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。

6、支撑设计本厂房由于吊车吨位比较大，吊车在运行中容易引起较大的震动。

在本工程中柱间支撑和屋面支撑均采用刚性支撑。

屋面支撑选用圆钢支撑，并且通长设置纵向屋盖支撑，与屋面横向水平组成封闭的屋面水平支撑体系，特别是抽柱处应先布置托梁或托架，此时应在托梁或托架两侧布置纵向水平支撑，并且向两端各延伸一个开间来提高厂房抽住处削弱的屋面刚度。

为保证厂房的纵向刚度和空间刚度，承受山墙风力、吊车纵向刹车荷载、温度应力和地震作用，沿厂房纵向设置上、下柱间支撑。

柱间支撑的上柱支撑采用双角钢，下柱支撑采用双H 型钢支撑。

柱间支撑的间距应根据房屋纵向间距、受力情况、安装条件和工艺确定。

当无吊车时宜取30～45m，当有吊车时宜设在温度区段中部，或当温度区段较长是以设在三分点处，且间距不宜大于60m。

端开间可不设置下层支撑以减少吊车梁的温度应力。

厂房还在屋檐、屋脊、转折处以及相应位置通长设置刚性系杆等使水平力更有效的传给柱间支撑，最后传给基础。

7、计算方法本工程采用PKPM-STS软件分析，主刚架材料采用Q345B，强度比较好控制，由于风压大吊车吨位大刚度和变形不易满足，根据GB50017-2003《钢结构设计规范》中的附录A.2.1条规定，在风荷载作用下，有桥式吊车的单层框架的柱顶位移不宜超过1/400，A.2.2条规定，在吊车梁的顶面标高处，由一台最大吊车水平荷载产生的横向位移计算变形值不宜超过Hc/1250（Hc为基础顶面至吊车梁顶面的高度）。

计算结果显示：在风荷载作用下柱顶位移为1/409，在吊车荷载作用下柱顶位移为1/2387，吊车梁的顶面标高处位移为1/3133，地震作用下的柱顶位移为1/1721。

计算表明：本工程风荷载起控制作用。

所以在使用时遇到台风天气应采取相应的施工技术措施并且将门窗关紧，角部和边缘区处螺钉间距适当加密以保持维护结构与结构的整体稳定性。

8、建成效果及反馈这个项目是07年设计，08年施工，09年开始投入使用，经过施工过程各阶段验收及竣工验收施工效果基本能达到设计的要求，通过这几年的投入使用情况看，无论是刚架、吊车吊车梁还是支撑体系都能达到设计的预期要求，同时也成功抵御了几次大台风。

甲方反馈良好，证明之前设计方案的考虑思路是正确的。

结语：（1）大跨度超高重型厂房由于高位运行大吨位吊车，必须提供较大的结构刚度，注重整体结构的稳定性控制盒位移控制，宜采用阶梯柱，注意支撑系统的设置。

（2）对于大吨位中重级工作制吊车的厂房设计，应按GB50017-2003A.2.2条进行刚度控制；柱肢间距取最高轨道顶高度的1/9～1/12比较经济。

（3）吊车梁中心尽量与吊车肢重合，避免偏心荷载的不利影响，同时可减少用钢量。

吊车梁顶部宜沿纵向通长布置走道板即做检修用，并且也能承受吊车横向水平荷载。

（4）在工程设计中应综合考虑结构受力和钢结构制作、安装方便的要求，在用钢量相当的情况下宜选结构简单，容易制作的截面形式。

（5）在钢结构设计中应严格根据相关规范，不应随意降低设计标准。

参考文献[1]GB 50017—2003 钢结构设计规范[S]。

[2]GB 50009—2012 建筑结构荷载规范[S]。

[3]CECS 102：2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[M] .北京.中国建筑工业出版社.2005。

[4]GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S]。

[5]钢结构设计手册[M].北京.中国建筑工业出版社.2004.[6]建筑钢结构设计手册[M].北京.冶金工业出版社.1995。

[7]钢结构连接节点设计手册[M].北京.中国建筑工业出版社.1999。