单层轻钢厂房优化设计探讨

★石油化工安全环保技术★　ＰＥＴＲ０ｃＨＥＭＩｃＡＬ　ＳＡＦＥＴＹ　ＡＮＤ　ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ　ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２０１６年第３２卷第５期　４　单层轻钢厂房优化设计探讨　张　炜　（中国石化工程建设有限公司，北京１００１０１）　摘　要：结合石油化工工程实例，对门式刚架厂房柱脚与基础两种不同的连接形式以及　将门式刚架厂房与排架结构厂房进行对比分析，并针对相关的安全技术问题进行探讨，指出　门式刚架厂房柱脚方案选择以及屋面结构形式对比选择的必要性。　关键词：门式刚架轻钢厂房柱脚排架结构　在工业厂房设计中，较常见的结构形式主要　有两种——门式刚架和排架。门式刚架结构具有　的规定，变截面门式刚架采用弹性分析方法确　定各种内力，按平面结构分析内力，门式刚架　的设计原则：保证结构的整体性。门式刚架属　于平面结构，它们在纵向构件、支撑和围护结　构的联系下形成空间的稳定体系，结构组成空　间静定结构，才能稳定承担各种荷载和其他外　在效应。　１．４门式刚架荷载　自重轻、承载力高、整体刚度、稳定性、抗震性　能以及安全性好，制作简便、施工周期短、可建　大空间、大跨度房屋等特点，在日常生活中被广　泛应用。南于上游专业以及厂房使用功能的要　求，排架结构厂房也很普遍。在厂房的结构设计　过程中，应通过对结构的选型以及设计方案的选　择上合理配置，使结构设计不仅技术上安全可　行，而且应争取在经济上达到最优。　门式刚架结构上作用的荷载一般有：竖直　荷载（结构自重、雪荷载、积灰荷载、竖向地　１　门式刚架结构概述　１．１　门式刚架轻型厂房可分为四大部分：　震荷载等）和水平荷载（风荷载、吊车刹车力、　水平地震荷载等），由于门式刚架轻型厂房的　结构自重轻，地震作用相对较小，荷载效应　时，风荷载不与地震作用同时考虑。　１．５设计依据及力学参数控制指标　Ｉ）主结构：刚架梁、柱，吊车梁；２）次结　构：屋面檩条、墙面檩条、抗风柱、墙梁；３）支　撑结构：屋面水平支撑、柱间支撑、系杆；４）围　护结构：屋面板、墙面板。　１．２　门式刚架轻型厂房设计内容　１）门式刚架结构设计的主要依据为《钢结构　１）柱网布置，上游专业确定厂房的的大　小，柱距、梁的跨度；２）刚架荷载的取值，包　括竖向荷载，也就是门式刚架梁上各部件的重　设计规范》（ＧＢ　５００１７－－２００３）、《门式刚架轻型　房屋钢结构技术规程》（ＣＥＣＳ　１０２：２００２）（２０１２　年版）和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（ＧＢ　５００１８－－２００２）。　量，雪荷载，积灰荷载等；水平荷载，水平荷　载包括风荷载，吊车荷载和水平地震荷载；３）　２）结构力学参数控制指标，如表（１）所示：　刚架梁柱截面设计选取和刚架的内力和侧移计　算；４）檩条设计；５）隅撑设计，６）确定屋面　支撑和柱间支撑的形式。　１．３　门式刚架轻型厂房设计的一般原则（实腹式　收稿日期：２０１６—０８—２３。　作者简介：张炜，男，２００７年毕业于华中科技大学　土木工程专业，工学学士；２００９年取得北京交通大　学结构工程专业工学硕士学位，工程师。电话：　０１０—８４８７５２３　１　变截面Ｈ型钢）　根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》　２０１６年第３２卷第５期　★　张　炜，单层轻铜厂房优化设计探讨　★　表１结构力学参数控制指标　力学参数　应力比　长细比　１５Ｏ　轴压比　Ｏ．２　（ＧＢ　５００１７－宽厚比　位移（挠度）　柱　屋面梁　０．８０　参见《建筑抗震设计规范》　２０１０）第９．２．１４条　同上　Ｏ．８Ｏ　吊车梁　屋面檩条　墙面檩条　Ｏ．８Ｏ　０．９０　Ｏ．８５　同上　同上　见《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（ＣＥＣＳ　１０２：２００２）表３．４．２－１、表３．４．２－１　柱间支撑　屋面支撑　Ｏ．１５０（下柱）　６０　２００（上柱）　３０ｏ　参见《建筑抗震设计规范》　（ＧＢ　５００１７２０１０）第８．４．１条　－０．７０　２排架结构概述　排架结构厂房主要是由横向及纵向平面排架构　３柱脚刚接和铰接两种连接形式对比　《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》ＣＥＣＳ　１０２：２００２第４．１．４条规定：“门式刚架的柱脚多　按铰接支承设计，通常为平板支座，设一对或两　对地脚螺栓。当用于工业厂房且有５　ｔ以上桥式　吊车时，宜将柱脚设计成刚接”。柱脚刚接时，　成其承重体系。横向平面排架是由横梁（屋架或屋　面梁）和横向柱列（包括基础）组成，是厂房的基本　承重结构。厂房结构承受的竖向荷载及水平荷载主　要是通过横向平面排架传至基础和地基。主要受力　构件是横梁（屋面梁或屋架）、柱和基础。　与门式刚架最大的不同是：排架柱与横梁铰　接，与基础刚接。　基础要承受较大的偏心弯矩，在同等情况下，基　础比柱脚铰接时大，这对于石化装置相对紧张的　平面布置很不利。而柱脚铰接时，柱顶位移相对　为了简化计算，对于排架结构设计一般作如下　假定：　１）柱下端与基础顶面为刚接，不考虑基础位　较大，为控制位移，一般会加大柱截面，这样又　会导致用钢量的增加而不经济。因此，柱脚是刚　接还是铰接是压缩机厂房方案设计过程中很重要　的问题。　移和转动对排架内力及变形的影响；　２）柱顶与排架横梁为铰接，不能传递弯矩；　３）横梁为轴向刚度很大（可取ＥＡ＝∞）的刚　《门刚规程》里讲“当用于工业厂房且有５　ｔ　以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接”，是否　性连杆，不考虑其变形；　４）每榀排架是工作的平面体系，各榀之　问互不联系。即不考虑各榀排架之间的相互影响。　意味着有无５　ｔ以上桥式吊车，是判定柱脚刚接　还是铰接的唯一条件呢？柱脚铰接时，钢柱基础　顶部所承受的作用力有竖直力和水平力，而刚接　时柱脚上的作用力还包括一个弯矩，特别是在厂房　较高及吊车吨位、风荷载较大的情况下，刚架底端　的弯矩相应也很大，水平剪力在基础底面所合成的　弯矩值较大。因此，柱脚形式的选取，除与吊车有　关外，还要取决于厂房的高度以及风荷载的大小。　下面以一具体工程实例，在自然条件、荷载选　取相同以及柱应力比控制相同的情况下，分别采用　刚接及铰接柱脚用ＰＫＰＭ．ＳＴＳ软件进行计算分析。　工程概况：门式刚架厂房跨度１８　１１３，桥式吊　车５　ｔ，轨顶标高１０．７　Ｉｎ，檐口高度１１．９　ｍ。风　图１框排架计算　荷载０．７５　ｋＮ／ｍ　，所处地区抗震设防烈度７度，　作用在横向排架结构上的荷载情况与门式刚　架相同。　第一组。　控制厂房柱应力比基本相同：　６　★石油化工安全环保技术★　２０１６年第３２卷第５期　５７（１５６）　５０（２５）　５７（１５８）　５０（２５）　６１（８６）　７７（１３ｏ）　．．５９（８５）７５（１３１）　图２刚架应力（柱脚刚接）　图３刚架应力（柱脚铰接）　计算结果：　（１／２４２）　４．５　图４左风（标准值）节点位移（柱脚刚接）　图５左风（标准值）节点位移（柱脚铰接）　３　图６刚架立面（柱脚刚接）　图７刚架立面（柱脚铰接）　表２梁、柱截面及基础　下柱截面／ｒａｍ　柱脚刚接　Ｈ６５Ｏ×３５０×１６×２０　上柱截面／Ｉｎｍ　Ｈ３５Ｏ×３ｏｏ×１６×２０　梁截面／ｍｍ　Ｈ４０Ｏ×３００×１４×ｌ８　基础底板尺寸／ｍ　２．６×４．２　承台桩数　４　柱脚铰接　Ｈ６９０×３５０×１６×２０　／１４７０×４００×１６×２０　Ｈ５００×４５０×１４×ｌ８　２：、４×３．Ｏ　３　２０１６年第３２卷第５期　★　张炜．单层轻铜厂房优化设计探讨　★　梁、柱截面及基础见表２，由表２可以看出：　柱脚刚接时，截面较小，位移也小，截面由应力　为排架结构，而自然条件、荷载均不变，柱应力　比也控制相同。选用ＰＫＰＭ软件中的ＰＫ模块对　控制；而柱脚铰接时，截面及位移都比刚接时　大，截面由位移控制。在控制厂房柱应力比相同　横向排架进行建模计算。　控制厂房柱应力比相同：　１４（１７１）　０８（２５）　的情况下，柱脚刚接时，厂房梁柱截面比柱脚铰　接时要小。经统计，厂房梁柱用钢量柱脚刚接大　概是柱脚铰接时的７７．２％；但柱脚刚接比柱脚铰　接时基础面积大３０％以上，桩数相应也多。　综上所述，柱脚形式的选取，除需考虑厂房　高度、基本风压以及吊车吨位等条件外，还需对　刚架构件截面大小、基础大小等经济性因素以及　基础大小在装置平面内摆放的合理性等因素进行　综合考虑。在设计时，应选择两种柱脚形式进行　试算，选出既经济又合理的最优柱脚连接方案。　５８（９８）　６７（１１３）　４　门式刚架、排架两种结构形式对比　将上文工程实例结构形式由门式刚架结构改　０　０　图８横向排架应力　计算结果：　０　０　图９横向排架左风（标准值）节点位移　图１０横向排架立面　梁、柱截面及基础见表３。　表３梁、柱截面及基础情况　下柱截面／ｍｍ　上柱截面／ｍｍ　梁截面／ｍｍ　基础底板ｍ　承台桩数　门式冈ｑ架　排架　Ｈ６５Ｏ　ｘ３５０×１６×２０　｝ｌ７０ｏ×４００×１６×２０　Ｈ３５０×３００×１６　Ｘ２０　｜ｊ　ｘ３００×１６×２０　Ｈ４００×３００×１４×１８　ＧＷＪ１８４（１　６５９　Ｋｇ）　２．６×４．２　２．７×４．４　４　４　由表３可以看出，在相同条件下，１）排架　结构比门式刚架位移略大；厂房下柱截面排架　结构比门式刚架大；由于受柱长细比，厂　尺寸略大。整体来讲，对于厂房柱截面的选取　以及基础大小的控制上可能门式刚架略优于排　架结构。但厂房除了刚架、排架柱、屋盖等主　要钢结构构件外，还有其它次要构件。不能轻　易认定门式刚架与排架结构哪个更经济，需对　两种结构形式分别进行试算，综合比较。对于厂　（下转第１１页）　房上柱排架需与门式刚架取相同截面才能满足　要求，但上柱应力比较小；经统计，总用钢量　门式刚架大概为排架结构的９２％；２）两者基　础大小很接近，排架结构比门式刚架基础底板　２０１６年第３２卷第５期　★　刘　侃．乙烯精馏系统流程优化改造　★　１１　乙烯收率相比改造前提高０．９２％，能耗下降６．６６　个单位，八个月内即可收回全部投资。　通过此次改造可以总结出，对于非热泵系统的　乙烯精馏系统，乙烯精馏塔操作的常见问题集中在　一一　冷凝回流系统能力不足、塔板处理能力不足等方　面。对于使用三元冷剂作为乙烯精馏塔冷凝器冷源