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黑龙江省建筑设计研究院
摘要：本文就主要通过工程实例来进行探究，分析实例工程的荷载取值、结构布置以及结构设计方法，对比分析两个结构设计方法的不同，得出更加实用的结构设计方法，以更好的对单层钢结构厂房结构进行设计。希望通过本文的探究，能够为相关的人员提供一定的参考和借鉴。
关键词：重载吊车；单层钢结构；厂房；结构设计
我国土木工程要想得到更好的发展，就需要广泛的应用钢结构。而在钢结构中，单层钢结构厂房结构应用最为广泛。这一结构基本上是由吊车梁以及各种支撑构件等构成的一种空间体系，其作为一种承重结构而存在，其能够承受厂房结构的横向和竖向荷载。而在生产要求进一步提升的基础上，厂房中的吊车载重性能也需要有所提升，下面本文就主要针对工程实例来对设置重载吊车的单层钢结构厂房结构设计进行深入的分析。
1、工程概况
某工程为制造车间钢结构厂房，该厂房主要是用来进行核电模块生产的基地，该厂房的占地面积就达到了8895㎡，而其高度则为26.8m，该厂房的楼层数总共为一层，属于平房。该厂房采用的结构形式主要为双跨高单层刚架结构，其应用的高单层刚架每一个跨度均达到了23.5m，而且每一个高单层刚架上均设置了一个垮台，该垮台可承受重量为500/160KN的吊车，在吊车的轨道顶部，标准高度设置为19.5m，而每一根柱之间的距离均为8.5m，柱的总长度达到了179.5m。同时，该厂房的檐口高度设定为26.1m，厂房在建设的时候，有一定的倾斜坡度。该厂房采用的是7级抗震级别进行设计，在设计的过程中，使得地震的加速度值设定为0.10g。
2、荷载取值
该厂房所承受的荷载主要来自于竖向荷载和横向荷载。这两种荷载中，竖向荷载除了包含自身的重量之外，还包含了吊车所呈现的竖向荷载，另外还有屋面所具有的荷载。而水平荷载，则主要承担的是调车的水平荷载以及地震作用等。
严格的依照当地的基本风压进行选值，可以将基本风压值设定为0.45KN/㎡，而通过对厂房建设地的地面粗糙度进行分析，可以将该区域的地面粗糙等级划分为B级。根据计算的结果，该厂房屋面的恒荷载值为0.40KN/㎡，活荷载值则为0.60KN/㎡，而雪荷载值则可以取0.60KN/㎡，相较于恒荷载值来说，活荷载值以及雪荷载值均较高。而吊车选择的时候，要选择荷载为550KN重量的吊车。
3、结构布置
3.1刚架主体部分布置。在对刚架的主体部分进行布置的过程中，需要选用的钢型号为Q345B钢，而在主刚架中，则需要应用到的柱类型为阶形柱。一般来说，在中柱的下半段位置处，其受到压力相对较大，同时平面上计算长度也相对较长，如果采用工字形的截面进行结构布置，那么将无法高效的满足刚架主体结构布置的实际需求。因此，需要合理的应用实腹形式的箱型柱焊接截面，除了中柱的下半段柱采用这种截面形式之外，其他的柱段均可以采用工字形实腹形式截面。一般来说，这种工字形的截面最适合应用在刚架梁中。依据截面与梁柱进行连接，严格的依据弯矩的变化情况来进行弯矩具体数值的确定，将弯矩变化的分界点当做分段点，将分段的比值确定为1：2：1，这样可以使得钢材得到更为充分的应用，以减少浪费。
3.2由于吊车吨位较大，吊车梁采用焊接实腹式工字形等截面梁，设置水平制动系统，制动梁外侧翼缘选用槽钢。
3.3屋面支撑采用柔性拉杆加刚性系杆。阶形柱的下段柱受大吨位吊车纵向刹车力作用较大，且截面较高，柱间支撑宜在两个柱肢内成对设置，即为双片支撑。
4、结构设计方法
采用PKPM系列软件STS钢结构版块中的框架设计软件，建立厂房框架三维模型，除梁、柱构件外，支撑构件（柱间支撑、屋面支撑）也需要准确输入。由于吊车荷载作用在牛腿处的吊车梁上，所以在牛腿处应设置一个标准楼层，并且在沿吊车运行轨迹方向上应定义框架梁，或者将吊车梁按两端铰接梁定义、输入，这是因为吊车荷载的移动顺序是通过运行轨迹上的梁来确定的。
4.1方案一
①主刚架梁的竖向挠度限值取其跨度的1/400，水平挠度限值取其跨度的1/500；对于吊车梁，竖向挠度限值取其跨度的1/1000。
②柱、吊车梁和吊车梁以下作为受压杆的柱问支撑构件长细比几镇150，吊车梁以下作为受拉构件的柱问支撑长细比γ300，其他受拉杆长细比γ400。
③为加强厂房整体刚度，对于有大吨位吊车的厂房应采用刚接柱脚。在基础设计中，构造上应保证柱脚底部能承受较大的弯矩和水平剪力，并应保证地基土不出现拉应力。
经计算，刚架的应力、刹梁挠度及柱侧移均不超过钢规规定的限值。风荷载作用下柱顶最大水平位移：
d=Hc/781=32.868mm 4.2方案二
方案二在方法一的基础上将结构中各受力构件进行分类，主刚架梁按《门规》进行验算：
①主刚架柱、吊车梁及制动系统的限值依据同方案。
②主刚架梁设计依据《门规》，竖向挠度限值取其跨度的1/180。经计算，刚架的应力、刹梁挠度及柱侧移均不超过《钢规》规定的限值。风荷载作用下柱顶最大水平位移：
d=Hc/781=33.665mm 5、结果分析
对比分析以上两种设计方案中刚架梁的计算结果，第二种方案比第一种的用钢量少3.62%。将第一种设计方案用PKPM系列软件STS钢结构版块中的门式刚架二维设计进行校核，发现钢梁的受力状态与门式刚架结构相同，下部吊车荷载对屋面影响不大。钢梁的挠度最大为L/352，大于《钢规》要求、小于《门规》要求，这比完全按照《钢规》要求控制的经济效果要好，且施工过程中梁起拱后可达到或接近《钢规》要求。
这是因为门式刚架的梁柱是作为一个整体承受各种荷载的。对于竖向荷载来说，在吊车梁以下部分，门式刚架与框架的受力情况基本相同，因此门式刚架结构是可以承受大吨位吊车荷载的；吊车梁以上的受力，含大吨位吊车的厂房与一般轻型厂房没有本质上的区别。对于横向水平荷载，关键在于控制刚架的侧移。因此，将框架结构与门式刚架结构相结合，依据《钢规》控制刚架柱侧移和吊车梁变形、《门规》控制刚架梁的变形，这一思路是完全可行的，只是应当充分考虑柱变形对屋面梁的影响。
另外，柱构件应采用刚接柱脚，构件的验算规范指定为《钢规》。考虑到梁构件一般采用坡面梁，会存在一定的轴力影响，尤其是采用变截面梁的情况下。
基于以上两个原因，本文认为方案二的设计方法可以适用于此类结构。
6、结语
通过本文的分析可以充分的了解到，如果吊车的重量超过了200KN，而采用的单层刚结构厂房又不具备特殊性，那么就需要合理的应用类似于刚架形式的结构进行布置，有效的将下半部分的框架与上半部分的刚架结合在一起，从而构成轻型的屋面结构体系。然而，在进行设计的过程中，也需要严格的注重各项设计规范，依据规范展开设计，同时要合理的对结构承重力进行计算，在地震高发区，要对地震作用进行系统的计算，这样才能够实现对设置重载吊车的单层钢结构厂房结构的合理设计。
参考文献：
[1]王元清，陈全，陈宏，石永久.大吨位吊车门式刚架钢结构厂房的轻型化设计[J].工业建筑.2012（07）
[2]王元清，王春光，袁英战.门式刚架轻型钢结构工业厂房基础设计与研究[J].建筑结构.2010（04）
[3]吴涛.大吨位吊车重型钢结构厂房的设计与计算[D].天津大学2009
[4]董军，主编.钢结构原理与设计[M].中国建筑工业出版社，2008
摘要：本文就主要通过工程实例来进行探究，分析实例工程的荷载取值、结构布置以及结构设计方法，对比分析两个结构设计方法的不同，得出更加实用的结构设计方法，以更好的对单层钢结构厂房结构进行设计。希望通过本文的探究，能够为相关的人员提供一定的参考和借鉴。
关键词：重载吊车；单层钢结构；厂房；结构设计
我国土木工程要想得到更好的发展，就需要广泛的应用钢结构。而在钢结构中，单层钢结构厂房结构应用最为广泛。这一结构基本上是由吊车梁以及各种支撑构件等构成的一种空间体系，其作为一种承重结构而存在，其能够承受厂房结构的横向和竖向荷载。而在生产要求进一步提升的基础上，厂房中的吊车载重性能也需要有所提升，下面本文就主要针对工程实例来对设置重载吊车的单层钢结构厂房结构设计进行深入的分析。
1、工程概况
某工程为制造车间钢结构厂房，该厂房主要是用来进行核电模块生产的基地，该厂房的占地面积就达到了8895㎡，而其高度则为26.8m，该厂房的楼层数总共为一层，属于平房。该厂房采用的结构形式主要为双跨高单层刚架结构，其应用的高单层刚架每一个跨度均达到了23.5m，而且每一个高单层刚架上均设置了一个垮台，该垮台可承受重量为500/160KN的吊车，在吊车的轨道顶部，标准高度设置为19.5m，而每一根柱之间的距离均为8.5m，柱的总长度达到了179.5m。同时，该厂房的檐口高度设定为26.1m，厂房在建设的时候，有一定的倾斜坡度。该厂房采用的是7级抗震级别进行设计，在设计的过程中，使得地震的加速度值设定为0.10g。
2、荷载取值
该厂房所承受的荷载主要来自于竖向荷载和横向荷载。这两种荷载中，竖向荷载除了包含自身的重量之外，还包含了吊车所呈现的竖向荷载，另外还有屋面所具有的荷载。而水平荷载，则主要承担的是调车的水平荷载以及地震作用等。
严格的依照当地的基本风压进行选值，可以将基本风压值设定为0.45KN/㎡，而通过对厂房建设地的地面粗糙度进行分析，可以将该区域的地面粗糙等级划分为B级。根据计算的结果，该厂房屋面的恒荷载值为0.40KN/㎡，活荷载值则为0.60KN/㎡，而雪荷载值则可以取0.60KN/㎡，相较于恒荷载值来说，活荷载值以及雪荷载值均较高。而吊车选择的时候，要选择荷载为550KN重量的吊车。
3、结构布置
3.1刚架主体部分布置。在对刚架的主体部分进行布置的过程中，需要选用的钢型号为Q345B钢，而在主刚架中，则需要应用到的柱类型为阶形柱。一般来说，在中柱的下半段位置处，其受到压力相对较大，同时平面上计算长度也相对较长，如果采用工字形的截面进行结构布置，那么将无法高效的满足刚架主体结构布置的实际需求。因此，需要合理的应用实腹形式的箱型柱焊接截面，除了中柱的下半段柱采用这种截面形式之外，其他的柱段均可以采用工字形实腹形式截面。一般来说，这种工字形的截面最适合应用在刚架梁中。依据截面与梁柱进行连接，严格的依据弯矩的变化情况来进行弯矩具体数值的确定，将弯矩变化的分界点当做分段点，将分段的比值确定为1：2：1，这样可以使得钢材得到更为充分的应用，以减少浪费。
3.2由于吊车吨位较大，吊车梁采用焊接实腹式工字形等截面梁，设置水平制动系统，制动梁外侧翼缘选用槽钢。
3.3屋面支撑采用柔性拉杆加刚性系杆。阶形柱的下段柱受大吨位吊车纵向刹车力作用较大，且截面较高，柱间支撑宜在两个柱肢内成对设置，即为双片支撑。
4、结构设计方法
采用PKPM系列软件STS钢结构版块中的框架设计软件，建立厂房框架三维模型，除梁、柱构件外，支撑构件（柱间支撑、屋面支撑）也需要准确输入。由于吊车荷载作用在牛腿处的吊车梁上，所以在牛腿处应设置一个标准楼层，并且在沿吊车运行轨迹方向上应定义框架梁，或者将吊车梁按两端铰接梁定义、输入，这是因为吊车荷载的移动顺序是通过运行轨迹上的梁来确定的。
4.1方案一
①主刚架梁的竖向挠度限值取其跨度的1/400，水平挠度限值取其跨度的1/500；对于吊车梁，竖向挠度限值取其跨度的1/1000。
②柱、吊车梁和吊车梁以下作为受压杆的柱问支撑构件长细比几镇150，吊车梁以下作为受拉构件的柱问支撑长细比γ300，其他受拉杆长细比γ400。
③为加强厂房整体刚度，对于有大吨位吊车的厂房应采用刚接柱脚。在基础设计中，构造上应保证柱脚底部能承受较大的弯矩和水平剪力，并应保证地基土不出现拉应力。
经计算，刚架的应力、刹梁挠度及柱侧移均不超过钢规规定的限值。风荷载作用下柱顶最大水平位移：
d=Hc/781=32.868mm
方案二在方法一的基础上将结构中各受力构件进行分类，主刚架梁按《门规》进行验算：
①主刚架柱、吊车梁及制动系统的限值依据同方案。
②主刚架梁设计依据《门规》，竖向挠度限值取其跨度的1/180。经计算，刚架的应力、刹梁挠度及柱侧移均不超过《钢规》规定的限值。风荷载作用下柱顶最大水平位移：
d=Hc/781=33.665mm
对比分析以上两种设计方案中刚架梁的计算结果，第二种方案比第一种的用钢量少3.62%。将第一种设计方案用PKPM系列软件STS钢结构版块中的门式刚架二维设计进行校核，发现钢梁的受力状态与门式刚架结构相同，下部吊车荷载对屋面影响不大。钢梁的挠度最大为L/352，大于《钢规》要求、小于《门规》要求，这比完全按照《钢规》要求控制的经济效果要好，且施工过程中梁起拱后可达到或接近《钢规》要求。
这是因为门式刚架的梁柱是作为一个整体承受各种荷载的。对于竖向荷载来说，在吊车梁以下部分，门式刚架与框架的受力情况基本相同，因此门式刚架结构是可以承受大吨位吊车荷载的；吊车梁以上的受力，含大吨位吊车的厂房与一般轻型厂房没有本质上的区别。对于横向水平荷载，关键在于控制刚架的侧移。因此，将框架结构与门式刚架结构相结合，依据《钢规》控制刚架柱侧移和吊车梁变形、《门规》控制刚架梁的变形，这一思路是完全可行的，只是应当充分考虑柱变形对屋面梁的影响。
另外，柱构件应采用刚接柱脚，构件的验算规范指定为《钢规》。考虑到梁构件一般采用坡面梁，会存在一定的轴力影响，尤其是采用变截面梁的情况下。
基于以上两个原因，本文认为方案二的设计方法可以适用于此类结构。
6、结语
通过本文的分析可以充分的了解到，如果吊车的重量超过了200KN，而采用的单层刚结构厂房又不具备特殊性，那么就需要合理的应用类似于刚架形式的结构进行布置，有效的将下半部分的框架与上半部分的刚架结合在一起，从而构成轻型的屋面结构体系。然而，在进行设计的过程中，也需要严格的注重各项设计规范，依据规范展开设计，同时要合理的对结构承重力进行计算，在地震高发区，要对地震作用进行系统的计算，这样才能够实现对设置重载吊车的单层钢结构厂房结构的合理设计。
参考文献：
[1]王元清，陈全，陈宏，石永久.大吨位吊车门式刚架钢结构厂房的轻型化设计[J].工业建筑.2012（07）
[2]王元清，王春光，袁英战.门式刚架轻型钢结构工业厂房基础设计与研究[J].建筑结构.2010（04）
[3]吴涛.大吨位吊车重型钢结构厂房的设计与计算[D].天津大学2009
[4]董军，主编.钢结构原理与设计[M].中国建筑工业出版社，2008