大跨度雙層吊車(chē)鋼結(jié)構(gòu)廠房的柱間支撐設(shè)計(jì)

洪承禹 （安徽省施工圖審查有限公司，安徽 合肥 230000）

隨著國(guó)家工業(yè)化戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)以及裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)廠房不僅吊車(chē)噸位越來(lái)越大，而且某一跨中多臺(tái)雙層大噸位吊車(chē)并存的情況也屢見(jiàn)不鮮。柱間支撐作為主要受力構(gòu)件不僅保證了廠房的縱向穩(wěn)定和剛度，而且在廠房承受縱向作用力時(shí)，起著非常重要的作用。本文以某大型模鍛車(chē)間的大跨度雙層吊車(chē)鋼結(jié)構(gòu)柱間支撐為例，對(duì)柱間支撐進(jìn)行了布置，并通過(guò)相應(yīng)的受力計(jì)算，分析了風(fēng)荷載、吊車(chē)荷載以及地震力對(duì)柱間支撐內(nèi)力的影響，論證了柱間支撐對(duì)廠房縱向穩(wěn)定、剛度及承受縱向作用力發(fā)揮的作用。

1 工程概況

某大型模鍛車(chē)間，廠房長(zhǎng)度324m（中部設(shè)伸縮縫），寬度171m，共6跨，柱距12m，局部24m，平面圖（右）見(jiàn)圖1。每跨均布置吊車(chē)梁，其中第4跨共設(shè)四臺(tái)大噸位吊車(chē)：兩臺(tái)220T+50T的A7級(jí)吊車(chē)，軸頂標(biāo)高30.5m；兩臺(tái)300T+20T的A6級(jí)吊車(chē)，軸頂標(biāo)高19.0m；上、中、下柱截面見(jiàn)圖2。

圖1 16-29軸柱及柱間支撐平面布置圖

圖2 E軸柱截面示意圖

2 柱間支撐的設(shè)計(jì)

為了保證廠房的正常工作，沿廠房縱向布置了柱間支撐，根據(jù)該工程的實(shí)際情況，柱間支撐的布置遵循了以下原則[1][2]：

①滿(mǎn)足生產(chǎn)凈空及跨間通行的要求；

②明確合理的傳遞縱向荷載，縮短地震力及溫度應(yīng)力的傳遞路線(xiàn)，本工程中，為了避免溫度應(yīng)力過(guò)大，下柱支撐盡量設(shè)置在廠房單元中間區(qū)段內(nèi)，不設(shè)置在廠房單元的兩端，僅在廠房?jī)啥嗽O(shè)置上柱支撐，用來(lái)傳遞作用于山墻上的風(fēng)荷載，另外，柱間支撐適當(dāng)均勻拉開(kāi)設(shè)置有利于縮短地震作用的傳遞路線(xiàn)。具體布置見(jiàn)圖3；

③每個(gè)溫度區(qū)段的每一列柱均布置柱間支撐；

④柱間支撐的位置與屋蓋支撐位置協(xié)同考慮，使結(jié)構(gòu)形成上下共同作用的整體；

⑤柱的高度較大時(shí)，應(yīng)分層設(shè)置支撐。本工程由于設(shè)置了雙層吊車(chē)，第4跨均為三階柱，故設(shè)置三層柱間支撐。

圖3 E軸線(xiàn)柱間支撐立面圖

2.2 設(shè)計(jì)算例

2.2.1 風(fēng)荷載+吊車(chē)縱向水平荷載計(jì)算：

①風(fēng)荷載

基本風(fēng)壓0.45kN/m2，地面粗糙度B類(lèi)。

風(fēng)壓高度變化系數(shù)：

±0.000～15.000，μz=1.05；

15.000～23.000，μz=1.2；

23.000～34.000，μz=1.38；

34.000～42.000，μz=1.55；

山墻墻迎風(fēng)面體型系μs=0.8；背風(fēng)面μs=-0.5。

0m～15m：Q1=1.4×1.05×0.45=0.662kN/m2

15m～23m：Q2=1.4×1.2×0.45=0.756kN/m2

23m～34m：Q3=1.4×1.38×0.45=0.869kN/m2

34m～42m：Q4=1.4×1.55×0.45=0.977kN/m2

W1=0.8×（15+16.5）×[（42.3-34）×0.977+（34-31.53）×0.869]=258kN

W2=0.8×315.5×[（31.53-23）×0.869+（23-22.14）×0.756]=202kN

W3=0.8×31.5×[（22.14-15）×0.756+（15-16.14/2）×0.662]=252kN

②吊車(chē)縱向水平荷載（單肢計(jì)算）

T2=2×1.4×0.1×4×610=683kN

T3=2×1.4×0.1×4×600=672kN

③風(fēng)荷載+吊車(chē)縱向水平荷載

上柱：作用于一道支撐單肢的水平內(nèi)力

H1=258/8=3.3kN

中柱：作用于一道支撐單肢的水平內(nèi)力

H2=33+202/4+683/2=425kN

下柱：作用于一道支撐單肢的水平內(nèi)力：

H3=425×3/4+252/4+672/2=720kN

2.2.2 地震力計(jì)算

柱頂頂重力荷載代表G=恒荷載+0.5×活荷載=0.4+0.5×0.5=0.65kN/m2

F=0.65×167×（15+16.5）=3419kN

吊車(chē)空載引起的水平力：

各質(zhì)點(diǎn)水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值：F1=（G1H1/GjHj）FEK

F1=（168100/618791）×768=209kN

F2=（272910/618791）×768=339kN

F3=（177781/618791）×768=221kN

小車(chē)：3×290kN，大車(chē)：3×610kN

31m：小車(chē)：910kN，1550kN，350kN，80kN

大車(chē)：1710kN，2430kN，700kN，320kN

P1-910+1550+350+80-（1710+2430+700+320）/2-5470kN。

19m：小車(chē)：1420×2kN，160kN

大車(chē)：1760×2kN，460kN

P2=1420×2+160+（1760×2+460）/2=4990kN。

柱自重：上柱GS=37×15=555kN

中柱GZ=78×15=1170kN

下柱GX=198×15=2970kN。

吊車(chē)梁自重：31m：D1=14×1.3×（84+51）=2457kN

19m：D2=14×1.3×85=1547kN。

結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值：

Geq=0.85×（3419+5470+4990+555+1170+2970+2457+1547）=1919kN。

FEK=α1Geq=0.04×19191=768kN

上柱：作用于一道支撐單肢的水平內(nèi)力

H1=1.3×209/8=34kN

中柱：作用于一道支撐單肢的水平內(nèi)力

H2=1.3×（34+339/4）=154kN

下柱：作用于一道支撐單肢的水平內(nèi)力

H3=1.3×（154×5/4+221/4）=322kN

2.2.3 12m跨支撐截面選擇與計(jì)算

①ZCE-1上柱十字形支撐，平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度l1=8000mm，cosα2=0.72；

受拉桿件控制長(zhǎng)細(xì)比350

上柱：作用于一道支撐單肢的水平內(nèi)力

H1=1.3×209/8=34kN；N=H1/cosα2=34/0.72=47kN

采用單槽鋼組成的雙片支撐，選用[12.6a，A=15.69cm2，ix=4.98cm

長(zhǎng)細(xì)比=l1/ix=8000/49.8=160＜350

47000/1569=30N/mm2＜215N/mm2

②ZCE-2中柱十字形支撐斜長(zhǎng)l2=16000mm，cosα2=0.8；

一個(gè)中柱支撐單肢支撐內(nèi)力

H2=33+202/4+683/2=425kN

N-H1/cosα2-425/0.8-532kN

采用單槽鋼組成的雙片支撐，選用[22a，A=31.84cm2，ix=8.67cm

532000/3184=167N/mm2＜215N/mm2；

長(zhǎng)細(xì)比=l1/ix=16000/2/86.7=92＜200。

③中柱斜綴條計(jì)算：V＝3184×2×215/85＝16107N，N＝13107/（2×0.65）＝12390N

選用O76×3.0，A=6.88cm2，i=2.58cm；b類(lèi)截面，穩(wěn)定系數(shù)0.333；

12390/688/0.333=54N/mm2＜215N/mm2，長(zhǎng)細(xì)比=l1/ix=3700/25.8/=143＜200

④ZCE-3下柱十字形支撐斜長(zhǎng)l3=21000mm，cosα2=0.58。

一個(gè)下柱支撐單肢支撐內(nèi)力：

H3=425×3/4+252/4+672/2=720kN

N=H1/cosα2=720/0.58=1241kN

采用單槽鋼組成的雙片支撐，選用2[22a，A=31.84×2=63.68mm2，ix=8.67cm

1241000/6368=195N/mm2＜215N/mm2

長(zhǎng)細(xì)比=l1/ix=21000/2/86.7=121＜200。

⑤下柱綴條計(jì)算：V=6368×2×215/85=32214N，N=32214/（2×0.65）=24780N。

選用O76×3.0，A=6.88cm2，i=2.58cm；b類(lèi)截面，穩(wěn)定系數(shù)0.333。

24780/688/0.333=108N/mm2＜215N/mm2，長(zhǎng)細(xì)比=l1/ix=4700/25.8=1182＜200。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)柱間支撐的分析和計(jì)算可以得出，風(fēng)荷載、吊車(chē)荷載以及地震力對(duì)柱間支撐內(nèi)力的影響均不可忽視。在低烈度地區(qū)，風(fēng)荷載與吊車(chē)荷載的組合對(duì)柱間支撐的設(shè)計(jì)起到控制作用[3]。

大跨度大噸位吊車(chē)廠房，柱間支撐采用單槽鋼及雙槽鋼組成的雙片支撐，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，既滿(mǎn)足了使用空間上柱間支撐須設(shè)置在柱肢翼緣內(nèi)側(cè)的要求，同時(shí)用鋼量較少，經(jīng)濟(jì)型較好。本工程竣工投產(chǎn)至今，歷經(jīng)多次極端惡劣天氣，但均未影響正常生產(chǎn)，吊車(chē)行走時(shí)，剛架穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何晃動(dòng)，取得了較好的成效。