太原重工某大型锻造热处理车间结构设计

第43卷第3期2013年2月上建筑结构BUILDINGSTRUCTUREVOL43NO3FEB2013太原重工某大型锻造热处理车间结构设计张作运，师瑜莹，马杰，周廷垣，刘辰，郑希明，温庆东，常亚飞中国中元国际工程公司，北京100089摘要太原重工某大型锻造热处理厂房设有大吨位重型硬钩吊车450T硬钩吊车，且厂房场地小，还要考虑到其与老厂房之间的对接，因此对结构布置和构件截面尺寸控制条件严苛。为了既能满足工艺要求，又不让厂房端部占用厂区道路，需将吊车底部以上的山墙及其有关构件从厂房端柱悬挑出35M。还设有底板深27M紧贴厂房基础边的井式炉等较多的大型地下构筑物，且这些地下构筑物都要求在厂房结构完成后再施工，给设计方案的确定带来很大难度。通过对该厂房结构设计方法及特点的介绍，重点分析了厂房结构布置及选型、设备基础和深基坑处理、特殊山墙及纵墙做法等几方面内容。关键词大吨位吊车结构选型悬挑山墙设备基础中图分类号TU273文献标识码A文章编号1002848X201303008706STRUCTURALDESIGNONTHELARGEFORGINGHEATTREATMENTFACTORYWORKSHOPOFTAIYUANHEAVYINDUSTRYCO，LTDZHANGZUOYUN，SHIYUYING，MAJIE，ZHOUTINGYUAN，LIUCHEN，ZHENGXIMING，WENQINGDONG，CHANGYAFEICHINAIPPRINTERNATIONALENGINEERINGCORPORATION，BEIJING100089，CHINAABSTRACTALARGEFORGINGHEATTREATMENTFACTORYWORKSHOPOFTAIYUANHEARYINDUSTRYCO，LTDISEQUIPPEDWITHLARGETONNAGEHEAVYDUTYHARDHOOKCRANE450TANDHASSMALLVENUESTHEDOCKINGBETWEENITANDTHEOLDPLANTMUSTBETAKENINTOACCOUNT，WHICHMAKESHIGHDEMANDSONSTRUCTURALARRANGEMENTANDCROSSSECTIONINORDERTONOTONLYMEETTHETECHNICALREQUIREMENTS，BUTALSONOTLETTHEPLANTENDSOCCUPYFACTORYROAD，THEGABLESANDITSRELATEDCOMPONENTSNEEDTOOVERHANG35MFROMCOLUMNSITALSOHASLOTSOFLARGEUNDERGROUNDSTRUCTURESSUCHAS27MDEEPPITFURNACECLOSETOTHEPLANTBASESIDE，ANDTHOSESTRUCTURESNEEDTOBECONSTRUCTEDAFTERTHECOMPLETIONOFTHEPLANTSTRUCTURESOITBRINGSALARGEDIFFICULTTOTHEDETERMINATIONOFDESIGNSTRUCTURALDESIGNOFWORKSHOP，ANALYSISOFSTRUCTUREARRANGEMENT，EQUIPMENTBASEANDDEEPFOUNDATION，SPECIALGABLESANDVERTICALWALLS，ANDETCWEREINTRODUCEDKEYWORDSLARGETONNAGECRANESTRUCTURALSYSTEMSELECTIONCANTILEVEREDGABLEEQUIPMENTFOUNDATION作者简介张作运，教授级高级工程师，一级注册结构工程师，EMAILZHANGZUOYUNIPPRNET。1工程简介11工程概况太原重工在现有厂区内新建锻造热处理车间，车间长173M、宽177M，车间东西方向为六连跨不等高布置，跨度依次为33，30，30，18，33，33M，柱距一般为12M、局部为14M，厂房柱平面布置见图1。厂房最大高度为3555M，根据工艺布置需求，厂房内吊车设置情况依次为跨设置1台450T/A8锻造吊车、1台350T/A7桥式吊车、1台260T/A6桥式吊车，轨高210M跨设置2台50T/A5桥式吊车，轨高160M跨设置2台125T125T/A6桥式吊车，轨高16M跨为露天跨，设置2台125T/A6桥式吊车，轨高140M跨为双层吊车，上层设置2台200T/A7桥式吊车，轨高300M，下层设置2台150T/A7桥式吊车，轨高200M跨设置2台125125T/A6桥式吊车，轨高160M。结构横向剖面布置见图2，典型纵剖面见图3。12自然条件基本风压为040KN/M2，地面粗糙度类别取B类。基本雪压为035KN/M2。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为020G，设计地震分组属第一组，抗震设防类别为丙类，场地类别为类。2工程特点概述1厂房吊车吨位大，其中450T/A8锻造吊车最大轮压达到113T，相当于一般桥式吊车1000T的轮压值。2建设场地位于已经形成的厂区范围内，建设用地受到诸多限制，而且要考虑到与现有厂房之间的对接，因此对结构布置和构件截面尺寸控制条件严苛。3为了既能满足工艺要求，又不让厂房端部占用厂区道路，需要让吊车底部以上的山墙及其相关构件从厂房端柱处悬挑出35M，形成一种悬挑的建筑结构2013年图1厂房柱平面布置图特殊山墙做法。4厂房内工艺设备种类繁多，而且部分设备的安装位置与柱间支撑、吊车梁制动桁架等结构构件叠合，影响到结构构件的布置和相互连接。5厂房内设有底板深27M紧贴厂房基础边的井式炉等较多的地下构筑物，而且这些地下构筑物都要求在厂房结构完成后再施工。3结构布置和选型设计根据工艺布置需求，考虑到经济性及标准化等因素，车间纵向柱距采用12M标准柱距，因为生产流程及工艺设备要求，端部调整至14M柱距。为减小纵向侧墙墙檩跨度，每12M/14M柱距中间增加一根抗风柱。为避免抗风柱位置占用地面空间、增大厂房宽度，抗风柱外边和排架柱取齐，合理设计解决抗风柱与柱间支撑、吊车制动桁架、托梁等构件的连接构造。31柱柱子的布置除受工艺要求限制外，还受场地限制，必须考虑到房屋限宽、限长等多种因素，如近30M深的井式炉地坑几乎紧贴厂房柱基础厂房端部的山墙，其吊车底部以上的墙架、墙体必须悬挑出端部柱以外35M以上，纵向外墙的抗风柱不允许突出厂房边柱，因此设计中尽量根据吊车的跨度要求精心进行轴线和柱截面优化设计。厂房柱可以采用型钢或钢管包括钢管混凝土组合截面。以轴排架柱为例，柱最大应力比按照085进行控制，两种形式格构柱设计比较见表1。比较两种截面形式可知，对整体刚度而言，钢管混凝土格构柱更有利用钢量方面，钢管混凝土格构柱可以比焊接型钢格构柱节省约25钢管柱占地图2结构横剖面示意图图3结构典型纵剖面示意图88第43卷第3期张作运，等太原重工某大型锻造热处理车间结构设计焊接工字形格构柱与钢管混凝土格构柱比较表1柱截面形式结构自振周期/S下柱总尺寸/M用钢量/T焊接工字形格构柱09874210576钢管混凝土格构柱08054056156453比焊接型钢柱面积略大，且车间为重型吊车，厂房内用地紧张，而钢管柱节点复杂、施工难度大、周期长。经综合比较后，中、下柱采用全钢格构柱，柱的肢杆采用焊接工字形截面，缀条采用T型钢直接与肢杆焊接，节点简洁且省料上柱采用焊接工字形截面，设置人孔。双层吊车时柱肩梁的耗钢量大、受力复杂，为保证上下柱的整体工作，肩梁线刚度与下柱单肢线刚度之比不小于25柱肩梁根据不同受力情况采用单臂或双臂肩梁，肩梁截面高度取下柱截面高度的0306。当采用简化计算时，往往肩梁上盖板的计算应力比采用有限元分析计算的要小，因此设计时需在构造上加强加厚。露天跨采用分离式组合柱。柱脚采用构造较为简单、传力性能较好、钢材用量较省的杯口插入式柱脚。基础采用后注浆钻孔灌注桩基础，布置桩时应注意考虑拉梁设置由于柱子截面尺寸大，构造要求基础承台高度大，基础承台底部配筋除满足承载力外，还要验算最小配筋率，最小配筋率复核时截面位置取基础临界截面高度。图4为轴排架柱详图。墙架柱采用工字钢柱，分别和基础、吊车辅助桁架、托梁等铰接。在厂房中部设两道门式柱间支撑，厂房两端各设上柱支撑。图4轴排架柱详图32吊车梁系统吊车梁作为工业厂房中支承吊车的主要结构构件，其类型选用以及尺寸规格直接影响到排架柱的截面高度以及柱肩梁的标高布置，而且吊车梁系统的用钢量占整个厂房结构用钢量的比重也较大，因此合理选择吊车梁的类型和有效控制其用钢量在整个工业厂房的结构设计中具有重要的意义。吊车梁或吊车桁架的设计应首先考虑吊车吨位及工作制级别的影响。本工程吊车吨位较大，最大吨位450T，最大轮压113T，且工作制级别为重级，以跨GN450T、LK300M吊车为例，按简支吊车梁进行计算分析，吊车梁跨中最大弯矩设计值MC21562KNM，支座处最大剪力设计值QB8122KN。焊接工字形吊车梁横向加劲肋为16012，间距2000MM焊接箱形吊车梁刚性横隔板采用12MM厚环形钢板，间距2000MM，并设置加劲边板。两种吊车梁比较见表2。焊接箱形吊车梁用钢量与焊接工字形吊车梁基本持平，但是由于箱形吊车梁不但制作安装较焊接工字形吊车梁复杂，还影响柱子肩梁的设计，且施工周期难以保证。最终选择采用焊接工字形吊车梁。焊接工字形吊车梁与焊接箱形吊车梁比较表2吊车梁截面吊车梁翼缘应力比疲劳计算吊车梁应力比用钢量长度12M/T090094162089096161焊接工字形梁腹板往往耗钢量较大，为了保证腹板的稳定，又能减少用钢量，凡是梁高大于3M的，经计算优化设置纵向和横向加劲肋，并通过控制肋的间距来保证腹板在移动集中荷载作用下的稳定，较好地减小了腹板厚度。吊车梁室内采用Q345B钢，室外温差大，采用Q345D钢吊车梁辅助系统杆件一般均由构造控制，采用Q345C角钢走道板采用8厚花纹钢板。吊车梁端部除厂房端头外，其他位置均采用突缘支座，瑏瑥轴处梁需外挑35M，以便支承山墙抗风桁架等构件。吊车梁和辅助桁架之间采用制动板和竖向支撑连接图5，竖向支撑间隔4M设一道，并避开吊车98建筑结构2013年梁跨中的位置。制动板设置井字形加劲肋，保证板有足够的刚度，与排架柱通过螺栓连接图6。图5吊车梁制动系统详图图6制动板与排架柱连接详图33屋盖以往传统的重型厂房，一般采用梯形屋架，屋架和柱铰接或刚接、和托架铰接。本工程采用实腹变截面钢梁，并与柱子刚接，不但耗钢量和采用屋架差不多，还可不布置下弦支撑，且构件简单、截面高度较小、加工方便、室内空间效果好、制作安装方便。在梁柱节点中考虑重型吊车影响，适当加强节点设计，降低杆件应力比。屋面在有柱间支撑的开间及厂房两端头开间均设置屋面上部横向水平支撑锻造跨因吊车吨位大、硬钩吊车振动影响大，除布置横向水平支撑外，还在两侧布置纵向水平支撑。纵、横向天窗采用轻钢门式刚架加檩条铺设压型钢板，门式刚架和屋面梁铰接。天窗上布置横向水平支撑和竖向支撑，加强天窗整体性和抗震能力。4纵墙及悬挑山墙设计41纵墙墙架布置和设计由于是在原有厂区内拆旧建新，所以对建筑外围界限要求严格。如果采用常规设计，为了避免与柱间支撑及吊车制动桁架相碰，墙架柱会突出厂房纵向柱之外。为了缩小厂房宽度而不影响厂房的使用空间，将墙架柱防风柱外皮和厂房排架柱外皮取平，这样处理虽然增加了抗风柱和柱间支撑及吊车制动桁架系统连接的构造难度，但可使厂房的占地宽度减少06M。由于本项目中间有露天跨，还可以减少建筑“死角”的无用面积210M2。防风柱铰接在基础梁上，与吊车制动桁架、托梁也采用铰接连接，见图7。42端部悬挑山墙根椐车间的工艺布置，在距端部4M处布置有平车轨道，各跨吊车的吊钩需要能到达此位置并吊起车内的吊件，而车间两端山墙均与厂区道路相邻，由于场地所限厂区道路不能变动。为了既能满足工艺和吊车行使要求，又不会让厂房山墙占用厂区道路，需将吊车底部以上的端轴山墙、吊车梁及屋面，图7防风柱连接详图从各跨厂房端柱挑出35M，以满足使用要求。悬挑出端部的吊车梁、山墙、屋面均布置在道路上空，如图8所示。图8屋面和吊车梁悬挑端平面为了支承及固定挑出山墙的抗风柱，设计采用桁架支撑形式，利用各3033M跨水平抗风桁架与竖向桁架构成空间桁架，既能承受水平力又能承受竖向力。该竖向桁架两端支承在悬挑的吊车梁上，经计算该桁架的高度约为2530M。该桁架顶部与水平抗风桁架连接，底部与厂房柱伸出的H型钢梁或支承在下部抗风柱三角架上的水平H型钢梁连接，既保证该钢桁架平面外的稳定性，又将这些H型钢梁之间用水平支撑联系起来，形成一个稳定的空间体系。为了建筑外立面的美观，同时又满足道路通行的要求，将悬挑墙架部分的底标高统一为112M，采用在该竖向桁架的节点下挂吊柱的方法来实现，见图9。09第43卷第3期张作运，等太原重工某大型锻造热处理车间结构设计5车间设备基础设计51热处理车间设备基础热处理车间设有底部深度为27M的1号深井式炉和底部深度为173M的2号深井式炉。以1号深井式炉为例图10，炉内壁净尺寸为274M184M，底板埋深达27M。平面尺寸大、基坑埋深大，炉壁几乎紧贴厂房柱基础，且要求在厂房结构施工完成后再施工深井式炉，因此施工降水、护坡、开挖等各个方面的难度很大。图9山墙端部悬挑做法图101号深井式炉剖面该种深井式炉的施工工艺有以下几种1早期施工工艺为沉井施工法即先在地表制作成一个井筒状的结构物沉井，然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后再进行封底。该施工法技术上比较稳妥可靠，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，沉井基础稳定性好，能支承较大的荷载。但由于底板为后期封底，与侧壁连接为简支，为使底板能够承受地基反力和地下水的浮力作用，厚度将达到35M左右，很不经济，而且由于沉井平面尺寸大、对施工技术要求高、工期长，本工程不考虑采用。2基坑大开挖法考虑到本工程炉壁几乎紧贴厂房柱基础，无法放坡，因此也无法实施。3地下连续墙逆做法利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注混凝土形成一道具有防渗水、挡土和承重功能的连续的地下墙体。地下连续墙施工振动小、噪声低、墙体刚度大、防渗性能好、对周围地基无扰动，可代替沉井基础或沉箱基础。针对本项目特点，将地下连续墙和逆作法结合起来，从上至下分段施工，对厂房基础扰动小，降水措施也配合施工阶段调整优化，大大简化了施工工艺、缩短了工期，可行性较高。在对比了沉井、地下连续墙逆作法、大开挖几种施工工艺后，最终采用了地下连续墙逆作法的施工工艺，并结合地下连续墙与基坑内壁的共同作用来设计基坑内壁，通过设置基坑壁柱、腰梁等措施来保证侧壁的安全，利用井式炉墙体和横梁作为施工时的临时支撑，既方便了施工又节约了井式炉基坑的工程量，而且不影响厂房的结构施工，工期也大大缩短，经济效益显著图11。目前厂房已建成，证明该工艺合理、效果良好。图111号深井式炉施工现场设计时考虑到地下连续墙施工工艺比较特殊，而且和基坑混凝土内壁不同时施工，要实现地下连续墙与基坑内壁的共同作用十分困难。所以在井式炉设计时，特别要求在地下连续墙体施工时，在和壁柱及腰梁连接处、地下连续墙和内衬墙的结合处预埋接驳钢筋，且在壁柱及腰梁处设聚苯施工用临时堵块，并要求在内衬墙施工前，对地下连续墙体凿毛后涂刷界面剂，以便确保内衬施工后能和连续墙形成整体，使两者共同起作用，详见图12。图12地下连续墙连接节点52锻压车间设备基础125MN双柱快速锻造液压机图13，配有1台10T锻造操作机，设配有专门的油泵间。这种压力机吨位大、工艺复杂、运行荷载大，对基础要求很高，而且造价很高，国内并不多见，且原来的设计计算方法已不适应现在的工艺要求，在没有现成经验可借鉴的情况下，经过综合分析，最后选用考虑各段之间相互作用和整体连接关系后分段计算的方法，并在计算保证的前提下适当留出安全储备，以保证该压19建筑结构2013年机基础的设计使用安全。图13125MN双柱快速锻造液压机本项目压机设备基础主要分为压机本体、操作机、和液压罐3个部分图14，设计时考虑到压机本体为锻压工艺的主要设备，压机本体自重3200T，活载6400T，为考虑平衡压机振动，将设备基础配重加大，压机本体设备基础的侧壁厚度达到了12M、底板厚度4M，采用桩基础操作机荷载也较大，且运图14125MN双柱快速锻造液压机设备基础平面、剖面动工作活动范围较长，为和压机本体协调工作，所以操作机部分也采取了桩基础液压罐部分荷载较小，且将厂房柱包括在内，液压系统通过液压管道与压机相连，对沉降要求不高，液压罐部分在设缝与厂房柱脱开后，采用天然地基作为基础持力层，较好地解决了基础重合的问题。6结论1虽然对装配有大吨位吊车的高大厂房采用钢管混凝土柱、箱形截面吊车梁，其构件的用钢量较省，但在特定的特殊情况下，若受场地、工程进度、材料、施工杆件接头连接等综合因素影响时，采用格构式钢柱和工字形实腹式吊车梁反而更加合理，综合经济技术指标也较好。2厂房长度受场地限制时，将吊车底部以上的所有结构构件从厂房端部向外悬挑，可延长吊车的行驶长度，增大吊车的使用范围。3高大厂房中采用实腹式变截面工字形屋面梁和轻型门式钢天窗架的屋面结构体系且梁、柱刚接，可提高高大厂房的刚度、降低厂房高度、方便施工，空间简洁、明亮且易维护改造，综合效果良好。4重大型锻压热处理厂房因设备、结构较特殊，结构布置时必须相互协调，地上、地下必须考虑分析好，分析施工阶段和使用阶段的各种工况，研究解决好相互作用和相互影响。5复杂工业厂房的设计往往是三分结构计算，七分连接构造节点设计，本项目一些节点构造设计可供类似工程参考。建筑结构征稿启事建筑结构创刊于1971年，是由住房和城乡建设部主管，亚太建设科技信息研究院原建设部科技情报所、中国建筑设计研究院和中国土木工程学会主办的中文核心期刊，是建设部优秀科技期刊，同时也是中国科技论文统计源期刊中国科技核心期刊、中国科学引文数据库、中国学术期刊文摘等著名数据库检索系统收录的中文科技期刊，是中国学术期刊网络出版总库独家许可出版期刊。报道内容包括工业与民用建筑结构的设计、施工与研究房屋改造、纠偏与加固检测工程事故分析与处理地基与基础工程抗震、隔震、减震结构软件的应用各种新技术、新材料的应用规范和规程的修编及背景重点工程报道。欢迎广大作者踊跃投稿。1要求来稿理论