铝电解车间钢结构厂房的设计与研究

铝电解车间钢结构厂房的设计与研究

赵贵阳

沈阳铝镁设计研究院有限公司 辽宁 沈阳 110001

近年来，铝电解车间厂房越来越多的采用钢结构。为了优化设计，满足工程的经济性要求，需要对影响铝电解车间经济性的主要因素厂房的柱距进行深入的研究分析，选择经济合理的工程方案，以满足工程需要。

本文结合实际工程进行研究，提出了电解车间最优柱距方案，对今后的铝电解厂房的设计有借鉴作用。

关键词：铝电解车间 钢结构厂房经济指标分析

本文通过对山东某铝电解车间项目的设计，在厂房的柱距方案上采用6.8m、13.6m两个柱距方案，并根据不同柱距选择经济合理的构件截面形式，利用STPJ计算软件进行设计计算，对结果进行对比分析，以达到即能保证结构安全又能节约钢材用量的目的。通过对主要结构用钢量及经济指标进行对比，总结出各种方案的优缺点及本项目的最优柱距，为以后的设计提供依据。

1. 工程背景

1. 工程简介

山东某项目采用预焙阳极电解槽及配套技术，规划建设2个电解系列，年产100万吨电解铝。每个600 kA电解系列均由两栋相互平行、轴线间距60 m、跨度为34.5 m的二层楼结构厂房组成。厂房一层安装电解槽阴极装置，标高为±0.000

m，二层为操作地坪，标高为3.500 m，天车轨顶标高11.500m。电解槽在厂房内

呈单排横向配置，相邻两台槽的中心距为6.800 m。

2. 主结构设计与分析

1. 结构选型

本工程运行铝电解多功能机组PTM（25+25）t及PTM（40+40）t,按吊车吨位划分，属于重型厂房，应主要按照《钢结构设计规范》进行计算。

在以往的设计中都是按照工艺专业提出的基本柱距6.8m进行设计，本次设计在方案讨论过程中提出按照6.8m（方案一）、13.6m（方案二）柱距两个方案进行计算比较。13.6m柱距经济性优势在于刚架数量及基础数量减少，加工及施工安装工作量减少，施工进度加快。但随着柱距的增加，柱子及梁截面将会加大，吊车梁及檩条系统用钢量相应增加。为了确定最经济的方案，需要对两种方案进行计算对比。

2. 荷载取值：

(1)屋面荷载：屋面采用压型钢板屋面，恒荷载为0.3kN/㎡；屋面活荷载0.5kN/㎡，雪荷载标准值0.3kN/㎡，基本风压0.4kN/㎡。

(2)通风器荷载标准值8kN/m；

(3)吊车荷载：多功能机组PTM（25+25）t（工作制A7）

3. 两种方案计算结果

1. 刚架计算：

通过对两种方案的计算，梁最大应力比均控制在0.7，挠度控制在1/300；柱最大应力比控制在0.85，风荷载位移控制在1/800；牛腿处吊车水平荷载位移1/1250。

2. 吊车梁设计与分析

方案一：柱距6.8m吊车梁采用焊接工字型吊车梁H1100X420X320X14X22（Q345C），制动结构采用制动板8mm厚，制动梁槽25a（Q235B）。

方案二：柱距13.6m吊车梁采用焊接工字型吊车梁H2000X550X420X16X25（Q345C），制动结构采用制动板8mm厚，制动桁架上下弦杆2L140X12（Q235B）。

3. 基础计算：

本工程采用400mm直径水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）对地基进行处理，处理后的地基要求其复合地基承载力特征值fspk≥180kPa，桩长12m。

方案一：基础底面宽度 b＝5.6m，底面长度 l ＝4.6m。

方案二：基础底面宽度 b＝6.4m底面长度 l＝5m。

4. 围护结构设计与分析

方案一：屋面檩条采用C型C250X75X20X2.5（Q235B）间距1.5m，挠度限值1/150。

墙梁采用C型墙梁C180X70X20X2.2（Q235B），檩条间距1.5m水平挠度限值1/100，构造能保证风吸力作用墙梁内翼缘受压的稳定性,墙板能阻止墙梁侧向失稳。

方案二：屋面檩条采用桁架式檩条檩条间距1.5m水平挠度限值1/150。上弦截面:M 46.00*131(34-18-13)*2.00，下弦截面:M 46.00*131(34-18-13)*2.00，材料为Q235。墙梁采用H型钢墙梁H250*125*3.2*4.5（Q235B），檩条间距1.5m水平挠度限值1/100。

3. 电解车间方案比较

根据以上的计算结果对两种方案的厂房主结构、吊车梁、制动结构、檩条、墙梁、基础及总造价分别对比。

1. 厂房主结构钢材用量

方案一：单榀刚架总用钢量11260Kg，一栋厂房刚架数量135榀，总用钢量2192.67t，单位用钢量51.3 Kg/㎡。

方案二：单榀刚架总用钢量12195Kg，一栋厂房刚架数量70榀，总用钢量1382.15t，单位用钢量32.3 Kg/㎡。

主体刚架总钢材用量随着柱距的增大而减少，柱距由6.8m增大到13.6m时钢材用量减少了37%，减少比较明显；表明本工程中增大柱距可以降低刚架的钢材用量。

2. 吊车梁及制动结构钢材用量

方案一：吊车梁用钢量1787 Kg，制动结构用钢量568 Kg，构件数量260个，总用钢量612.3 t，单位用钢量14.3 Kg/㎡。

方案二：吊车梁用钢量6239 Kg，制动结构用钢量1734Kg，构件数量130个，总用钢量1036.5t，单位用钢量24.2Kg/㎡。

吊车梁及制动系统钢材量，柱距由6.8m增大到13.6m时钢材用量增加了69%；表明增大柱距将使吊车梁系统的钢材用量明显增加。

3. 檩条钢材用量

方案一：单根檩条用钢量53.2 Kg，构件数量3120个，总用钢量166.0 t，单位用钢量3.9 Kg/㎡。

方案二：单根檩条用钢量120.9Kg，构件数量1560个，总用钢量188.6t，单位用钢量4.4Kg/㎡。

4. 墙梁钢材用量

方案一：单根墙梁用钢量40.1 Kg，构件数量2970个，总用钢量119.1 t，单位用钢量2.8 Kg/㎡。

方案二：单根墙梁用钢量202.5Kg，构件数量1496个，总用钢量267.1t，单位用钢量6.3Kg/㎡。

檩条及墙梁钢材量，柱距由6.8m增大到13.6m时钢材用量增加了75%；表明增大柱距将使围护系统的钢材用量明显增加。

5. 基础混凝土及钢筋用量

方案一：基础尺寸4.6X5.6 m，基础底面积及CFG桩处理面积25.76㎡，基础高度1 m，一栋厂房基础数量270，厂房刚架基础混凝土总量6955.2 m³，钢筋总量313.0 t。

方案二：基础尺寸5X6.4 m，基础底面积及CFG桩处理面积32㎡，基础高度1 m，一栋厂房基础数量140个，厂房刚架基础混凝土总量4480 m³，钢筋总量201.6 t。

厂房基础材料量，柱距由6.8m增大到13.6m时基础材料量减少了36%；表明由于增大柱距使刚架及基础数量减少，使基础的材料用量减少。

6. 钢材总量统计

方案一：刚架3090.07t，单位用钢量72.2 Kg/㎡。

方案二：刚架2874.35t，单位用钢量67.2Kg/㎡。

7. 用于对比的工程总量及造价统计

方案一：主体结构总造价2179万元。

方案二：主体结构总造价1907万元。

总体钢材用量及总体造价方面，柱距由6.8m增大到13.6m时钢材用量减少了6.9%及12%；表明本工程中增大柱距可以在一定范围内降低刚架的钢材用量及造价。

4. 结论

在构件截面选型上按照其原则选择合理经济的截面形式，并结合实际工程对两种方案主要构件进行分别计算对比，以钢材总量及经济造价为对比依据，并得出以下结论：

1.厂房主结构总用钢量随柱距的增大而减少。

2.吊车梁及制动系统用钢量随柱距增大而增加，且柱距越大增加越多。

3.檩条及墙梁用钢量随柱距增大而增加，且柱距越大增加越多。

4.基础材料量随柱距增大而减少。

5.总造价随柱距增大而减少，两个方案中13.6m柱距方案总用钢量及总造价最少，为本设计的最优柱距方案。