60m跨钢结构厂房结构设计

Industrial Construction Vol 138,Supplement ,2008
工业建筑　2008年第38卷增刊
60m 跨钢结构厂房结构设计3
刘　辰　张作运
(中国中元国际工程公司　北京　100089)
摘　要:介绍了60m 跨度工业厂房的结构选型和设计,对屋盖结构形式的选择作了多方案的对比分析,着重介绍了网架选型、温度应力的处理、支座设计以及悬挂轨道节点的处理,供设计参考。

关键词:网架　悬挂吊车　滑动支座
STRUCTURAL DESIGN OF FACT OR Y BUI LDING WITH SPAN OF 60M
Liu Chen Zhang Zuoyun
(China IPPR International Corporation Beijing 100089)
Abstract :It is summarized the structural design of factory building with span of 60m .Several different schemes of the roof structure are also compared.The model of space truss ,treatment of temperature stress ,support design and suspended railway joint are especially discussed .It can be referred to design of similar structures.
K eyw ords :space truss slung crane glide support
1　工程概况
恩德(东营)风电设备有限公司生产车间工程,
由德国恩德(Nordex )能源集团公司投资建造,建设地点位于山东省东营市开发区。

工程建成后主要用于风力发电机巨型叶片的生产。

工程总规划25000m 2,本次建设为一期工程,包括主生产车间、贴建毗屋以及办公楼三部分,一期总建筑面积12000m 2。

主车间平面尺寸140m ×60m ,跨度60m 。

车间内设置四台24m 跨三轨悬挂吊车,两两并排设置。

工程鸟瞰图以及厂房剖面图见图1和图2。

图1　
工程鸟瞰
图2　厂房剖面图
3本项目获第五届中国建筑学会优秀建筑结构设计奖二等奖。

第一作者:刘　辰　男　1979年7月出生　工程师收稿日期:2008-05-10
主车间钢柱纵向间距14m ,采用型钢格构柱。

贴建毗屋跨度20m ,门式轻钢结构,车间屋面采用三层焊接球网架结构。

办公楼为三层混凝土框架结构。

本工程投资方对工程造价以及工程工期要求都甚为严格,力求结构设计不拘于传统思路,有所突破和创新。

2　结构特点及主要设计要求
本工程结构有两大设计难点:一是结构跨度较大。

由于车间计划生产的风力发电机叶片单片长度在30m
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左右,根据流水作业的要求,60m跨度的中间不允许立柱。

二是荷载重、变形要求严格。

屋盖要悬挂四台起重量100kN,跨度24m的三轨吊车。

为保证吊车的正常运行,结构变形必须严格控制。

主要设计参数:生产车间、贴建毗屋以及办公楼结构安全等级为二级,设计使用年限50年。

场地地震基本烈度为7度(0.15g),设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅲ类,抗震设防分类丙类。

基本风压0.60kN/ m2,地面粗糙度A类,基本雪压0.3kN/m2。

结构主要设计荷载,除恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载和温度荷载等,屋盖悬挂4台起重量100kN 的吊车,悬挂荷载总重量约1000kN。

大跨度厂房的设计应首先满足功能要求,还应考虑与周边建筑环境的协调。

因此,满足使用及美观的要求、安全可靠、经济合理是结构设计的目标。

3　结构方案选型及优化调整
3.1　屋盖方案初选
根据本工程的要求和特点,在方案设计阶段,对比了网架、网壳、桁架和门式刚架等结构形式。

由于跨度大并且有悬挂吊车,门式刚架实现的可能性很小。

考虑到Nordex公司欧洲同类厂房使用桁架结构的较多,其优点在于平面传力,对下部结构要求较低,制作安装简单,视觉效果较好,结构形式简洁。

但桁架屋盖整体刚度较差,需要布置较多的支撑系统。

在相同荷载条件下,桁架结构为了保证足够的刚度将导致用钢量较高。

网壳结构刚度大、造型美观,由于其空间受力特性,传力直接,为三向受力、刚度大、抗震性能好、施工安装方便、产品生产标准化、质量和施工进度容易保证,而且便于吊挂吊车、采暖以及喷淋系统等管道。

通过各方面的分析比较,屋盖选定网架方案。

3.2　网架方案优化
网架结构通常分为螺栓球网架和焊接球网架两种。

螺栓球网架造价较低,产品配套齐全,施工安装速度快,精度易于控制,是首选的网架结构形式。

它的局限在于受螺栓大小的限制,杆件内力一般不能超过1000kN,仅适用于中小跨度结构。

焊接球网架虽然造价相对较高,但在整体刚度以及节点刚度均优于螺栓球网架,杆件内力峰值大幅提高,可用于大跨度结构,并能够承受较大的节点荷载,吊挂节点构造易处理。

根据本项目的跨度和悬挂情况,选用全焊接球节点网架。

本工程要求网架在活荷载和吊车荷载的共同作用下,挠度控制在1/1000以内。

而网架结构的刚度主要取决于网架厚度的大小,因此在设计过程中选取双层焊接球网架和三层焊接球网架在不同厚度的情况下进行试算对比,计算结果见表1。

表1　不同厚度下,双层焊接球网架和三层焊接球网架计算结果
网架形式网架厚度/m 最大杆件截面/
mm
最大球节点
直径/mm
活载+吊车下挠度
(要求小于1/1000)
网架用钢量/
(kg·m-2)
双层网架3219×149001/84560双层网架 3.5219×1410001/102056三层网架4219×128001/120155三层网架 4.5219×127001/136350
通过优化网架选型对比发现,在满足刚度的前提下,双层网架的厚度至少要达到3.5m,此时腹杆和弦杆的夹角达到了72°,从而导致焊接球直径达到1 m时才能够满足杆件焊接要求。

此时不仅增加了结构用钢量,而且提高了生产加工和施工安装的难度。

相比之下,三层网架增加了一层球节点和杆件,使腹杆和弦杆之间的夹角控制在50°～60°之间,有效降低了焊接球的直径。

三层焊接球网架的方案,不仅刚度能够满足设计要求,并且使得用钢量低于双层网架。

而且三层网架对吊车行驶影响、积雪效应以及风作用的不均匀敏感性要小于双层网架。

根据以上综合分析的结果,施工图设计时屋盖采用三层焊接球网架结构,网格大小为3.5m×4 m,边缘厚度4.5m,上弦结构找坡5%。

通过反复的设计优化和详细计算,最终网架实际用钢量为50kg/m2左右,主车间总用钢量70kg/m2,在满足使用功能和结构安全的前提下,有效控制了工程成本。

3.3　结构柱平面布置优化
通常钢结构排架厂方纵向柱距为6～9m,如果柱距增大,檩条和吊车梁的跨度将增大,柱和梁的受荷面积将增加,结构经济性降低。

但对于网架结构,最敏感的是结构的跨度以及荷载,纵向柱距的大小对网架结构影响相对较小,且网架向柱子传递的力以竖向力为主,水平力很小。

基于此,本工程对比了柱距7m和14m两种情况。

在14m柱距的情况下,网架的用钢量增加不到5%,但柱用钢量节省了20%以上,桩和基础的费用也相应降低。

同时为了减小墙面檩条的跨度,在每两根结构柱的中间增加一根抗风柱,柱头采用弹簧钢板和网架拉接,使得墙面檩条控制在合理的跨度范围内。

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3.4　结构温度应力的释放
纵向长度过长的厂房结构在温度变化时将会产生较大的温度应力,这种现象对于网架结构较为明显。

由于网架结构在平面内刚度较下部结构大很多,当温度变化时网架的纵向变形将对下部结构产生很大的水平推力,一般情况下,这种水平推力可由柱间支撑向下传递。

本工程设计过程中对温度应力的处理坚持宜放不宜抗的原则。

厂房纵向长度140m ,在中点附近每侧各三个网架支座采用平板支座和钢柱进行可靠连接,其余支座采用滑动支座释放其温度应力,支座节点见图3。

每个滑动支座设置限位板,限位板和支座之间的间隙为最大温差下支座的理论位移值。

如果变形超过此数值,水平力将
1-网架支座球;2-支座底板;3-聚四氟乙烯滑动片;4-过渡板
图3　网架支座
通过限位板直接传递到下部结构,避免了网架支座
螺栓受剪的情况。

3.5　悬挂轨道节点的处理根据以往的工程经验,网架悬挂吊车在使用过程中经常会产生晃动、卡轨的情况,究其原因为悬挂轨道和网架的连接节点刚度不足。

为了避免类似情况在本工程中再次发生,对轨道悬挂节点采取了加强刚度的处理措施,悬挂轨道连接节点见图4。

沿轨道方向的加劲板从球中心穿过,可以防止吊车在
刹车过程中产生的晃动。

1-加劲板从球中部穿过;2-轨道梁
图4　吊车轨道悬挂点节点大样
4　结　语
本工程已竣工并投入使用,工程设计完全能够满
足生产工艺要求。

由于采用网架结构,工程成本大大
低于投资方的估算。

对于本工程,网架结构较其他结构形式用钢量省,能够满足大跨度、重荷载的要求。

(上接第627页)
时,可先计算K 值,然后再计算周期影响系数。

3　结　论
1)本文给出了考虑竖向荷载及基础埋深时自振
周期的计算模型。

这一计算模型应用方便,适合目前实际工程设计使用。

2)竖向荷载对排架自振周期的影响系数,随跨度增大,影响幅度亦增大。

因此,对于有托架且柱距较大、较高的情况,竖向荷载影响较大。

考虑竖向荷载的影响,结构的自振周期增大,则按照反应谱方法计算的地震作用一般减小,说明竖向荷载对结构水平地震作用的影响是有利的。

但应特别注意在竖向荷载下,结构自振周期接近场地土卓越周期时,其影
响是不利的。

3)当埋深较小时,对结构自振周期的影响一般很小,只有当埋土较深或埋土刚度较大时(尤其是埋土刚度较大时),对结构的自振周期才影响较大。

(4)当基础深埋时,自振周期减小,地震力增大,这时应该考虑其影响,修正周期后再计算内力。

参考文献
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