汽车制造厂冲压车间钢结构厂房设计

摘要：本文重点介绍了某汽车厂冲压车间的结构设计，对设计过程的方案比较、技术处理进行了探讨，对以后的类似工程起到借鉴作用.

关键词：冲压车间 实腹式组合柱吊车梁系统

Abstract: this paper introduces a design of the structure of the car factory pressing workshop, the design process of alternatives, technical processing was discussed and its future used for reference in similar engineering.

Keywords: pressing workshop solid-web composite column crane beam system

中图分类号： TU318文献标识码：A 文章编号：

一、 前言

汽车制造四大工艺中，冲压是首要工艺。大型冲压车间的显著特点是吊车吨位重,地下结构复杂,地面荷载大。伴随着汽车工业的迅猛发展及市场竞争的日益趋烈，业主对厂房的设计提出了较高的要求。本文将从结构安全和经济上对冲压车间的上部钢结构设计进行介绍，供后来参考。

二、 工程概况

根据冲压件生产工艺，冲压车间一般由卷料堆放场地、开卷落料生产区域、料片堆放区域、模具堆放区域、模具维修区域、冲压生产区域、冲压件堆放区域等组成，另外还有废料间、铲车充电区域、车间办公区域、冲压准备车间等辅助用房[1]。车间辅助用房根据工艺流程，沿冲压车间周边布置，这些功能区布置可使各区域间保持最短的联系通道，能生产工艺顺畅并减少物流长度和公用管线的长度，有利于减少能耗、提高效率。冲压车间为全钢结构的单层厂房，考虑到跨跨之间的模具运输及设备维修时所需的压机大件运输要求，冲压车间的柱距12m，跨度为30+30m；根据工艺要求，每跨选用2台中级工作制（A5）的50t行车，行车轨顶标高为13.80m；根据所选行车的高度确定出冲压车间屋面梁底高度约为18.00m。下面介绍冲压车间钢结构厂房的设计。

三、冲压车间平面布置方案选择

1.平面布置方案的选择

冲压车间采用为排架结构，纵向通过设置柱间支撑形成抗侧力体系，屋面设置屋面支撑形成空间整体结构。冲压车间平面布置在满足工艺使用要求的前提下，可考虑采用两种设计方案。方案一：中间柱距为12米，边柱柱距为6米，跨度为30+30米。12米柱距之间设置托梁，间距6米，墙面、屋面檩条的跨度为6m。方案二：边柱、中间柱距为12米，跨度为30+30米，墙面、屋面檩条的跨度为12m。

本工程的车间建筑面积较大，墙面和屋面围护结构的面积较大，相应的围护结构的材料用量较大，同时由于工程建于沈阳地区，屋面恒载、积雪荷载大，因此对冲压车间平面布置方案进行探讨，对冲压车间的经济性研究是很有必要的。墙面、屋面檩条的经济跨度一般为6~9米，方案一中檩条的多数跨度为6米，计算出的檩条用钢量较小，通常薄壁檩条便能满足设计要求，但主体结构增加了托梁和相应的钢架系统，主钢架的用钢量增加。方案二中檩条的跨度为12m，当荷载较大时檩条采用连续檩条已不能满足要求，而需采用型钢檩条，檩条用钢量大大增加，但主钢架的用钢量相应减少。通过比较试算，方案一的用钢量小，故选择了方案一。

四、冲压车间的结构设计

1. 屋面系统

1.1屋面构造

为了保证厂房内部的干净、简洁、美观，冲压车间屋面结构采用双层压型钢板,中间通过附加檩条铺设150厚的硬质岩棉保温层，屋面坡度为5%。双跨主厂房采用内天沟，双面斜坡排水，从而有效的降低厂房的高度，降低车间能耗。屋面檩条选用了Z型连续檩条，连续檩条相比简支檩条能极大的降低檩条用钢量，但连续檩条对加工精度和安装提出了较高的要求，应避免现场对檩条的扩孔。屋面檩条间距根据压型钢板跨度确定，一般小于等于1.5m，在屋面高低跨处、檩条边跨通过局部加密檩条间距满足积雪荷载或风荷载局部增大的影响。檩条设置双层拉条，上侧拉条作为檩条在恒载作用下檩条的上侧受压翼缘的侧向支点，下侧拉条作为檩条在风吸力作用下受压侧翼缘的侧向支点，提高檩条在风荷载作用下的整体稳定，降低檩条的用钢量。

1.2屋面钢梁

由于冲压车间屋面采用轻型板材，且屋面没有工艺吊载，荷载较小，对于冲压车间的30m跨度，采用屋面实腹梁能满足结构的计算要求。根据抗震规范[2]，屋面钢梁受力是由非地震组合控制，强度和稳定承载力能满足两倍多遇地震下的要求（γGSGE＋γEHSGE≤R/γRE），按现行钢结构设计规范弹性设计阶段的板件宽厚比限值控制实腹梁的高厚比，从而减少结构用钢量，同时实腹梁屋面支撑系统简单，厂房主体结构简洁、美观。

1.3屋面支撑系统

屋面支撑的主要作用是确保钢排架在安装和使用过程中的整体稳定,提高结构的空间作用，减少屋面梁的平面外计算长度。冲压车间柱距大，吊车吨位大、使用频率高，因此在车间设计中应加强屋盖的整体刚度。屋面支撑采用双向刚度较好的圆钢管；在端跨、中间跨设置屋面横向支撑，同时在托梁范围内设置屋面纵向支撑，车间纵横向屋面支撑形成封闭的平面桁架；为了加强车间屋面刚度，一改以往轻钢结构通过屋面纵向檩条兼作纵向系杆的做法，而是在车间边柱柱顶、屋脊的位置沿车间全长设置刚性系杆，在屋面支撑节点处沿车间全长设置柔性系杆。

1.4主要连接节点

屋面梁与钢柱采用刚接，梁与柱、梁与梁节点通过端板连接，连接构造简单，现场安装方便。在中间跨12m柱距范围设置托梁，屋面梁搁置于托梁上方，屋面梁在托梁位置不设置节点而是整根梁通过，确保了梁的连续性。为防止托梁的下翼缘受压失稳，在屋架梁下设置垂直隅撑。

2. 柱和吊车梁系统

2.1柱

冲压车间排架柱根据冲压车间的受力情况选用采用阶形柱，上柱采用工字型实腹柱，下柱采用组合实腹柱。冲压车间下柱在排架平面外的计算长度较大，如采用平面外较弱的工字钢用钢量将增大，往往钢柱平面外计算应力满足要求后，平面内的强度有较大的富裕，而采用组合实腹柱平面内和平面外的应力比相接近，更能充分发挥钢结构材料的强度，同时组合实腹钢柱的截面较小，车间简洁美观。

冲压车间钢柱柱脚与基础刚接，采用插入式杯口基础，钢柱在插入深度范围内加焊栓钉，加强柱与基础的连接。由于平板式柱脚刚接锚栓系统在预埋地脚螺栓时定位容易误差，振捣混凝土时易发生位置偏移，因此吊装钢柱时柱脚底板往往需要现场扩孔。插入式基础钢柱的插入长度较大，但柱脚刚接的可靠性较大，且安装方便。

2.2吊车梁系统

吊车梁系统由吊车梁、制动结构、辅助桁架和支撑（下翼缘水平支撑和垂直支撑）组成。吊车梁按简支梁计算，采用实腹型焊接工字型吊车梁。边柱吊车梁跨度为6m，采用直线型工字钢，中柱柱距12m，采用鱼腹式吊车梁。吊车梁端部为突缘式支撑，吊车梁端部与柱的连接以及梁与梁腰部的连接等均采用高强螺栓连接。制动结构由吊车梁上翼缘、制动板和辅助桁架组成。

2.3纵向支撑系统

为保证房屋的纵向稳定和空间刚度，沿冲压车间纵向设置柱间支撑，下段柱为双片支撑，上柱为单片支撑。冲压车间车间结构单元长度大于120m，为减少纵向结构的温度变形和附加应力，在结构单元中部三分之一区段内设置于设置下柱支撑，两柱间支撑间距不大于60m,同时设置位置应避让工艺的物流通道。上段柱的柱间支撑除在下段柱柱间支撑的柱距间布置外，为传递端部山墙风荷载及地震作用和提高房屋结构上部的纵向刚度，在车间端部设置上段柱柱间支撑。同时柱间支撑位置应与屋面横向支撑设置位置一致，以便形成稳定的空间体系。柱间支撑应根据承受端部山墙面传来的风荷载、吊车梁纵向刹车力，温度应力、纵向地震作用进行计算。车间利用柱间支撑位置设置吊车梁检修钢梯，满足了使用要求，同时充分利用车间空间，确保车间整体美观。

3.墙架系统

3.1墙面结构

车间墙面系统做法与屋面系统一致。墙面结构采用双层压型钢板，中间通过附加檩条铺设硬质岩棉保温层。轻质压型钢板悬挂在墙架横梁上，并通过横梁把墙体的重量和水平荷载传至厂房框架柱或墙架柱上。墙面檩条选用了Z型连续檩条，并设置双层拉条，以保证檩条的在风吸力作用下翼缘的稳定。

3.2 山墙立面墙架柱

车间两侧山墙面设置抗风柱，间距为10m。由于抗风柱下设置基础，抗风柱采用下承式连接，抗风柱底部通过地脚锚栓与基础铰接连接，上端设置长圆孔，支撑于屋面横向支撑的节点上。抗风柱下承式连接方式允许抗风柱上下位移，只承受水平风恒载，但抗风柱上部长圆孔长度应与抗风柱的位移相协调，同时抗风柱柱顶与屋面钢梁的连接位置应靠近钢梁的上部，以便于水平荷载通过屋面系统传递。由于山墙面较高、吊车吨位较大，为保证山墙面的刚度，在抗风柱之间设置柱间支撑加强。抗风桁架设置于吊车梁上翼缘的标高位置，作为抗风柱的水平支撑点，减少抗风柱的平面内计算长度，同时可以兼作走道，与吊车梁顶部的纵向通道联通。

五、结语

本文从结构设计角度，对冲压车间结构设计过程中所涉及的几个方面进行探讨。精心设计、多方案的比较是提高设计质量的关键。希望能在今后设计该类型车间时起到参考作用。

参考文献

1．汽车工厂冲压车间工程设计《制造工程设计》2010-3

2．建筑抗震设计规范 GB50011-2010

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。