钢铁工厂钢结构厂房的优化设计.pdf

钢铁工厂钢结构厂房的优化设计 段新华张旻李勇张立明! （中冶京诚工程技术有限公司北京 ! # $）（浙江中房建筑设计研究院 杭州 $ ! % ） 摘要： 结合天津钢铁有限公司$# - ? * 3 : 5 3 : ) 6 , 3 *1 , 5：6 - 9 9 3 * 3 & , = 3 , 9 6 qi 3 : j = - 3 5 9 = , / *3 5 6 , & , h ) 6 , 3 *3 e = 6 9 9 7 = 6 : ( 6 ( : 9= ) p 9 = 6 9 9 7 ? 前言 最近， 国务院发出 关于做好建设节约型社会近 期重点工作的通知 。 “通知” 从节能、 节水、 节材、 节 地和资源综合利用五个方面提出了今明两年建设节 约型社会的重点工作， 并提出了加快节约资源的体 制和法制建设七个方面的措施。 我国是一个人口众多、 资源相对不足、 生态先天 脆弱的发展中国家。随着经济快速增长和人口不断 增加， 努力缓解资源不足的矛盾， 不断改善生态环 境， 实现可持续发展， 已经成为十分紧迫的任务。 经济增长在相当程度上仍然是主要依赖资源的 高投入来实现的， 能源、 淡水、 土地、 矿产等资源不足 的矛盾越来越突出。 地球只有一个， 资源极其宝贵。未来! #年， 我 国仍将处在工业化和城镇化快速发展的阶段， 国民 经济的快速发展将进一步增大资源消耗的强度。我 们面临人口不断增加、 资源约束突出、 环境压力加大 的严峻挑战。为了加快我国现代化建设、 实现全国 建设小康社会的宏伟目标， 为了子孙后代的福祉和 人类社会的可持续发展， 让我们行动起来， 坚定自觉 地把科学发展观贯穿经济社会发展的全过程， 为加 快建设节约型社会作出应有的贡献。 根据国家建设节约型社会的要求， 最近我们设 计了天津钢铁有限公司$# & &中厚板材工程、 炼 钢连铸新增钢包中间罐车间工程的钢结构厂房， 对 这两个工程的厂房钢柱、 吊车梁、 屋面、 托架、 墙架系 统的优化设计， 通过精心的计算、 精心设计、 优化结 构体系、 合理选材， 达到了节省钢材的目的， 收到了 良好的经济效益和社会效益。 !张立明系本文第二作者。 第一作者： 段新华男 ! r s t年!月出生 工程师 收稿日期： u # v ! ! v u 天津钢铁有限公司ab ? ? c c中厚板材工程钢结 构优化设计 天津钢铁有限公司$# & &中厚板材工程位 于天津市东丽区李庄乡， 厂区南濒临海河； 北面靠津 塘公路； 西临天津钢管公司。设计生产规模为年产 #$? * ( = 6 : , ) 7 4 3 * = 6 : ( 6 , 3 *w 3 7 n $ x，m ( 5 5 7 9 & 9 * 6，u x 工业建筑 u x年第$ x卷增刊 ! #万$。天津钢铁有限公司%& # # 中板车间主 要由板坯库、 上料跨、 加热炉跨、 主轧跨、 剪切跨、 冷 床跨、 成品库、 主电机跨、 轧辊间、 高压水除鳞泵站等 部分组成。地面以上为钢结构 （剖面图见图!） 。 图!天津中厚板厂房剖面 在天津钢铁有限公司%& # # 中厚板材工程 开展施工图之前， 我们首先针对工程情况， 结合以前 所作轧钢厂房， 对各种可行的结构方案进行了详细 的比较、 讨论， 进行了优化设计。 ! ! 屋面系统 在施工图设计前， 我们对屋架方案和实腹板梁 方案进行了比较，（比较时， 荷载取理想情况： 恒荷载 标准值取! ( ) * ， 活荷载标准值取# ( &) * 。 第一组屋架 （或板梁） 跨度为% + ， 间距! & ； 第二组 为屋架 （或板梁） 跨度为% , ， 间距! & ） 。根据计 算， 屋架方案比板梁方案至少节省! # ) - 钢材 量， 所以在%& # # 中厚板材工程我们采用了屋架 方案。比较结果见表!。 表!两组屋架比较 跨度 屋架 总重 $ ) - 板梁 总重 $ ) - % + ! ! . ( .! .% # ( / / % , . ( &! & ( / 0! 0 ( 0 , ( , / 屋架系统采用有檩体系的轻屋盖， 这种结构形 式， 具有结构简单， 受力明确， 自重轻， 施工快， 外观 简捷， 寿命长等特点。屋面梁采用屋架方案； 本工程 中柱距为! 、 ! 0、! &、! .、 ! ， 除! .、 ! 中间另设 托架、 屋架外， 其余均按大檩条设计。在檩条系统 中， 以往是按照简支梁设计的， 在本次设计中， 我们 考虑了屋架下弦支杆 （即隅撑） 对檩条的支撑作用， 将檩条按三跨连续梁设计 （但是要注意， 在边跨及变 形缝处的檩条， 由于最边跨隅撑只能当作屋架下弦 支点， 不能当作檩条支点， 所以此处檩条只能当二跨 连续梁计算） 。计算模型见图。 1 2连续檩条；3 2简支檩条 ! 2边跨檩条； 2中间跨檩条 图檩条计算模型 在跨度! 时， 简支檩条! 1 45# 6 ! & # ， 檩 条截 面 选 用7 * 0 & #8 # #8+8! 0（理 论 重 量 / , ( & ) - ） 。 当按连续梁计算时， 隅撑将檩条分成%、 ,、% 三段连续梁， 从左端到右端支座及跨中最大弯矩分 别为：! $# % # # !& # 、 &# % # ! /, # 、 # % # ! %/ # ， 檩条截面选用7 * % & #8! / &8/8! !（理论重量 & # ) - ） 。同简支梁比较， 厂房用钢量重量节省约 . ( & ) - 。 ! # 墙架系统 墙架系统为全钢结构的独立体系， 墙架柱采用 悬挂结构体系。这样可以使墙架柱部分或全部为拉 弯构件， 受力情况有所改善。墙架柱悬挂在吊车梁 辅助桁架上， 上端与天沟以弹簧板相连来传递水平 力； 下端通过长圆孔和基础支座连接， 这样既可以适 用水沟竖向变形的需要， 又可以减少墙架柱计算长 度， 使墙架柱断面更经济； 并且墙架柱悬挂在辅助桁 架上， 下端只传水平力给基础， 所以不必考虑不同基 础形式引起的不均匀沉降的影响。%& # # 中厚 板材工程墙架柱基础采用了作用在天然地基上的基 础， 而没采用厂房大柱的作用在桩基上的基础形式， 这样就减小了基础尺寸和桩的数量， 降低了基础造 价。 在墙架系统设计中， 我们根据工程情况进行了 分类： 外墙皮中， 在墙架柱和厂房大柱之间， 高度方 向间隔大约% 设一道水平压杆， 这样在水平风荷 载作用下， 墙架柱计算模型就由中部的两跨连续梁 （每跨约为! # ） 转变为间距为% 的多跨连续梁， 柱截面也由7 * % & # 8! / &8/8! !（& # ) -） 减小到 工字钢! ,（ # ( & ) -） 。详见图%。 在整个厂房的主轧跨两侧、 机修间按工艺要求 设置了内墙皮。在内墙皮中， 考虑到墙架柱不受水 平风荷载， 只是单向压弯构件， 采用了和外墙不同的 柱断面； 并且在内墙皮和厂房大柱之间， 不再另设墙 架柱， 墙皮檩条直接连接到厂房大柱上。 ,% 工业建筑 # # ,年第% ,卷增刊 ! 大柱侧墙皮柱；# 中间跨墙皮柱 图$墙架柱系统设计 表!厂房墙架柱对照 靠近厂房大柱墙皮柱中间墙皮柱 内墙墙架柱直接连到厂房大柱 % & ( ( ) * ( ( ) + , + ) - （ * , . / 01） 外墙墙架柱工字钢* 2（ ( , + / 01） % & $ + ( ) * . + ) . ) * * （+ ( / 01） 最终， 天津中厚板各项经济指标优化前后对比 如表$。 表天津中厚板各项经济指标 项目详图吨数 3初步设计吨数 3 主车间厂房钢柱 +( 4 -+ 4 * 主车间厂房吊车梁 2. 2.5 4 ( 主车间厂房屋面 + ( *2* + ( 主车间厂房墙皮 4 4 .* 5 总计 * -$ (5 . $ 通过优化设计， 整个车间比初步设计节省了 * ( 6左右钢材。 ! 钢结构优化设计 天津钢铁有限公司炼钢连铸车间续建工程新增 钢包中间罐修砌车间长* 5 5 1， 宽. 1， 为双$ 2 1 跨， 柱距* 1， 一跨为两台- ( ( 3吊车， 另一跨为一 台- ( ( 3， 一台* ( ( ( 3吊车， 轨面标高* + , ( ( ( 1 （见图5） 。 图5新增钢包中间罐修砌车间 厂房柱采用%型钢柱， 下柱为%型钢双肢柱， 两柱肢间用7型钢缀条相连， 以减少各肢计算长 度。上柱为焊接%型柱， 柱脚为刚接采用杯口插入 式连接。柱头与屋架铰接， 厂房纵向在中间* $处 设置两道柱间支撑， 另外在两端头各设置一道上柱 支撑。 由于厂房轨面标高* + , ( ( ( 1， 最大吊车为* ( ( ( 3， 上柱长度不长， 厂房总高度约 1。经过计算 比较发现柱子断面由强度控制， 挠度不起控制作用， 所以如果采用8 $ +钢， 会加大耗钢量。如果材料 采用8 $ 5 +钢， 则可以把应力用足， 同时可以保证柱 的变形不超限。虽然8 $ 5 +钢比8 $ +钢单价高约 2 6， 可是强度提高5 ( 6， 综合考虑， 故凡强度控制 的构件如柱子等采用8 $ 5 + 9， 吊车梁采用8 $ 5 + :。 一般由挠度或构造确定的构件如屋面檩条、 柱间支 撑、 墙皮柱等采用8 $ + 9钢。 吊车梁采用焊接工字型实腹式， 吊车梁与水平 制动梁， 垂直辅助桁架及下部水平支撑形成稳定的 结构体系。 吊车梁为简支， 支座为突缘式。制动结构采用 制动板， 制动板与吊车梁上翼缘采用摩擦型高强螺 栓连接、 与辅助桁架连接一般采用现场焊缝连接。 为了稳定吊车梁的下翼缘或辅助桁架下弦， 在吊车 梁下翼缘间设水平支撑。其中山墙吊车检修走台与 吊车梁连接， 以前的做法通常为走台梁直接与吊车 梁连， 这就需要吊车梁挑出轴线一直伸到走台边， 由 于吊车运行极限只到轴线位置， 所以挑出部分吊车 梁， 实际只承受平台传来的力， 而不受吊车荷载。如 果减少吊车梁挑出长度， 外侧走台梁连到轴线处墙 皮柱上， 就可以节省钢材。 墙架为全钢结构的独立体系。纵墙架柱采用悬 挂式， 支承于吊车辅助桁架上， 上端与屋面结构或天 沟用弹簧板连接。山墙的墙架柱落地， 中间侧向支 撑于山墙走台， 上部侧向支撑于屋面檩条， 山墙墙皮 柱间设支撑， 形成稳定的结构体系。墙皮檩条采用 冷弯薄壁:型钢。 .$ 钢铁工厂钢结构厂房的优化设计 段新华， 等 屋面采用有檩体系轻屋盖， 这种结构形式具有 结构简单、 受力明确、 自重轻、 施工快、 寿命长等优 点。屋架! #间距， 采用平行弦桁架。支座均为铰 接。檩条采用! #蜂窝檩条。隅撑与屋架下弦及 檩条连接。厂房的每一个温度区段均设独立完整屋 面支撑。屋盖的横向水平支撑及纵向水平支撑布置 在屋架的上弦， 并通过隅撑稳定屋架下弦。二者组 成封闭的支撑体系， 增强了厂房整体刚度。 蜂窝檩条， 是将$型钢沿设定的齿槽折线切 割， 然后错开将腹板凸出部分对齐焊接， 形成蜂窝状 空格的$型钢， 由于本工程屋架间距! #， 檩条跨 度大， 所以屋面檩条宜为$型钢檩条或蜂窝檩条， 蜂窝檩条组合后由于断面高度提高， %值增大， 所以 提高了材料的利用率， 可以减少耗钢量。与$型钢 檩条相比具有自重轻、 承载能力高等特点。缺点： 制 作过程中， 焊缝过多， 需要切割。 在檩条的计算中， 如果不考虑隅撑的支点作用， 那! #檩条为简支梁， 断面由挠度控制， 断面过大， 应力富裕。所以我们在计算中， 把隅撑作为檩条一 个支点 （如图& ） ， 这样就变成! #连续檩条， 挠度 减小而且也接近于实际受力情况。单轨吊、 天窗的 布置尽量放到隅撑的支点上 （见图） ， 这样檩条不 受单轨吊及天窗传来的力， 虽然隅撑所受压力增加， 但断面增加不多； 如果作用点在跨中， 檩条断面就会 加大， 所以无论从节省钢材还是传力明确来看， 此种 布置都是比较合理的。 图单轨吊、 天窗的布置 天 沟 采 用 焊 接 双(型 钢 组 合 断 面， 宽 度 !) ) ) # #， 高* ) # #， 经过计算， 我们决定天沟兼做 屋面檩条， 因为这样天沟仅比原来增加了半个檩距 的屋面荷载， 而天沟的组合断面!值足够大。可以 省掉一根屋面檩条， 同时充分利用了天沟的断面。 天窗上承式横向天窗， 每一个独立区段两端设 横向水平撑， 并在天窗架的两侧设置垂直支撑， 使其 成为一个稳定的空间体系， 杆件采用薄壁型钢。 厂房总耗钢量优化后与优化前比较见表*。 表!厂房总耗钢量比较 预估耗钢量 +实际耗钢量 + 框架柱 , ! ) - . 吊车梁系统 * / )* ) . 屋面系统 0 ) !, ! 墙皮系统 . ! ! - ) 零星钢结构 ) 共计 ! . 0!/ ) 0 由于在设计中， 采用了先进、 成熟的技术， 在施 工图设计中注意控制工程投资， 进行优化设计， 采取 了合理的结构方案， 上述两个工程项目的钢结构优 化设计实践， 比较以往类似的工程， 节约了! ) 1左 右的钢材， 达到了很好的经济指标， 取得了良好的经 济效益和社会效益。 （上接第 ! -页） * 王永刚， 张景绘2小波变换在结构动力学识别中的应用2强度与 环境， ! / / 0 （*） ： & / 于开平， 邹经湘， 杨炳渊2模态参数识别的小波变换方法2宇航学 报， ! / / /， ) （*） ： 0 & / - , 马金奎， 刘元峰， 等2基于小波分析的滑动轴承