摘要●●

主厂房的柱和吊车梁在大型炼钢厂房中占有较大比重，其合理设计对厂房的安全性和经济性至关重要。分别对相同吊车荷载作用下，不同结构形式厂房柱及不同强度、跨度吊车梁的经济、技术等指标进行对比分析。结果表明：在大型炼钢厂房中采用多肢钢管混凝土格构柱既可满足结构安全的需要，又可降低成本、缩短工期；对吊车梁而言，当跨度在27 m及以下时，采用Q345钢材比较经济，而当跨度增大时，采用Q390钢材经济效益更加显著。

在大型炼钢厂房中，主厂房的用钢量非常大，常以万吨计。而厂房柱及吊车梁又是主厂房中最主要的构件,对其进行优化设计可以降低成本、缩短工期，具有显著的经济效益。

目前，大型厂房柱通常采用H型钢格构柱的形式，此构件的板厚一般需要50 mm甚至更厚。而当钢板厚度超过40 mm时，一方面，对构件加工要求提高，工程质量的控制难度加大；另一方面，厚钢板需要提前预定，其交货日期和价格不受控制，对工期和成本均有影响。钢管混凝土柱既可避免构件板厚过大的问题，又能更好地发挥混凝土与钢材材料各自的特点，是大型炼钢厂房柱具有竞争力的结构形式。

以某大型炼钢厂主厂房(排架结构)为例，在柱距、屋架、上柱等结构方案和荷载均相同的情况下，对下柱采用“H型钢格构柱”和“四肢钢管混凝土格构柱”两种方案的技术、经济指标进行对比。

主厂房主要设计参数见表1，布置如图1所示。通过计算,单榀排架技术指标对比结果见表2。

表1主厂房主要设计参数

由表2可看出，一方面，相较于H型钢格构柱体系，采用钢管混凝土格构柱的单榀框架周期减小0.18 s，轨顶标高及柱顶标高侧移减小约19%，具有更好的动力性能，技术指标更能满足厂房的使用要求；另一方面，在原双肢H型钢格构柱的基础上用钢量减少了27%，具有更好的经济性。

图1 炼钢厂房剖面

表2单榀排架技术指标对比

1.2.1柱 脚

不同于H型钢格构柱通常采用的外露式柱脚，钢管混凝土格构柱通常采用插入式柱脚。两者都是刚性柱脚，但插入式柱脚构造相对简单，且用钢量更低。

柱脚的设计建议：1)根据GB 50011—2010《建筑抗震规范》 9.2.16条规定，在满足设计强度的前提下，插入深度不小于柱肢高度的2.5倍，不小于柱总宽度的1/2；2)对于风压较大地区，或吊车水平力和最小轮压的不利组合，边柱的柱肢拉力和中柱的柱肢压力均较大，还需要进行抗拔和抗压验算。

1.2.2柱缀条

由于炼钢厂房吊车吨位较大，则下柱的受力较大，计算时，不仅需要查看缀条计算结果是否超限，还应该手工复核节点连接处焊缝的强度是否满足要求(计算根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》10.3.2条款[3])。当缀条直径较小时，可能是连接强度控制设计，因此需要加大缀条直径或增加焊脚尺寸，从而增加连接强度。

关于缀条的设计建议如下：1)X轴方向的水平缀条，尽量采用H型钢，以便更好地发挥强轴的抗弯作用；2)在截面积相同(用钢量相同)的情况下，尽量选用直径大而壁厚薄的钢管，这样构造的焊缝较长，更能满足设计要求；同时，也可以降低焊缝的高度，降低施工难度。

1.2.3柱肩梁

对于钢管混凝土格构柱这种复杂肩梁，简化计算具有很大的局限性。根据相关文献计算结果可知：若认为肩梁抗弯时上下翼缘全截面有效，求得的弯曲正应力可能偏小30%左右，导致不安全的结果。于安林等根据试验结果提出了“有效截面法”，采用该方法与相关文献的结果进行对比分析，上下翼缘的手算结果和有限元分析结果相差不到2%。

综上所述，对钢管混凝土柱肩梁给出如下设计建议：1)上柱荷载不大的情况，建议采用“构造简单、施工方便”的单臂式肩梁；2)肩梁的计算方法，若采用相关文献的“全截面参与工作”的计算方法可能导致不安全(此时上翼缘应力指标应留有余地或适当加强)，《钢结构设计手册》采用的“不考虑上下翼缘作用”的方法，难免造成浪费。建议采用相关文献给出的“有效截面法”进行验算。3)当吊车梁为平板式支座时，肩梁的建议做法为：加宽X方向(平面外)柱肢的高度，此时肩梁节点做法和双肢H型钢格构柱的做法相同。

吊车梁作为直接承受吊车荷载的厂房钢构件，具有跨度大、断面高且宽、板材厚的显著特点，其用钢量相对较大，约占厂房总材料量的1/3。特别是对于支承大吨位吊车的吊车梁，其用钢量非常大，故而对不同跨径吊车梁，钢材材质的选择以及截面尺寸的拟定对工程的经济性至关重要。

一般来说，随着主厂房柱距的增加，吊车梁的跨度也相应加大，随着吊车吨位及吊车梁跨度的加大，吊车梁内力会快速增长，其截面设计尺寸及结构自重也会随之增加。为满足设计及经济指标要求，选用高强度钢材是行之有效的方法之一。目前中、小转炉工程(厂房)中吊车梁构件的材质多以Q345钢材为主，与采用Q235钢相比经济效果明显。而对于大跨、重载工程，其内力相应大大增加，对吊车梁的断面及材质要求必然会更高，因此，需考虑选用强度更高的钢材。

Q390钢较Q345强度提高，同等条件下可使梁的横截面尺寸减小，从而降低结构自重；另一方面，采用Q390钢可使梁的强度与刚度更加匹配，避免了当梁受力已达到强度极限发生破坏而其刚度仍具有较大储备的现象；从经济性角度而言，采用Q390及Q420等高强钢可减少材料量以及相应的加工、运输、吊装等工程费用。但是，当钢材等级提高时，材料价格以及加工费用都相应增加，这些都是设计应该考虑的重要方面。因此，本文对相同吊车吨位下，不同跨径、不同钢材强度吊车梁的截面尺寸及用钢量进行对比，归纳其钢材用量及费用的变化趋势，以期得到最优设计方案。

对于300 t级别的大转炉工程中吊车梁跨度的选取，除了目前工程中已经出现过的26，27，29，30 m外，另增加24，25，28 m 三种情况，以便进行更全面的对比分析。

2.2.1不同跨度和材质下吊车梁质量对比

表3所列是4 800 kN吊车荷载作用下，在24～30 m跨度时，分别采用Q345及Q390两种材质的焊接工字形吊车梁截面尺寸，以及在考虑上下翼缘、腹板、腹板加劲、支座加劲等主要材料的情况下各吊车梁的质量。

表3吊车梁截面尺寸及质量

图2 Q345、Q390线质量对比

从图2可以看出，24 m跨度吊车梁在采用Q345和Q390两种材质时质量几乎没有差别。随着跨度加大，Q390的优势逐渐凸显，吊车梁质量差从25 m跨度时的1%逐渐加大，直到29，30 m跨度时的5.9%(表3)。当跨度超过29 m时，Q390与Q345相比，单个吊车的用钢量节约达5 t以上。

同时，从表3中的吊车梁断面尺寸可以看出，材质提高时：1)上翼缘面积减小较多，基本上在11%～15%。2)下翼缘面积变化较小，有的甚至没有变化。这是因为，采用Q345钢材时吊车梁基本是强度控制，挠度稍有富余(在L/1 300左右，其中，L为吊车梁跨度)，加劲底端的疲劳应力幅多在90 MPa以下；而采用Q390钢材时，吊车梁基本上是疲劳与挠度控制(挠度在L/1 220左右), 加劲底端的疲劳应力幅多在90 MPa以上，上翼缘应力水平比较高，但下翼缘为满足疲劳要求，应力只能维持在200～210 MPa。也就是说，在吊车梁下翼缘，Q390的材料强度不能得到充分发挥，这正是与采用Q345相比下翼缘面积几乎没有减小的原因。

综上所述，采用Q390时节省的材料量是随着吊车梁跨度厚度时加大而逐渐增加的。至于Q420钢材，通过对30 m跨度吊车梁的试算分析，受挠度、疲劳控制影响，材料量几乎没有变化，考虑到Q420钢的单价又比Q390上涨较多，综合判断其不适于在同等级别的吊车梁中采用。

2.2.2不同跨度和材质下吊车梁经济性对比

根据当时市场调研得到的数据：相同尺寸的板材中Q390钢比Q345钢的价格高，价差约170元/t；相对于11～40 mm厚度的板材价格来说，41～50 mm厚度时加价60元/t，50～60 mm厚度的加价120元/t。采用Q390钢时，部分板材特别是上翼缘板的厚度会有所减薄，价格又会有所下降。图3在考虑材质、厚度、正火、Z15性能要求及加工、运输、吊装等情况下，就两种材质吊车梁的总价进行了计算汇总。

图3 Q345、Q390材料总价对比

由图3可知：由于Q390的综合单价比Q345略高，对于跨度25，26，27 m的吊车梁，虽然材料用量有所减少但总价反而升高，经济效益差；跨度28 m时材料减少2.4%而总价相对持平；对跨度更大的29，30 m吊车梁，由于材料量减少较多，总价可降低3.6%～3.7%。因此当工程中大跨度吊车梁较多时，采用Q390高强钢与采用Q345钢相比，可大大节省工程直接费，取得更好的经济效益。

1)采用多肢钢管混凝土格构柱的方案，用钢量可以大幅减低、结构整体刚度提高；而且柱子系统避免了出现超过40 mm以上的厚板，不但能有效降低成本，而且避免了“厚板加工困难和订货周期长”对工期的影响，具有良好的经济效益和社会效益。

2)当吊车梁跨度在27 m及其以下时，采用Q345钢材比较经济，而当跨度更大时，采用Q390钢材的优势明显。受吊车梁工作特性及设计控制指标影响，Q420钢材的高强度优势难以充分发挥，综合经济指标没有Q345、Q390好，目前不建议采用。