轨面标高9m吊车30t的轧钢厂房轻型化研究

发表时间：[2013-03-27]　　作者：王林，张萍，谢亮，陈晓华，朱勇，夏文娟，潘小渝，黄川　　编辑录入：admin　　点击数：1644

轨面标高 9 m 吊车 30t 的轧钢厂房轻型化研究

王林，张萍，谢亮，陈晓华，朱勇，夏文娟，潘小渝，黄川

（中冶赛迪工程技术股份有限公司建筑工程设计部，重庆 400013）

【摘要】从轧钢厂房的设计规范入手，对比了实腹柱、格构柱，排架、刚架体系，简支、连续、桁架式檩条，制动桁架与制动板，屋面梁起拱与不起拱以及不同结构型式的抽柱设计方案、不同的墙架设计方案，定量分析了不同柱距、不同材质、不同结构型式下吊车轨面标高 9 m、吊车 30 t 的轧钢厂房的耗钢量，提出了多项轧钢厂房轻型化设计的优化方案和经济柱距，供轧钢厂房设计优化使用。

【关键词】轧钢厂房轻型化经济柱距屋面起拱耗钢量

1 前言

目前国内钢铁行业利润普遍比较低，在轧钢工程的改造和新建项目中，降低投资的要求越来越高。轧钢主厂房一般包括原料库、加热炉跨、主轧库、主电室、磨辊间、成品库，面积通常在 4 万 m2至 20 万 m2之间，每降低厂房耗钢量 1 kg/m2可以降低项目投资 50 万元至 200 万元，因此如何降低厂房耗钢量成为结构工程设计关注的重点。

国内的钢结构设计规范较多，主要的规范《钢结构设计规范》（GB50017-2003）、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECE102:2002）、《冷弯薄壁型钢结构设计规范》（GB50018-2002）。规范的主要适用条件和控制标准见表 1。

从表 1 对比可知，在屋面梁的变形控制指标上《钢结构设计规范》较其它规范更加严格，因此在满足《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的适用前提下，使用《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》更能够节约钢材。轧钢横切线、热处理线、钢管生产线、线棒材厂房吊车一般为 25 t 至 50 t，吊车工作制度一般为 A5 到 A7，轨面标高一般为 9 m 至15 m，均不符合《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的要求，因此只能在满足现行《钢结构设计规范》要求的基础上研究降低主厂房耗钢量的措施。

2 计算条件

为了本研究具有一定的通用性，本研究的荷载取值为风荷载 0.45 KN/m2、雪荷载 0.5 KN/m2、屋面板（压型钢板）荷载取 0.15 m2、墙面板荷载取0.15 KN/m2。抗震设防烈度 6 度，设计地震加速度值小于 0.05 g，设计地震分组为第一组，地震动反应谱特征周期为 0.35 秒，建筑场地类别为Ⅱ类。厂房基本柱距分为 12 m、15 m、 18 m 三种方案，吊车轨面标高 9 m，檐口标高 14.5 m，厂房为 3 跨、跨度 36 m，厂房总面积 40000 m2。吊车参数见表 2。

3 不同柱距刚架对比计算

对比分析了 12 m、15 m、18 m 不同柱距、不同材质的刚架的耗钢量，详见表 3。从表 3 可知，刚架梁、柱耗钢量的总和与柱距几乎成反比，柱距越大，刚架总的耗钢量越低。采用 Q345 时柱系统较采用 Q235 节约 10％的钢材量，但不同材质对屋面梁的耗钢量影响不大，这是因为当挠度按照L/400 控制时，屋面梁断面大小为挠度控制，屋面梁应力较低，高强度的钢材不能充分发挥作用。

4 格构式柱与实腹柱耗钢量对比分析

在轻钢厂房设计中比较通用的作法是实腹柱门式刚架。但一般轻钢厂房檐口标高较低、吊车吨位较小，在轨面 9 m、吊车吨位 30 t 的轧钢工业厂房，究竟是实腹柱还是格构柱节约钢材呢？为此，我们进行了柱距为 15 m 的实腹柱和格构柱刚架、排架的对比分析，分析结果详见表 4。

由表 4 数据可知，当结构形式为刚架时，格构式的柱的耗钢量均低于实腹式柱子耗钢量，节约约5％～10％（约 1 kg/m2）；而当结构形式为排架时，格构式的柱比实腹式柱的耗钢量要节省 25％左右（约 2 kg/m2）5 屋面起拱对刚架耗钢量的影响从刚架分析知，当屋面梁按照 L/400 的挠度控制时，屋面梁由挠度控制，不能充分发挥高强度钢材的性能。为此我们将屋面梁按照恒载+1/2 活载起拱，屋面梁的挠度按照扣除起拱后 L/400 控制。我们对比分析 15m 柱距 Q345 材质起拱和未起拱的刚架，分析结果见表 5。从表 5 可知，充分利用屋面梁起拱可充分发挥高度钢材的作用，较多的降低刚架体系梁柱总的耗钢量（约 5kg/m2）。

6 不同柱距的屋面桁架及檩条对比分析

对不同柱距的屋架及檩条进行了对比计算，计算结果见表 6。从表 6 知，在不同柱距下，屋架的耗钢量没有特别明显的变化,檩条的耗钢量基本随着其跨度的增加而线性增加,屋面总得耗钢量随柱距的增加而增加。对于不同檩条型式而言，桁架式檩条有比较好的经济效益，特别是随着跨度的增加，桁架式檩条耗钢量低的优越性表现得更加明显，桁架式檩条较简支梁檩条节约钢材约 30％。在实腹式檩条中，连续梁檩条较好的解决了檩条的挠度问题，较简支梁檩条节约钢材约 20％。

7 吊车梁系统分析

我们分析了 12 m 到 18 m 跨度吊车梁的耗钢量，详见表 7。从表 7 可知，吊车梁的耗钢量与厂房柱距的关系为线性增长的关系，柱距越大，吊车梁耗钢量越高。

我们对比了 18 m 跨度边跨（吊车梁中心线与辅助横架中心线距离为 1500 mm）吊车梁制动桁架与制动板耗钢量，对比结果详见表 8。

从表 8 可知，采用制动桁架体系较制动板体系节约钢材约 27％，当然制动桁架构造要复杂一些，施工要麻烦一些。

7 墙架对比分析

7.1 落地与不落地纵墙架对比分析

纵墙墙架一般有两种设计方案。方案一为墙架竖向荷载悬挂在吊车辅助桁架上,水平荷载分别传递给地坪、吊车辅助桁架、屋面；方案二为墙架竖向荷载传递给基础，水平分别传递给基础、吊车辅助桁架、屋面。两种方案计算简图如图 1，两种计算结果对比见表 9：

从表 9 可知，两种方案的墙架柱断面完全相同，分析表明纵墙墙架柱是受挠度控制。因此，在基础较好的情况下，纵墙墙架宜采用墙架柱落地方案，该方案荷载直接落地，不将墙架垂直荷载传给辅助桁架，辅助桁架和厂房柱所受竖向荷载减少，断面减小，从总体上降低厂房耗钢量。

7.2 落地与不落地山墙架对比分析

山墙墙架设计通常有三种方案。方案一为墙架柱竖向悬挂在笼式抗风桁架上，水平荷载分别传递给地坪、抗风桁架、屋面；方案二为墙架柱竖向荷载传给基础，水平荷载传递给地坪、水平抗风桁架、屋面；方案三为墙架柱竖向荷载传给基础，不设置抗风桁架，水平荷载传递给基础和屋面。计算简图见图 2，分析结果见表 10。

由表 10 对比看出，方案一比其它两种方案耗钢量都大，主要是由于笼式抗风桁架的耗钢量比较大所致；方案二虽然墙架柱小，但水平桁架耗钢量较大；方案三抗风柱比较大，但没有设抗风桁架，总耗钢量反而更低。因此，在基础较好的地区，采用不设置抗风桁架的方案三更加经济合理。

8 抽柱方案对比分析

轧钢厂房在加热炉区域或冷床区域通常会抽柱。在厂房抽柱的情况下，可设置托架支承屋架或在吊车梁上立小柱支承屋架。我们进行了两种方案的对比分析。分析假定为柱距 18 m，抽柱后吊车梁和托架跨度变为 36 m，两种方案简图见图 3，计算比较结果见表 11。

从表 11 可以看出，小柱方案比托架方案节省。吊车梁上立小柱的方案充分利用了吊车梁，将吊车梁和托架受力体系合二为一，所增加的小柱是竖向受力构件，钢材量增加不大；托架方案中增加了大跨度托架，故钢材量增加很大。由此可见在抽柱的情况下，在吊车梁上立小柱支承屋架的方案比较经济。

9 经济柱距分析

在厂房方案设计中，经常会遇到采用何种柱距的问题。究竟何种柱距各加经济合理呢？我们系统分析了各种柱距下排架、刚架、吊车梁、檩条的耗钢量，汇总为厂房的耗钢量，详见表 12。（墙架耗钢量与柱距几乎没有关系，未参与统计）从表可知，随着柱距的增大，不同体系的总耗钢量均有不同程度的增大；采用桁架式檩条时，厂房总耗钢量随柱距的增加相对增加较小。因此，在不影响工艺布置的情况下，采用 12 m 柱距的方案厂房钢结构更加经济合理。