本站原创【摘 要】钢结构已经广泛应用于建筑设计领域,本论文结合炼钢钢结构厂房对设计中的问题进行了分析探讨,以实际钢结构厂房为例进行了空间结构的解析,在此基础上重点从空间结构布置和钢结构加固两个角度详细分析了钢结构厂房设计的工艺及技术问题,对于进一步提高钢结构厂房的设计应用技术水平具有一定指导意义.
【关 键 词】钢结构；厂房设计；技术问题
1引言
本文主要对钢结构厂房进行设计分析和研究,以期从中能够找到可靠有效合理的结构优化设计方法,并以此和广大同行分享.
2钢结构厂房空间结构解析
为了使本论文的钢结构厂房分析设计更具有针对性和信服力,这里以实际的炼钢厂房钢结构厂房为具体研究对象进行分析讨论.由于钢铁工业是国民经济的支柱产业,炼钢厂就成了一个重要的生产场所,属于抗震规范中的乙类设防建筑.由于工艺布置的特殊性和生产设备的需要,炼钢厂主厂房往往具有质量、刚度分布严重不均匀的特点.又基于建设周期及抗震性能等的综合考虑,这类厂房大都采用全钢结构建造.本文中以某设计生产能力为50吨的转炉炼钢厂为研究对象.
由于工艺要求的复杂性,该厂房由炉渣跨、加料跨、炉子跨、钢水接收跨、连铸浇铸跨、连铸出坯跨共六跨组成,核心设备布置在炉子跨中部的塔楼内.该转炉炼钢厂房主要由塔楼、散状料上料系统、柱子系统、屋盖系统和吊车梁系统几大部分组成,各部分的结构大都是由型钢和钢板焊接或螺栓连接而成.
2.1塔楼部分
塔楼是整个厂房的核心部分,高50米左右,其周围单层厂房高低不平,依靠屋面系统与其相连.塔楼中设有若干平台,炼钢的主要设备就分布在塔楼的各层平台上.设备按用途不同,重量由不足一吨到几百吨不等并且位置不均衡,其中的相当部分还会引起动载荷.塔楼中不但布置了吊车,还与前部的通廊相连接.因而塔楼部分是三维空间结构中质量、刚度最大的部分,结构也就最复杂,其构件众多且外形尺寸相差很大.
2.2散状料上料系统
散状料上料系统属于转炉上料系统中重要的环节,包括通廊、转运站、地下料仓等部分,其作用是通过通廊中的皮带输送,使散状矿石进入转炉.因为这一系统位于第4及第5跨间的屋面上,与屋面大梁铰接,并且与塔楼相连,受地震影响较大,所以按实际结构建立模型.
2.3屋面系统
屋面系统是厂房中构造最复杂的部分,包括屋架、托架、柃条、屋面支撑及天窗等部分,正是通过它将各跨单个的柱和塔楼部分联系在一起.由于炼钢厂生产工艺的原,屋面灰载荷是一个不可忽略的因素.另外,上料系统中的通廊和转运站部分也放置在屋面上.为了在满足结构稳定要求的同时减轻自重,屋面系统大量采用了空间桁架结构,因而不同位置的构件尺寸相差很大.
2.4柱子系统
柱子系统是整个厂房的竖向承重部件,大量的采用了格构式柱和牛腿等构造来满足设计要求.
2.5吊车梁系统
工业建筑的特点之一就是厂房内布置有大量的吊车,这座转炉厂房也不例外,厂房内除布置有单层吊车外,还布置有双层吊车甚至三层吊车,而且吊车的吨位由几吨到上百吨不等.吊车梁系统主要由吊车梁、走道板、水平桁架和竖直桁架构成,它们构成了一个空间整体.
总的说来,该钢结构厂房属于质量、刚度分布严重不均匀的不规则建筑,而且规模大、结构复杂、构件多,所涉及的型钢型号多,尺寸差别悬殊.此外,由于工艺布置的特殊性,使得塔楼与其余厂房难以脱开,或者难以完全脱开；由于受场地限制,该厂房并没有设置伸缩缝、沉降缝或者抗震缝.这就给抗震安全性提出了更高的要求.为达到真实地反映厂房空间地震效应的目的,因此完整的建立了厂房的空间模型,只在局部作了简化,从而在模型中最大限度的把握了原结构三维空间的真实性.
3钢结构厂房设计中应注意的问题分析
3.1结构布置中应注意的问题
钢刚架的跨度和柱距主要根据工艺和建筑要求确定.结构布置要考虑的主要问题是温度区间的确定和支撑体系的布置.
考虑到温度效应,轻型钢结构建筑的纵向温度区段长度不应大于300m,横向温度区段不应大于150m.当建筑尺寸超过时,应设置温度伸缩缝.温度伸缩缝可通过设置双柱,或设置次结构及擦条的可调节构造来实现.
支撑布置的目的是使每个温度区段或分期建设的区段建筑能构成稳定的空间结构骨架.布置的主要原则如下：
3.1.1柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内形成抵抗纵向荷载的支撑析架.支撑析架的直杆和单斜杆应采用刚性系杆,交叉斜杆可采用柔性构件.刚性系杆是指圆管、H型截面、Z或C型冷弯薄壁截面等,柔性构件是指圆钢、拉索等只受拉截面.柔性拉杆必须施加预紧力以抵消其自重作用引起的下垂；
3.1.2支撑的间距一般为30m-40m,不应大于60m；
3.1.3支撑可布置在温度区间的第一个或第二个开间,当布置在第二个开间时,第一开间的相应位置应设置刚性系杆；
3.1.445°的支撑斜杆能最有效地传递水平荷载,当柱子较高导致单层支撑构件角度过大时应考虑设置双层柱间支撑；
3.1.5刚架柱顶、屋脊等转折处应设置刚性系杆.结构纵向于支撑析架节点处应设置通长的刚性系杆；
3.1.6轻钢结构的刚性系杆可由相应位置处的擦条兼作,刚度或承载力不足时设置附加系杆.
除了结构设计中必须正确设置支撑体系以确保其整体稳定性之外,还必须注意结构安装过程中的整体稳定性.安装时应该首先构建稳定的区格单元,然后逐榻将平面刚架连接于稳定单元上直至完成全部结构.在稳定的区格单元形成前,必须施加临时支撑固定已安装的刚架部分.
3.2钢结构厂房的加固技术应用
对于钢结构的厂房,其钢结构加固技术必须要再设计中加以重视,否则就容易成为豆腐渣工程.从设计的角度讲,可以从以下几个方面实施钢结构的加固技术应用：
3.2.1减轻荷载：改用轻质材料或其它减少荷载的方法.如工业厂房的屋架可在下弦增设临时支柱,或组成撑杆式结构的方法来卸荷；托架的卸荷可以采用上述方法,也可以利用吊车梁作为支点使托架卸荷；柱子一般采用设置临时支柱卸去屋架和吊车梁的荷载；平台结构因其高度不高,一般采用临时支柱进行卸荷.
3.2.2改变结构的静力计算图形：采取措施使结构发生符合设计意图的内力重分布,以调整原有结构中的应力,改善被加固构件的受力情况.如增加支撑或辅助构件以增加结构或构件的刚度,使结构可以按空间结构进行验算,挖掘结构潜力,也可以改善结构的抗振性能；变更荷载的分布情况,或变更构件的支座情况,或施加预应力等来改变构件的弯矩图形；增设撑杆、加设拉杆或将静定结构变为超静定结构来改变精架的内力；将被加固构件与其它结构共同工作形成混合结构,以改善受力情况.
3.2.3原结构的构件截面和连接进行补强.此方法在钢结构加固中是常用的方法,因其涉及面窄,施工较为简便,尤其是在一定的前提条件下,可在负荷状态下加固,这对厂房内的生产影响较小.采用此方法时,应注意以下几点：
（1）注意加固时净空的限制,要使杆件不与其它杆件或零件相碰；
（2）能适应原有构件的几何尺寸或己发生的变形清况,以利于施工；
（3）应尽量减少加固施工的工作量；
（4）尽可能使补强构件的重心位置不变,减少偏心所产生的弯矩；
（5）当采用焊接补强时,应采用合理的焊接顺序,减小焊接变形和焊接应力；
（6）补强后构件应便于维护和油漆.
4结语
由于钢结构已经广泛应用于现代化工程建设中,从厂房到住宅到商场,对于钢结构建筑的设计应用已经成为当前建筑领域的研究热点.