钢双肢柱， 两柱肢间用 7 型钢缀条相 连， 以减少各肢计算长 度。上柱为焊接 % 型柱， 柱脚为刚接采用杯口插入 式连接。柱头与屋架铰接， 厂房纵向在中间 * ／ $处 设置两道柱间支撑， 另外在两端头各设置一道上柱 支撑。 最大吊车为 * ／ 由于厂房轨面标高 * + , ( ( ( 1， ( ( ， 上柱长度不长， 厂房总高度约 ’ ’ ( 3 ’ 1。经过计算 比较发现柱子断面由强度控制， 挠度不起控制作用， 所以如果采用 8 会加大耗钢量。如果材料 ’ $ + 钢， 采用 8 则可以把应力用足， 同时可以保证柱 $ 5 +钢， 的变形不超限。虽然 8 $ 5 + 钢比 8 ’ $ + 钢单价高约 可是强度提高 5 综合考虑， 故凡强度控制 2 6， ( 6， 的构件如柱子等采用 8 ， 吊车梁采用 8 $ 5 + 9 $ 5 + :。 一般由挠度或构造确定的构件如屋面檩条、 柱间支 撑、 墙皮柱等采用 8 ’ $ + 9 钢。 吊车梁采用焊接工字型实腹式， 吊车梁与水平 制动梁， 垂直辅助桁架及下部水平支撑形成稳定的 万方数据 钢铁工厂钢结构厂房的优化设计— — —段新华， 等
工业建筑 U " " X年第$ X卷增刊 $ $ #
。天津钢铁有限公司 %& ! " #万$ # # ’ ’ 中板车间主 要由板坯库、 上料跨、 加热炉跨、 主轧跨、 剪切跨、 冷
床跨、 成品库、 主电机跨、 轧辊间、 高压水除鳞泵站等 部分组成。地面以上为钢结构 （剖面图见图! ） 。
图! 天津中厚板厂房剖面
!张立明系本文第二作者。 第一作者： 段新华 男 ! R S T年!月出生 收稿日期： U " " # V ! ! V U " 工程师
地把科学发展观贯穿经济社会发展的全过程， 为加 快建设节约型社会作出应有的贡献。 根据国家建设节约型社会的要求， 最近我们设 计了天津钢铁有限公司$# 炼 " " & & 中厚板材工程、 钢连铸新增钢包中间罐车间工程的钢结构厂房， 对 这两个工程的厂房钢柱、 吊车梁、 屋面、 托架、 墙架系 统的优化设计， 通过精心的计算、 精心设计、 优化结 构体系、 合理选材， 达到了节省钢材的目的， 收到了 良好的经济效益和社会效益。 @ 天津钢铁有限公司AB ? ? C C 中厚板材工程钢结 构优化设计 天津钢铁有限公司 $# " " & & 中厚板材工程位 于天津市东丽区李庄乡， 厂区南濒临海河； 北面靠津 塘公路； 西临天津钢管公司。设计生产规模为年产
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通过优 化 设 计， 整个车间比初步设计节省了
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* ( 6左右钢材。 ! 钢结构优化设计 天津钢铁有限公司炼钢连铸车间续建工程新增 钢包 中 间 罐 修 砌 车 间 长 * 宽. 为双$ 5 5 1， ’ 1， 2 1 跨， 柱距* ， 一跨为两台 ／ 吊车， 另一跨为一 ’ 1 (’ ( 3 台／ ， 一台* ／ 轨面标高 * ( ’ ( 3 ( ( ’ ( 3 吊 车， + , ( ( ( 1 （见图5 ） 。
表! 两组屋架比较
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力； 下端通过长圆孔和基础支座连接， 这样既可以适 用水沟竖向变形的需要， 又可以减少墙架柱计算长 度， 使墙架柱断面更经济； 并且墙架柱悬挂在辅助桁 架上， 下端只传水平力给基础， 所以不必考虑不同基 础形式引起的不均匀沉降的影响。 %& # # ’ ’ 中厚 板材工程墙架柱基础采用了作用在天然地基上的基 础， 而没采用厂房大柱的作用在桩基上的基础形式， 这样就减小了基础尺寸和桩的数量， 降低了基础造 价。 在墙架系统设计中， 我们根据工程情况进行了 分类： 外墙皮中， 在墙架柱和厂房大柱之间， 高度方 向间隔大约 % 这样在水平风荷 ’ 设一道水平压杆， 载作用下， 墙架柱计算模型就由中部的两跨连续梁 （每跨约为! 转变为间距为 % # ’） ’ 的多跨连续梁， 柱截面也由 7 （ ／ 减小到 * % & # 8! / &8/8! ! & # ) ’） 工字钢! （ ／ 。详见图% 。 , " # ( & ) ’） 在整个厂房的主轧跨两侧、 机修间按工艺要求 设置了内墙皮。在内墙皮中， 考虑到墙架柱不受水 平风荷载， 只是单向压弯构件， 采用了和外墙不同的 柱断面； 并且在内墙皮和厂房大柱之间， 不再另设墙 架柱， 墙皮檩条直接连接到厂房大柱上。
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在天津钢铁有限公司 %& # # ’ ’ 中厚板材工程 开展施工图之前， 我们首先针对工程情况， 结合以前 所作轧钢厂房， 对各种可行的结构方案进行了详细 的比较、 讨论， 进行了优化设计。 ! " ! 屋面系统 在施工图设计前， 我们对屋架方案和实腹板梁 方案进行了比较， （比较时， 荷载取理想情况： 恒荷载
表! 厂房墙架柱对照
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表" 天津中厚板各项经济指标
项目 主车间厂房钢柱 主车间厂房吊车梁 主车间厂房屋面 主车间厂房墙皮 总计 详图吨数 ／ 3 +( 4 2. ’ 2 ++ ( * 4 4 . * -$ ’ ’ 初步设计吨数 ／ 3 ++ 4 * .5 4 ( 2* + ( *’ 5 ’ ’ (5 . $
最终， 天津中厚板各项经济指标优化前后对比 如表$ 。
图5 新增钢包中间罐修砌车间
厂房柱采用 % 型钢柱， 下柱为 % 型钢双肢柱， 两柱肢间用 7 型钢缀条相 连， 以减少各肢计算长 度。上柱为焊接 % 型柱， 柱脚为刚接采用杯口插入 式连接。柱头与屋架铰接， 厂房纵向在中间 * ／ $处 设置两道柱间支撑， 另外在两端头各设置一道上柱 支撑。 最大吊车为 * ／ 由于厂房轨面标高 * + , ( ( ( 1， ( ( ， 上柱长度不长， 厂房总高度约 ’ ’ ( 3 ’ 1。经过计算 比较发现柱子断面由强度控制， 挠度不起控制作用， 所以如果采用 8 会加大耗钢量。如果材料 ’ $ + 钢， 采用 8 则可以把应力用足， 同时可以保证柱 $ 5 +钢， 的变形不超限。虽然 8 $ 5 + 钢比 8 ’ $ + 钢单价高约 可是强度提高 5 综合考虑， 故凡强度控制 2 6， ( 6， 的构件如柱子等采用 8 ， 吊车梁采用 8 $ 5 + 9 $ 5 + :。 一般由挠度或构造确定的构件如屋面檩条、 柱间支 撑、 墙皮柱等采用 8 ’ $ + 9 钢。 吊车梁采用焊接工字型实腹式， 吊车梁与水平 制动梁， 垂直辅助桁架及下部水平支撑形成稳定的 万方数据 钢铁工厂钢结构厂房的优化设计— — —段新华， 等
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图! 天津中厚板厂房剖面