多跨鋼結構煉鋼主廠房框排架用鋼量控制

景偉

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東萊蕪 271104）

經驗交流

多跨鋼結構煉鋼主廠房框排架用鋼量控制

景偉

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東萊蕪 271104）

通過對實際工程中多跨鋼結構煉鋼主廠房框排架用鋼量的計算分析，總結其中用鋼量規律，對不同類型煉鋼主廠房用鋼量指標區間及用鋼量指標優化提出了建議。

鋼結構；煉鋼主廠房；用鋼量

1 前言

煉鋼主廠房是為轉爐、電爐等煉鋼連鑄工藝服務，這類鋼結構廠房有一定的共性，體現在吊車噸位、廠房高度、跨度、跨數、屋面荷載等方面。煉鋼主廠房鋼框排架一般采用較為通用的下柱格構柱、上柱實腹柱、屋面采用實腹梁的形式。在實際工程應用中，隨著鋼結構的普及，該類廠房用鋼量出現優化的趨勢。通過對十幾個煉鋼主廠房排架計算模型的還原，綜合考慮最大起吊噸位、廠房高度、跨度等因素，對占總用鋼量較大比例的框排架用鋼量進行對比分析，尋找合理的用鋼量指標控制區間。

2 廠房用鋼量指標分析

煉鋼主廠房可以分為柱系統、屋面系統、墻面系統和吊車梁系統［1］。這4個系統相互之間密切關聯，用鋼量指標的控制需要對各個系統進行平衡以達到最優。4個系統中吊車梁系統較為獨立，影響吊車梁的主要因素是吊車噸位和廠房縱向跨度。墻面系統用鋼量與風荷載和廠房縱向跨度有關。屋面系統中檁條用鋼量與屋面風壓（與屋面體型密切相關）、積灰荷載、活荷載、雪壓和廠房縱向跨度等有關?？梢钥闯鲈谕饧雍奢d一定的情況下，吊車梁系統、屋面系統和墻面檁條均與廠房縱向跨度有關。根據相關資料和工程經驗，煉鋼主廠房較為經濟的縱向跨度為9～15 m。柱系統和屋面系統中鋼框排架占廠房總用鋼量比重較大（約占40%～60%），受工藝條件、廠房跨度、廠房高度、吊車噸位等影響較大。所以對鋼結構廠房中框排架用鋼量進行控制對總體用鋼量控制意義重大。

2.1 主廠房共性

煉鋼主廠房的最高高度范圍為30～45 m，最大吊車起吊噸位范圍100～280 t。一般較高的廠房對應著起吊噸位較高的吊車。最大吊車噸位一般出現在原料跨、鋼水接收跨、精煉跨，根據鋼包、鐵水包重量及爐容確定。其余跨吊車噸位較小，不同冶煉規模的廠房噸位差別較小。吊車工作級別一般為A6、A7。廠房一般包括原料跨、電爐（轉爐）跨、精煉跨、鋼包維修跨、鋼水接收跨、連鑄跨、過渡跨、出坯跨，有時也會把精整跨放在煉鋼主廠房中，其跨度一般為27～33 m。根據具體工藝布置確定實際跨數，一個完整的煉鋼主廠房并不是包含所有跨，一般可將幾跨進行整合，有時也存在個別跨比如出坯跨會設置兩跨的現象。各跨的常用跨度：原料跨、鋼包維修跨、過渡跨為21～24 m；電爐跨、精煉跨、鋼水接收跨、連鑄跨為24～27 m；轉爐跨為12～15 m；出坯跨為24～33 m。當然，根據工藝布置不同，跨度也會有比較大的變化，但最大跨度一般＜36 m。

廠房屋面荷載主要包括屋面板材、檁條、支撐、屋面梁等的恒載以及活荷載、積灰荷載、風載和雪荷載。其中，屋面梁跨度、屋面板材的類型、可變荷載的大小及組合對屋面系統用鋼量的影響較大。煉鋼廠房的積灰荷載有一定的分布規律，可參考GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》中相關規定。

2.2 主廠房用鋼量的主要影響因素

就幾個主要因素對用鋼量的影響進行分析。

1）廠房高度對框排架用鋼量的影響。廠房高度與工藝有很大關系，轉爐煉鋼廠房一般高于電爐煉鋼廠房，爐容大小也直接影響廠房高度。煉鋼廠房最高高度一般為30～40 m。廠房高度增加柱用鋼量也相應增加，對于邊柱，廠房高度增加，風荷載產生的彎矩加大，邊跨柱柱頂位移加大，故其用鋼量也會增加。邊跨一般為鋼坯跨或加料跨，根據冶煉規模的大小，一般標高變化幅度在6 m以內。

2）吊車軌頂標高對框排架用鋼量影響。吊車軌頂標高由工藝確定，一般冶煉規模大的廠房軌頂標高也相應較高，最大軌頂標高出現在煉鋼跨。根據GB 50017—2003《鋼結構設計規范》要求，吊車梁軌面標高處由1臺最大吊車水平荷載所產生計算變形值不超過基礎頂面至吊車梁頂面高度的1/1 250。軌頂標高越高，水平位移越大，鋼柱截面也要變大。

3）廠房跨度對框排架用鋼量的影響。工藝布置決定廠房跨度，跨度對屋面梁用鋼量的影響比較大。實腹鋼梁用鋼量比屋架用鋼量偏大，尤其是跨度大于27 m時用鋼量增大明顯。但實腹鋼梁制作簡便，廠房施工期和使用期涂裝、維護量小而方便，且質量好進度快，屋面梁比屋架應用日益廣泛。

4）吊車噸位對框排架用鋼量的影響。在保證鋼柱制作工藝的情況下，吊車豎向荷載對提高柱截面應力比的影響有限。吊車水平荷載所產生的軌面位移往往對框排架結構起著控制作用，吊車噸位越大，該水平位移越難滿足，故吊車噸位對框排架用鋼量的影響較大。

5）力學參數控制對框排架用鋼量的影響。力學參數對用鋼量的影響較為顯著，具體控制指標詳見表1（長細比150，寬厚比為GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》第9.2.14條）。

應力參數、構造參數和變形參數要相互配合已達到最優結果。綜合多個工程經驗，廠房位移參數起控制作用，應力比很難達到限值。構造參數對用鋼量的影響較大，尤其是構件的寬厚比、高厚比等參數直接對應著構件板材的厚度，對用鋼量的影響較為顯著，可根據抗震性能目標要求控制板件寬厚比。

表1 鋼結構煉鋼廠房梁、柱力學參數控制

6）荷載大小對框排架用鋼量的影響。地震荷載對鋼結構廠房的影響要遠低于混凝土廠房，因為鋼結構廠房質量輕地震荷載小，其次材料強度大、塑性性能好，抗震設防目標更容易實現。風荷載對邊柱的影響較大，對中柱的影響較小?；詈奢d、積灰荷載和雪荷載對屋面梁的影響較大。

2.3 工程實例分析

應用PKPM軟件對十幾個煉鋼廠房進行計算，選取其中較為典型的幾個進行比較。廠房荷載參數、幾何參數、吊車噸位、用鋼量參數見表2（其中，g為重力加速度，m/s2；積灰荷載均為0.3 kPa）。用鋼量折算到每平米，計算方法為：排架用鋼量=框排架總用鋼量/（排架總跨度×排架間距）。

表2 各工程實例力學參數、幾何參數、吊車噸位、用鋼量

3 結語

1）煉鋼廠房吊車噸位一般對應著冶煉規模，吊車噸位大的廠房一般高度較高、吊車軌面標高較高，相應框排架用鋼量也較大?？梢詫⒆畲蟮踯噰嵨?50 t以上的煉鋼廠房作為重型煉廠廠房，其用鋼量的合理指標為60～90 kg/m2。最大吊車噸位150～75 t的煉鋼廠房可以作為中型煉鋼廠房，其用鋼量的合理指標為40～70 kg/m2。對于輕型煉鋼廠房，其用鋼量的合理指標為35～45 kg/m2。

2）排架用鋼量是煉鋼廠房總用鋼量的一部分，必須考慮整個廠房結構系統統籌才能取得最優的用鋼量結果。

3）地震荷載對鋼結構廠房的影響要遠低于混凝土廠房。高地震設防烈度并沒有使用鋼量顯著增加，這與混凝土結構有顯著不同。鋼結構比混凝土結構有更優越的抗震性能。

4）要統籌考慮力學參數對用鋼量的影響。煉鋼廠房的安全性要通過各方面的力學參數來保證，應力參數和變形參數要綜合考慮，均需滿足國家現行規范的相關要求。在風荷載、地震荷載、吊車荷載較大的廠房，如重型煉、中型鋼廠房，變形參數往往起著控制作用。對于構造參數，不同的參考文獻中對鋼結構框排架廠房有不同的經驗要求。由于鋼結構框排架廠房材料模型、力學模型、結構模型較為成熟，相關規范對應力、變形、構造參數的規定較為完備，吊車振動荷載也可控，結構設計時還應以計算和國家規范要求為依據，而不能照搬相關參考文獻中的經驗要求［1］。

［1］包頭鋼鐵設計研究總院.鋼結構設計與計算［M］.2版.北京：機械工業出版社，2006.

TU391

B

1004-4620（2015）02-0077-02

2014-12-11

景偉，男，1980年生，2007年畢業于廣東工業大學巖土工程專業?，F為山東省冶金設計院股份有限公司工程師，從事冶金行業建筑工程設計工作。