核心提示： 現(xiàn)代鋼結(jié)構大噸位吊車門式剛架鋼結(jié)構廠房的輕型化設計王元清陳全陳宏石永久（清華大學土木工程系北京10⑴84）大噸位吊車情況下鋼結(jié)構廠房的輕型化設計問題。并通過一個工程實例介紹了設計全過程，重點強調(diào)了
現(xiàn)代鋼結(jié)構大噸位吊車門式剛架鋼結(jié)構廠房的輕型化設計王元清陳全陳宏石永久（清華大學土木工程系北京10⑴84）大噸位吊車情況下鋼結(jié)構廠房的輕型化設計問題。并通過一個工程實例介紹了設計全過程，重點強調(diào)了一些特殊處理措施，最后分析了吊車噸位和柱距對用鋼量的影響，為解決類似的設計問題提供了成功的范例。
1概述隨著我國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，由于生產(chǎn)的需要，門式剛架輕型鋼結(jié)構以其用鋼量低、造價低、節(jié)能環(huán)保、適用范圍廣等優(yōu)點而獲得廣泛的應用。特別是門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構技術規(guī)程（CECS102：98）公布實行之后，使得國內(nèi)從事輕鋼設計技術人員有據(jù)可依，大大地推動了輕鋼結(jié)構的發(fā)展。該規(guī)程適用于主要承重結(jié)構為單跨或多跨實腹式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或起重量不大于20t（剛架間距6m時不大于30）的中、輕級工作制橋式吊車或3t懸掛式起重機的單層房屋結(jié)構的設計、制作和安裝。
但是，在有些工程實例中會出現(xiàn)超過以上限值的大噸位吊車和輕型圍護系統(tǒng)的鋼結(jié)構廠房的設計，設計人員無規(guī)可循，導致大部分設計仍沿用現(xiàn)行的普通鋼結(jié)構設計規(guī)范來進行設計和計算，使得設計用鋼量指標高攀不下，或在沒有充分理論依據(jù)的情況下，憑經(jīng)驗一味地追求低用鋼量而使結(jié)構的安全度降低。如何進行大噸位吊車門式剛架鋼結(jié)構廠房的輕型化設計，筆者結(jié)合以下工程實例加以討論，以供。
2工程背景某集團變壓器有限公司特型變壓器廠房長108m，柱距12m，主跨為24. 00m，設有雙層吊車，下層1臺101，上層2臺50t跨度均為22 50m軌頂標高分別為7. 330m，均為中級工作制。主跨右有一188m附跨，內(nèi)設1臺5t吊車，軌頂標高為7970m為了避免與原廠房的基礎沖突，左邊還有一跨度為498m的兩層懸挑結(jié)構，其剖面見。
3設計要求50t門式剛架廠房設計己超出門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構技術規(guī)程的適用范圍，設計主剛架、吊車梁及制動桁架時，可通過鋼結(jié)構設計規(guī)范〉來控制剛架柱側(cè)移及吊車梁變形，剛架梁和圍護結(jié)構變形仍可按門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構技術規(guī)程〉進行設計。
（1）根據(jù)鋼結(jié)構設計規(guī)范〉〉（GB18-87）并參照〈門式剛架第一作者：王元清男1962年2月出生副教授輕型房屋結(jié)構技術規(guī)程>〉（CECS 102=98）：主剛架梁的撓度限值融結(jié)構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型軟件包。取其跨度的1/ 180風荷載標準值作用下的主剛架柱側(cè)移限值取其高度的1/240對于吊車梁，當?shù)踯噰嵨?gt;50t時，豎向撓度限值取其跨度的1/750水平撓度取其跨度的1/2200當?shù)踯噰嵨?lt;50t時，豎向撓度限值取其跨度的1/600.―87）對有重級工作制吊車的主剛架要求在僅有一臺吊車水平剎車情況下，柱頂相對1/1250.對中輕級工作制吊車規(guī)范沒有明確規(guī)定，考慮到吊車噸位大，水平剎車力大，對剛架整體水平側(cè)移剛度要求高，參照類似工程經(jīng)驗，我們認為，△/一般宜小于1/750.為加強廠房整體剛度，對于大噸位吊車廠房應采用剛接柱腳。在基礎設計中，構造上應保證柱腳底能承受較大的彎矩和水平剪力，并保證基底不出現(xiàn)拉應力區(qū)。
圍護結(jié)構參照〈門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構技術規(guī)程（CECS 102：98），檁條撓度<"150，墻梁撓度<v10q其它受壓桿長細比<180吊車梁以下柱間支撐長細長<300其它受4結(jié)構設計方案根據(jù)上述設計要求并結(jié)合本工程的特點，進行結(jié)構方案布置：主剛架柱為焊接工字型實腹式單階柱，梁為焊接工字型實腹式變截面梁，梁分段節(jié)點采用摩擦型高強螺栓連接；梁柱連接采用端板平放式摩擦型高強螺栓連接節(jié)點；柱腳為剛性連接。
由于吊車噸位較大，橫向水平剎車荷載較大，吊車梁設計為焊接工字型實腹式等截面梁，并設置水平制動桁架以抵抗較大的水平剎車荷載。
檁條采用薄壁鋼管焊成的格構式檁條；墻梁根據(jù)現(xiàn)場布板要求均采用冷彎薄壁型鋼，中間設置墻架柱。
屋面支撐采用輕鋼結(jié)構常用的柔性拉桿加剛性系桿體系，考慮到大噸位吊車縱向剎車力較大，吊車梁以下柱間支撐則采用雙片剛性支撐體系。
5主剛架結(jié)構分析計算軟件采用國際著名的通用有限元軟件ANSYS，它是軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。可以通過二維beam54梁單元解決變截面剛架的計算問題。在模型計算中主要用到ANSYS軟件提供的結(jié)構靜力分析模塊，求解荷載引起的位移和應力。
51計算模型計算時，按平面結(jié)構處理，以一榀剛架為單元，將剛架附屬結(jié)構簡化為荷載處理，既突出主要的影響因素，又大大簡化了計算，其計算模型見52計算取值主剛架和吊車梁均采用Q345彈性模量E= 206X103MPa泊松比M=0.3抗拉強度/=315MPa抗剪強度fV=185MPa連接采用109級M24摩擦型高強螺栓。
荷載取值：恒載、活載、雪載和風載的取值見表1，吊車主要性能參數(shù)見表2地震按7度地震設防烈度考慮。
表1荷載標準值kN/m2類型恒荷活荷雪荷基本風壓取值―87）并參照門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構技術規(guī)f程〉（CECS 102：98），驗算主剛架的強度和剛度，考慮表3的前9種計算工況；驗算基礎、剛架柱的穩(wěn)定和柱頂水平位移，還須分別驗算其它一些工況，由于吊車最大輪壓作用位置和風荷載的作用方向的不同而產(chǎn)生的組合很多，大多數(shù)都不起控制作用，所以表3列出了可能起控制作用的5種補充工況，即表3的1014種工況。
以上工況作用下主要構件應力和撓度計算結(jié)果及優(yōu)化后的截面尺寸見表4.表2吊車主要性能參數(shù)起重量Gn跨度輪距橋架寬度B/m小車重g/kN總重最大輪壓Pmax/kN最小輪壓注：（1）吊車工作制：中級；（2）吊車每側(cè)輪數(shù)：2個。
經(jīng)計算，剛架的應力、撓度及側(cè)移均不超過我國規(guī)范規(guī)定的設計限值，剛架柱的穩(wěn)定也符合我國規(guī)范的設計要求。
6吊車梁的設計分析考慮輕鋼結(jié)構的特點，吊車梁均采用實腹式加水平制動桁架體系，吊車的設計參數(shù)見表2.根據(jù)工業(yè)廠房的設計要求，吊車梁設計一般要驗算強度、整體穩(wěn)定、疲勞、剛度等項目其截面尺寸和計算結(jié)果見表5.大噸位吊車門式剛架鋼結(jié)構廠房的輕型化設計71994-2015dnaAcademicloumal表3計算工況工況活荷載風荷載0.85主跨吊車（只考慮上層50t）附跨吊車恒荷Pmax在左Pmax在右Pmax在左Pmax在右地震作用驗算注：（1）表中所列荷載均為設計值，所列系數(shù)為該工況荷載組合系數(shù)，有風荷載組合時為0 85無風時為1.0；※代表該項荷載向右代表該項荷載向左，代表該項荷載參與作用；按機械廠房設計要求，50t、10t和5t吊車均按2臺考慮，水平荷載只考慮2臺50t吊車表4構件應力（MPa）、撓度及截面尺寸（mm）剛架柱應力24m跨斜梁18m跨斜梁工況剛架斜梁應力表5吊車梁應力、撓度計算結(jié)果序號截面尺寸/mm跨度L/正應力/剪應力/mMPaMPa跨中撓度w/L 5t吊車梁10t吊車梁50t吊車梁表6柱距為12m時的用鋼量構件名稱鋼材用量/t單位用量/（kgDm2）比例/%剛架吊車梁圍護結(jié)構合計注：（1）應力系按照荷載設計值計算，撓度按照荷載標準值計算；（2）剛架柱應力為考慮穩(wěn)定后的應力。72柱距對用鋼量的影響為了便于比較，我們分別對柱距為9m和6m的情況作了相應的計算，其結(jié)果見表7 7經(jīng)濟分析71用鋼量分析對于帶有吊車的鋼結(jié)構廠房，吊車的噸位對總用鋼量影響很大，為了便于定量分析，我們對各部分的用鋼量進行了統(tǒng)計，其結(jié)果見表6.從表6可以看出，主體結(jié)構的用鋼量較以往〈鋼結(jié)構設計規(guī)范〉設計的廠房用鋼量（80~100kg/m2）明顯降低，但是吊車梁用鋼量所占的比例很大，這是由于廠房因工藝布置需要而采用了12m柱距，加之吊車噸位較大，為方便加工制作，吊車梁采用了等截面形式造成的。
表7不同跨度下的用鋼量比較跨度/剛架/吊車梁/圍護結(jié)構/總重/單位用量/從上表可以清楚地看到，隨著柱距增大，剛架的用鋼量明顯減少，但同時吊車梁的用鋼量也有很大程度的增加，柱（下轉(zhuǎn)第22頁）輕質(zhì)高強是建筑材料的發(fā)展方向，但由此帶來的墻體隔聲能力的下降應引起足夠的重視，墻體構造設計要嚴格按照有關隔聲標準要求進行；樓板隔絕撞擊聲的能力是目前建筑聲環(huán)境中的突出問題，光裸的混凝土樓板上采用剛性面層時其撞擊聲指數(shù)均在80dB（A）以上，不能滿足一般建筑（如住宅、醫(yī)院、學校等）的隔聲要求，要采用彈性樓地面層、浮筑樓板或在樓板下增加隔聲頂棚等措施予以解決；建筑的門窗是建筑物圍護結(jié)構中隔聲的薄弱環(huán)節(jié)，在構造設計時必須注意其隔聲性能，并結(jié)合節(jié)能、防盜等功能考慮。
建筑裝飾采用的飾面材料和構造對建筑空間內(nèi)的聲音傳播和反射都有影響，因此要根據(jù)使用空間的要求考慮其隔聲和吸聲性能，如開敞辦公室的隔斷（相當于聲屏障）要求有一定的隔聲能力，頂棚、地面要有一定的吸聲性能，這對控制辦公空間的噪聲頗有效果，某些特殊的空間（如會議室）需要采用吸聲和隔聲性能佳的構造；建筑的走廊、門廳等處的墻面、頂棚裝修時適當布置一些吸聲材料，這對改善整個建筑的聲環(huán)境非常有效。當然，要考慮所使用的材料是否會對室內(nèi)空氣品質(zhì)產(chǎn)生不良影響。
3.3建筑設備設計中的聲環(huán)境保障技術建筑設備產(chǎn)生的噪聲對建筑空間的聲環(huán)境影響隨建筑設備的增多而日趨嚴重。為此，必須從聲環(huán)境的角度考慮建筑設備的選型，要盡量選擇噪聲水平低的設備，使其符合建設項目的聲環(huán)境標準；設備安裝時要考慮隔振隔聲措施；在管道系統(tǒng)中，要在滿足使用要求的情況下盡可能減低流體的流速，并增加消聲器或采用柔性接口；安裝管道時增加隔聲或隔振襯墊。
3.4建筑環(huán)境中的有源控制技術所謂有源噪聲控制即是在噪聲環(huán)境中，將采用傳聲器探測到的噪聲信號傳輸至控制器，由控制器產(chǎn)生的新聲波（次級聲源）與原噪聲聲級相同但相位相反，從而使環(huán)境噪聲降低（實際不能消除）在聲學學科的許多領域?qū)τ性丛肼暱刂七M行著廣泛的研宄，某些技術也己進入應用階段。在建筑聲學中同樣可以有效地運用有源噪聲控制技術，例如利用小型揚聲器或激勵器作為次級聲源放置在雙層輕質(zhì)墻板中間（或裝置在墻板上）以提高輕質(zhì)結(jié)構的隔絕空氣聲的能力，以及利用有源聲吸收、有源聲屏障來有效控制噪聲。雖然目前除正在嘗試在通風管道系統(tǒng)中采取有源噪聲控制技術外，其它實用技術尚未能完全實現(xiàn)，但相信隨著研宄的進一步深化和經(jīng)濟條件的改善會逐步得到廣泛應用。
在安靜的建筑環(huán)境中，如在開敞的辦公室，談話聲會分散人的注意力，降低工作效率。電子聲掩蔽技術是在建筑空間內(nèi)由隱藏于吊頂?shù)膿P聲器發(fā)出均勻分布的背景噪聲，利用聲音的掩蔽效應，這樣既能對工作區(qū)之間傳遞的語言聲起到干擾作用，又不會引起人們的注意。電子聲掩蔽技術的關鍵是產(chǎn)生噪聲的頻譜、聲級、覆蓋均勻度和突出感，一個調(diào)節(jié)良好的電子聲掩蔽系統(tǒng)，應該使使用者感覺不到有人工噪聲源的存在。盡管這不是通常所謂的有源控制噪聲，但是由于是利用噪聲源來掩蔽噪聲（實際也并未消除），所以也可以稱之為“有源控制技術' 4結(jié)語生態(tài)建筑的聲環(huán)境是生態(tài)建筑整體環(huán)境中的組成部分，也是體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)，應該達到舒適、文明、健康的生態(tài)建筑環(huán)境標準。通過在城市規(guī)劃、建筑設計及設備設計中主動采用聲環(huán)境保障技術，創(chuàng)造安靜適宜的聲環(huán)境，這無疑對生態(tài)建筑的物理環(huán)境品質(zhì)和整體環(huán)境建設具有重要的意義。
