带有大吨位吊车的重型钢结构工业厂房设计

带有大吨位吊车的重型钢结构工业厂房设计
摘要：随着中国经济的腾飞，中小企业的壮大，对大吨位吊车重型钢结构厂房的需求日益增长。

本文结合具体工程介绍了大吨位吊车钢结构工业厂房的结构选型，格构柱设计，吊车梁制动系统设计。

关键词：大吨位，吊车，钢结构，工业厂房
1 引言
20世纪90年代以前，我国国内绝大多数单层工业厂房钢结构都采用大型预制钢筋混凝土屋面板，墙体材料也基本上是混凝土板，围护结构本身很重，承重结构构件非常粗大。

之后，随着单层钢结构工业厂房体系的迅速发展，许多厂房建筑都采用了变截面H形焊接构件组成的门式刚架。

重型工业厂房钢结构一般由檩条、天窗架、屋架、托架、柱、吊车梁或制动桁架、各种支撑及墙架构件等组成[1]。

2 工程概况
湖北某机床生产厂房，生产大型机床，建筑面积5218m2，由主跨和辅跨组成。

檐口标高14.1m，主跨跨度28.2m，牛腿标高9.3m，设有三台吊车，其中起重量100t一台，工作制为A3，25t两台，工作制为A5。

辅跨跨度24.2m，檐口标高11.1m，牛腿标高6.8m，设有两台其中起重量25吨的吊车，工作制为A5。

按工艺要求，柱距设为7m。

受地形所限，平面呈L形，纵向主跨较长，辅跨较短，形成了l0榀两跨不等高排架和7榀单跨排架。

按7度抗震设防，地基情况琵好，采用柱下独立基础。

平面、剖面布置如图1、2所示。

图1 钢架平面图
图2 钢架剖面布置图
3 结构选型
按照传统的设计方法，重型、中型厂房结构形式可选钢筋混凝土排架或钢排架。

由于工艺要求，柱距7m最适合布置工位和设备。

如采用非标柱距的钢筋混凝土排架结构，会造成很大的设计工作量，而且施工周期长，是建设方所不能承受的。

钢结构易于加工，适合非标柱距的厂房。

如采用钢屋架(屋面梁)、钢柱分离的排架结构，用钢量会很大，而且整体性不好。

在方案讨论过程中，提出过12m柱距的想法，和工艺布置也能较好的吻合。

12m柱距的优势在于减少了刚架数量和基础数量，加工量减少，施工速度加快。

但本工程吊车吨位大，加大柱距造成柱子断面和用料的加大，吊车梁加大。

12m跨度的檩条已经不能采用C型
冷弯型钢，而要采用H型钢，增大了维护结构的用钢量。

经过比较试算，12m 柱距比7m柱距的用钢量增大15％左右(含维护结构)。

所以，大吨位吊车的工业厂房，柱距过大过小都会造成用钢量的增大，结合有关资料和以往的设计经验，柱距以7～9m为宜。

另外，过大的柱距会使抗侧力单元减少，对厂房的整体有一定的影响，也是设计中应该考虑的[2,3]。

刚接排架的设想也在方案讨论过程中出现过。

排架结构的计算假设之一是横梁的刚度为无限大。

为符合这一假定，又要达到屋面坡度的要求，屋面结构势必要做成钢屋架，如用水平的屋面梁则要另想办法找坡。

都带来增加用钢量的结果。

采用门式刚架梁的形状可解决屋面找坡的问题，又有诸多其他优势，因此最终确定结构形式为排架式与门式刚架相结合的方案。

4 格构柱的设计
重钢厂房下柱截面高度大于1000mm时，宜采用格构式。

上柱一般为实腹柱，所需截面高度较大时也可采用格构柱。

格构柱用较少的钢材达到较大的截面惯性矩，如本例中边柱采用格构柱，相同的截面惯性矩的实腹柱，用钢量要多出43％，因此，格构柱可以大幅度降低用钢量。

格构柱和实腹柱在受力上的一个重大区别就是，格构柱的两个肢分为屋盖肢和吊车肢，在竖向荷载下两肢分别独自受力。

屋盖肢承受风荷载、由上柱传来的屋盖荷载和吊车水平荷载，当计算其平面内稳定时，不考虑吊车肢的作用。

边柱的吊车肢仅承受吊车的竖向荷载。

标准的中列柱的两个肢均为吊车肢，此时，吊车肢还要通过肩梁承受上柱传来的荷载，而两跨的吊车荷载则分别各自承担。

下柱和上柱交接处，应设置肩梁来传递上柱的内力，并兼做吊车梁支座。

要求肩梁必须有足够的刚度和强度，以保证柱子的整体工作。

肩梁构造形式分单臂式和双臂式。

单臂式肩梁制作和装配简单方便，用料少，因此得到普遍应用。

双臂式肩粱为箱形截面，的上下左右均有盖板封闭，必须考虑必要的箱内施焊空间和开设通风洞口，施工困难，用料多，只有当单臂式肩梁强度不满足要求时，才考虑用双臂式。

吊车梁通过肩梁，将吊车荷载传递给格构柱，为减小肩梁和下柱的偏心弯矩，重型厂房中，一般将吊车梁中心线对准格构下柱的吊车肢形心。

5 吊车梁制动系统设计
吊车梁(吊车桁架)是单层工业厂房的主要构件之一，它直接承受吊车起重、运输时产生的各种移动荷载。

同时，它又是厂房的纵向构件，对于产地作用在山墙上的风力、加强厂房的纵向刚度、连接平面刚架、保证厂房结构的空间工作起着重要作用。

吊车梁或吊车桁架多数设计成简支结构，因简支结构具有传力明确、构造简单、施工方便等优点。

连续结构比简支结构虽然能节约钢材10％-15％左右，但因计算、构造、施工等远较简支结构复杂，且对支座不均匀沉陷敏感，应谨慎选用。

当吊车梁支座的弹性沉降系数C≤0.05时，可采用连续结构，但应注意连跨
数数目不能太多，以三到五跨为宜。

连跨数目太多，吊车梁在焊接、使用过程中纵向的伸缩对刚架会产生额外的平面外应力，不利房屋的整体安全[4]。

吊车粱也可以设计成桁架结构。

吊车桁架为带有组合型钢或焊接工字形劲性上弦的空腹式结构，其用钢量较实腹式结构少15％～30％，但制作费时费工，且连接节点处对材料疲劳较敏感，一般适用于跨度L≥igm，以及起重量Q≤75t 的轻、中级工作制过小吨位软钩重级工作制的吊车结构。

硬钩吊车以及类似的吊车不宜采用吊车桁架。

经过综合比较本工程吊车梁选用桁架结构。

6 结语
土木工程行业需要能降低造价、提高结构安全、简化施工工艺，或三者兼而有之的结构形式，排架结构和门式刚架结构相结合的设计方法，正是在这一指导思想下提出的。

这种方法突破了排架结构用于重钢厂房，门刚结构用于轻钢厂房的限制。

按这种方法设计的大吨位重型钢结构厂房具有经济效果好，施工工艺简单，工期缩短的优点。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。