大跨度大吨位吊车钢结构厂房设计
作者：邓恩玲
来源：《房地产导刊》2015年第01期
【摘要】随着轻钢屋面结构的快速发展，大跨度、大柱距、大吨位、多层吊车的钢结构工业厂房，摆脱了传统的钢桁架和预制钢筋混凝土大型屋面板的做法，得到了日益广泛的应用，尤其在钢铁、冶金、船舶等领域应用最广。由于钢结构技术越来越成熟，钢结构设计软件越来越完善、越来越先进和人性化，轻钢屋面结构的钢结构厂房将会有更好的发展前景。本文用一个实际的案例主要分析了轻钢屋面钢结构厂房的特点，结构设计和厂房各系统设计中应注意的问题。
【关键词】轻钢屋面；钢结构厂房；大吨位多层吊车；厂房整体刚度和侧向刚度
1、案例的工程概况和设计基本参数
现在以某船舶厂100t桥式吊车钢结构厂房为例，介绍关于轻钢屋面钢结构厂房的结构设计和思路。厂房建筑面积34020m2，宽度108米，长度315米。该工程为30米+36米+42米三联跨，低跨的建筑高度19米、高跨高度23.6米。低跨30米跨度设置双层吊车，上层2台32t 桥式吊车，下层2台16t桥式吊车。高跨36米和42米跨度设置双层吊车，上层2台100t桥式吊车，下层2台16t桥式吊车，吊车均为A5工作制。本工程位于福建省平潭岛，设计基本风压1.3KN/ m2，地面粗糙度A类。按7度抗震设防，场地类型Ⅲ类，设计地震基本加速度
0.1g，设计地震分组二组。
2、结构选型
对于此类钢结构工业厂房的结构布置要综合考虑工艺、结构、经济和建筑模数，厂房的结构要同时满足承载力极限状态下和正常使用状态下的要求，保证结构稳定性和吊车运行的安全。与传统的钢桁架混凝土屋盖的厂房相比，轻钢屋面的钢结构厂房整体刚度和侧向刚度都不及传统厂房，表现在厂房的自震周期较长，为避免厂房的自震频率接近吊车运行的频率，造成厂房在吊车运行时产生震动，此类轻钢屋面的水平支撑不宜采用柔性支撑，应采用角钢或圆钢管制作的刚性支撑，水平支撑的选用还应解决好在自重作用下支撑产生的较大挠度。此外为提高厂房屋面的整体性、提高厂房的整体刚度，建议在厂房屋面设置纵向水平支撑，与屋面横向水平组成封闭的屋面水平支撑体系，尽可能地提高厂房屋面刚度和厂房整体刚度，以弥补轻钢屋面自身刚度较弱的不足。值得注意的是抽柱位置，屋架肢不宜支承在兼做支承吊车的托梁上，以避免吊车运行引起屋盖震动，降低屋盖刚度。厂房的侧向刚度是保证厂房在风荷载作用下、在吊车水平荷载作用下、在地震作用下的正常使用要求，钢柱的刚度尤为重要，此外考虑到吊车运行的需要，作为吊车肢的厂房下柱应优先采用格构柱，作为屋架肢的上柱可采用实腹柱。
3、结构分析
3.1 荷载取值
1）恒载：0.3kN/ m2（屋面为高频焊檩条自重偏重）。
2）刚架活载：0.3kN/ m2（根据门刚3.2.2当采用压型钢板轻型屋面时，对受荷水平投影面积大于60 m2的刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3 kN/ m2。）
3）檩条活载：0.5kN/ m2。
4）吊车荷载：三跨双层吊车。
5）雪荷载：无。
6）积灰荷载：无。
7）风荷载：1.3kN/ m2，近海，地面粗糙度为A类。
风压的高度变化系数及体型系数按GB50009-2012《建筑结构荷载规范》取值，再根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的风荷载体型系数复核梁的强度和刚度。计算时应考虑吊车轮压的最不利位置布置。
3.2 荷载组合
荷载组合原则：
屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值；
积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；
施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；
多台吊车的组合应符合《建筑结构荷载规范》的规定；
当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。
4、轻钢屋面梁设计
传统的混凝土屋盖或桁架的挠度均为L/400（L为受弯构件的跨度，对悬臂梁为悬伸长度的两倍）；门式刚架的斜梁（没有设置悬挂吊车和吊顶仅支承压型钢板屋面和檩条）挠度为
L/180。一般设计上对于轻屋盖大吨位吊车厂房的斜梁挠度限值可以按门规考虑但可适当控制严一些。
同时根据《建筑抗震设计规范》9.2.14-2条规定轻屋盖厂房，塑性耗能区板件宽厚比限值可根据其承载力的高低按性能目标确定；塑性耗能区外的板件宽厚比限值，可采用现行《钢结构设计规范》GB50017弹性设计阶段的板件宽厚比限值。详见《钢结构设计规范》
（GB50017-2003）4.3.1和4.3.8款规定，高厚比不宜大于80√ （235/fy）；宽厚比不宜大于
15√ （235/fy）。
同时由于本工程采用楔形梁单元，该单元只在门刚有规定。根据门刚规程CECS102：2002第6.1.1-6，工字型截面构件腹板的受剪板幅，当腹板高度变化不超过60mm/m时可考虑屈曲后强度。一般设计按不考虑截面抗剪屈曲后强度来控制截面的高厚比。若不满足设计上可以通过以下几种方式来调整： 1）调整截面高度变化（如调整梁构件节点位置，增长变化区段），使截面高度变化率尽量满足≤60mm/m的要求； 2）加大腹板厚度，满足程序不考虑屈曲后强度对腹板高厚比限值的要求；3）设置横向加劲肋，间距宜取hw～2hw（hw为腹板高度，对楔形柱腹板取板幅平均高度）；
所以本工程为了保证结构可靠安全在主刚架计算中分两个过程：首先风荷载按《建筑结构荷载规范》取值，钢柱钢梁全部套用GB50017-2003来计算，调整梁柱至满足规范要求；其次风荷载按《门规》取值，钢柱选用GB50017-2003，钢梁选用CECS102：2002门规计算调整梁柱至满足规范要求。总之对于轻钢屋盖的重型厂房要结合钢规和门规从严设计。使结构更加安全、可靠、合理。
5、柱子系统设计
钢柱为单阶变阶柱。上柱采用实腹式柱，下柱采用型钢格构柱。钢柱材料选用Q345B 钢，缀条采用角钢设置。无论是钢柱还是缀条均应满足强度刚度和稳定性（包括局稳和整稳）要求。为了经济，在工艺允许的情况下可增加纵向系杆，以减小厂房柱的平面外计算长度。
柱脚按刚接设计，采用分离式靴梁柱脚（如图二所示）。首先根据基础混凝土的抗压强度和柱承受的轴力（使底板一边产生最大压应力的Nmax与其对应的M组合）确定柱底板面积，根据柱承受的最大弯矩确定锚栓大小（使其产生最大拉力的Mmax与其对应的N组合）。柱脚锚栓不宜用于传递柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由底板与混凝土基础间的摩擦力承受（摩察系数可取0.4）或设置抗剪键。设计锚栓时，应使锚栓屈服在底板和柱构件之后，因此，要求设计上对锚栓留有15%～20%的富余量。
肩梁采用双壁式肩梁。设计中，肩梁高度与下柱截面高度的比值范围为04～0.6，本工程设计取0.6，上下柱交接的加劲做成一块整板，下柱的上封口板切口，将上柱插入切口内，这样的构造做法使吊车梁传来的竖向荷载有效的传递至下柱，提高了节点的整体受力性能。
