張建華 上海市機電設(shè)計研究院有限公司工藝設(shè)計二所

張建華（1960年～），男，大學(xué)本科、工學(xué)士、高級工程師。從事專業(yè)之一為鍛造項目工程設(shè)計工作。

0 前言

近年來國內(nèi)大型機械裝備制造業(yè)一直處于一個高速發(fā)展時期，全國各地掀起了一股大型自由鍛設(shè)備及重型熱處理設(shè)備的投資建設(shè)熱潮，紛紛啟動重型裝備項目。

在大型鍛件項目實施過程中，建設(shè)（或改造）具有大型鍛件生產(chǎn)能力的廠房，成為了首要且必須的前提條件。

1 項目簡介

企業(yè)委托要求設(shè)計規(guī)模為鍛件產(chǎn)量達(dá)到12萬t/年，最大鍛件單件重330t，環(huán)型類鍛件最大直徑?7.5m，軸類鍛件最長27m，平均鋼錠利用率64.9%。

該項目屬于利用已有企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造，主要包括擴建萬噸水壓機車間、擴建熱處理車間等廠房及新建冷卻循環(huán)水泵房、擴建鍋爐房等。

要在已有企業(yè)不具備生產(chǎn)大型鍛件的條件下，設(shè)計出一個滿足特殊生產(chǎn)需要量身定制的生產(chǎn)廠房，首先需要一個優(yōu)秀的整體設(shè)計方案。該整體方案包含了安全、可靠、具有可操作性、物流順暢的工藝布局，同時包含了滿足產(chǎn)品生產(chǎn)需求的新材料、新裝備及滿足實用要求的生產(chǎn)廠房等。

2 工藝設(shè)計

要獲得優(yōu)質(zhì)的大型鍛件，必須要將鍛造和熱處理等前后工序有機地結(jié)合起來，這就要求鍛造加熱爐、鍛造機、操作機、鍛后熱處理爐、性能熱處理爐、淬火冷卻設(shè)備等大型熱加工設(shè)備合理布置、密切協(xié)作。大型鍛件通過火車、電動平車、鍛造起重機、淬火起重機等多種運輸手段在各個生產(chǎn)車間或工序中形成良好且有效的物流。

2.1 萬噸水壓機車間

在老車間主副跨的基礎(chǔ)上向東接長51m，接長部分由西向東主要依次布置4m×18m、7.5m×10m、6m×13m、4m×14m等四臺鍛造加熱爐，分別布置在10.5m、14m、12.5m、14m柱距內(nèi), 柱距不統(tǒng)一主要是滿足所配置加熱設(shè)備布置和起重機行駛范圍。另有一臺5m×13m鍛造加熱爐布置在與接長部分相鄰老車間最后一個柱距內(nèi),形成五臺鍛造加熱爐依次排列。

在老車間主跨主要布置設(shè)備有16 500t油壓機（當(dāng)時為世界上最大），630t·m操作機，5m×13m、5m×18m臺車式燃?xì)庑阅軣崽幚頎t，見圖1及圖2所示。

圖1 16 500t油壓機

新老車間起重機軌道貫通，鍛件的運輸采用250t、350t起重機，500t鋼錠采用二臺起重機臺吊。

經(jīng)改造后，萬噸水壓機車間可生產(chǎn)加熱工件最長為16m，筒體類鍛件最大直徑為?7.5m，最大載重量為500t,鍛后熱處理軸類鍛件最長為27m，筒體類鍛件最大直徑為?7.5m，最大鍛件重量為330t。

每臺燃?xì)鉅t都有一個煙道，采用集中下排煙，即在室外狹小地方設(shè)計出滿足工藝要求地下集中煙道（長66.11m），直至進(jìn)入高80m，出口直徑?3m的煙囪。

圖2 630t·m操作機近景

2.2 熱處理車間

在老車間（后稱主跨）的基礎(chǔ)上向西接長27m，柱距為13.5m、13.5m。將原室外遺棄多年的事故油槽（18m×13m×12.35m），納入室內(nèi)將其改造成布置2臺?3.2m×15m井式熱處理爐、1個?5m×18m油槽、一個?5m×18m水槽等，及在其上方+5m處設(shè)鋼平臺的熱處理單元。改造過程中將槽底底板及四面?zhèn)缺谶M(jìn)行特殊加固，并在側(cè)壁上開鑿滿足?0.48～1.42m油管、水管穿行且具有防水功能的孔洞。由于原事故油槽平面一部分超過主跨南側(cè)軸線且坑內(nèi)不允許立廠房柱子，故向西接長的主跨南側(cè)少一根廠房立柱，即27m柱距一躍而過。且改造后此處為雙層起重機運行，軌高分別為+20m、+32m,其中+32m上行駛200t淬火起重機，單起重機梁就高達(dá)4m。

在緊貼主跨的南側(cè)擴建24m×231m副跨，按工藝要求建造連續(xù)長地坑，其凈尺寸為111.48m×9m×（-6m、-10m、-15m，在-15m處安裝電梯）。在-15m地坑上方設(shè)+1m連續(xù)鋼平臺,其他深度地坑上方設(shè)+4.0m連續(xù)鋼平臺。連續(xù)長地坑內(nèi)布置1臺?2.8m×15m、2臺?2.8m×12m、2臺?2.2m×9m井式熱處理爐，1臺?5m×20m噴水噴風(fēng)槽，1臺?5m×14m噴風(fēng)裝置，1臺?5m×14m水槽，1臺?5m×14m油槽等裝備及大型中間循環(huán)油槽等，見圖3所示。

圖3 熱處理車間（連續(xù)長地坑）井式熱處理爐等

3 廠房設(shè)計

20世紀(jì)90年代以后，隨著國家鋼鐵業(yè)的進(jìn)步，重型廠房向全鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展，從屋蓋、支撐、起重機梁系統(tǒng)到承重柱等，均采用型鋼組合而成。全鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較好地解決了高大廠房重型承載的需求，并且也建立起了符合國家規(guī)范的全鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)體系和電算模塊。

本文所涉及的廠房均為全鋼結(jié)構(gòu)、且重型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.1 熱加工廠房特殊性

對于萬噸水壓機車間及熱處理車間這類性質(zhì)的廠房，均屬于熱加工生產(chǎn)性質(zhì)的廠房，工件在生產(chǎn)中的溫度可達(dá)1 200℃，為了防止因屋面積水滲漏到車間內(nèi)而造成重大事故，屋面設(shè)計時必須采用外天溝。

因上述車間內(nèi)布置有油壓機、鍛造加熱爐及性能熱處理爐等，當(dāng)裝載著加熱后的工件從爐內(nèi)出來或鍛壓時，工件產(chǎn)生非常巨大的熱輻射，為減小輻射熱對廠房的不利影響，在熱源（設(shè)備）周圍的廠房立柱必須外包耐火磚或刷耐火涂料。屋面必須設(shè)置大喉口屋脊通風(fēng)器，其通風(fēng)排熱效果是傳統(tǒng)要求的3倍。

大型鍛件生產(chǎn)廠房內(nèi)的起重機起吊噸位大、設(shè)備復(fù)雜、工作環(huán)境較為惡劣，一旦起重機發(fā)生故障，將會對生產(chǎn)造成極大的影響，因此，在100t以上起重機跨內(nèi)必須設(shè)置檢修起重機（或檢修電動葫蘆）及檢修平臺。

3.2 建筑設(shè)計

（1）萬噸水壓機車間（見圖4所示）

車間主廠房擴建為單層鋼結(jié)構(gòu)，南北兩跨，向東接長51m，柱距為分別是10.5m、14m、12.5m、14m，南面主跨30m，屋架下弦標(biāo)高為27.08m；北面副跨21m，柱頂標(biāo)高為15.5m。

圖4 水壓機車間外貌，右為高80m、出口直徑?3m煙囪

主跨內(nèi)新設(shè)Gn=250/80t、Gn=350/100t橋式起重機各1臺，與老車間內(nèi)軌道連通。主跨內(nèi)設(shè)16t檢修用電動葫蘆吊。

車間主、副跨接長廠房均采用單脊雙坡屋面，8mm厚鋼板外天溝，屋面坡度同老廠房。屋面采設(shè)光帶，屋脊處設(shè)屋面自然通風(fēng)器長51m，接至老屋面的東頭端跨中心，喉口6m（副跨3m），見圖5所示。

圖5 萬噸水壓機車間（接長部分）內(nèi)部

（2）熱處理車間（見圖6所示）

車間主廠房擴建部分為單層鋼結(jié)構(gòu)，分南北兩跨。北面主跨（即原熱處理車間向西擴建部分）向西接長27m、跨度30m，柱距為2個13.5m，屋架下弦標(biāo)高為40m。南面副跨（即原熱處理車間向南擴建部分）跨度24m，東西長147.33m，柱距分別為13.5m、12.5m、11m、12m，柱頂標(biāo)高為28m。

圖6 熱處理車間外貌（可看得出主跨接長）

主跨向西擴建部分設(shè)置上下雙層起重機軌道：上層與原有32m軌道連通，行駛Gn=200/50t 淬火起重機；下層與原有20m標(biāo)高軌道連通，行駛Gn=100/20t橋式起重機，并新增Gn=75/20淬火起重機。副跨設(shè)Gn=120/50t淬火起重機、Gn=75/20t、Gn=30/10t橋式起重機。主跨內(nèi)二處分別設(shè)10t檢修用電動葫蘆吊。

主跨接長及北跨廠房均單脊雙坡屋面，8mm厚鋼板外天溝，主跨接長部分屋面與老車間屋面連通。屋面設(shè)采光帶，主跨屋脊處設(shè)屋面自然通風(fēng)機20m及副跨118m，喉口均為6m，見圖7所示。

圖7 熱處理車間（副跨）內(nèi)部

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1 擴建萬噸水壓機車間

老萬噸水壓機車間向東擴建接長51m，主跨寬度為30 m、副跨為21m。單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，接長部分與老廠房起重機貫通。接長主跨內(nèi)設(shè)250t及350t起重機各1臺，副跨內(nèi)不新增起重機，但老廠房副跨內(nèi)原有起重機行駛至接長車間內(nèi)。接長車間柱間布置有多臺大型熱處理爐設(shè)備，柱距采用10.5m、14m、12.5m、14m。

接長廠房結(jié)構(gòu)選型：在主、副跨中柱間布置了5臺鍛造加熱爐，致使接長部分無法布置柱間支撐，因此考慮接長部分采用與原廠房連接成一個結(jié)構(gòu)體系，利用原有廠房柱間支撐。在新老廠房交接處不另立柱子?？紤]與老廠房結(jié)構(gòu)體系的一致，接長廠房主副跨上部脫開，形成二個獨立的單跨鋼框架結(jié)構(gòu)。主跨下柱為格構(gòu)柱，上柱為實腹式工字型柱。柱腳為插入式，起重機梁為實腹式工字型梁，制動桁架。主跨最東面車擋需建在車間外，起重機梁外挑。屋面為鋼屋架，間距為8m，柱距為10.5m、14m、12.5m、14m，設(shè)置鋼托架擱中間屋架，因起重機噸位大，屋架上下弦平面均設(shè)置了封閉的縱橫向水平支撐，屋面檁條采用高頻焊H型鋼，墻面系統(tǒng)為單層彩鋼板墻面。在柱距中間設(shè)置一道墻架柱，下段懸吊在輔助桁架下，上段支承在輔助桁架上面，墻檁為C型冷彎薄壁型鋼，或高頻焊H型鋼檁條，山墻設(shè)置抗風(fēng)桁架一道。副跨框架柱采用實腹式等截面工字型鋼，框架梁采用實腹式變截面梁，屋面系統(tǒng)采用主次梁結(jié)構(gòu)體系，起重機梁為實腹式工字型梁，墻面系統(tǒng)柱距中間設(shè)置一根墻架柱，檁條采用C型冷彎薄壁型鋼。

廠房基礎(chǔ)為樁基獨立基礎(chǔ)。在中柱距間布置有5臺加熱爐軌道基礎(chǔ)，因重量大采用條形樁基。其中有1臺加熱爐軌道在老廠房柱間，采用灌注樁。該基礎(chǔ)南端宜與新建油壓機基礎(chǔ)一起考慮。

油壓機基礎(chǔ)是一個14.9m×9m×6.915m深地坑，為保證油壓機基礎(chǔ)滿足使用要求，同時將施工過程中對老廠房影響減到最小，采用滿堂壓樁處理，坑底不平整度達(dá)到幾乎苛刻的規(guī)定要求。

（1）新老廠房關(guān)系

屋面系統(tǒng)：在新老廠房交接處59軸是老廠房的山墻軸線，老廠房屋面板長度6m，由于屋架中心離軸線1 000mm，而屋面板端部懸出屋架，導(dǎo)致擴建廠房的屋面檁條無法擱到屋架上，因此接長前必須將端開間6m范圍的屋面板拆除后改為輕鋼屋面，接長廠房的第一間托架應(yīng)從59軸上柱（鋼柱）焊出。

起重機梁系統(tǒng)：在59軸處原起重機梁同樣懸出柱，導(dǎo)致接長廠房的起重機梁無法擱置，因此接長前須將原12m起重機梁拆除調(diào)換新起重機梁。

墻梁系統(tǒng)：接長廠房的墻梁擱置在老廠房柱上，原混凝土下柱須采取加固，增加牛腿用于擱置擴建廠房的墻梁。

（2）老廠房的抗震鑒定

老廠房建造于20世紀(jì)60年代，未考慮抗震設(shè)計。

主跨：接長廠房起重機梁與老廠房連成一整體，從東端原伸縮縫兼抗震縫即43軸往東至接長后山墻面形成新的結(jié)構(gòu)單元，該新結(jié)構(gòu)體系需滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。為配合新油壓機的工作，新增1臺250t及1臺350t起重機，控制荷載數(shù)據(jù)不能超過原有起重機對廠房的影響，廠房結(jié)構(gòu)承載能力基本滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。但是老廠房砼柱的箍筋不滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范的要求，必須進(jìn)行抗震構(gòu)造加固。加固范圍為新增油壓機范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)單元。

副跨：擴建廠房并未增加起重機，其他使用荷載也沒有改變,未超過老廠房的原設(shè)計使用荷載，但按現(xiàn)行規(guī)范副跨需進(jìn)行抗震鑒定和加固。

3.3.2 擴建熱處理車間

車間為原熱處理車間（主跨30m）向西擴建接長27m，并向南側(cè)擴建一跨（副跨24m），均為單層鋼結(jié)構(gòu)廠房。接長主跨雙層軌高32m、20m與原廠房起重機軌道貫通，20m軌高除原有1臺100t起重機需通過外，新增1臺75t淬火起重機。擴建副跨設(shè)1臺120t淬火起重機、1臺75t起重機及1臺30t淬火起重機，軌高20m。

擴建廠房下柱采用格構(gòu)式鋼柱，中間軸線C另立副跨的工字形小鋼柱支承輔跨的起重機荷載，上柱為實腹式工字形柱，柱腳為錨栓連接，抗風(fēng)柱設(shè)置1至2道抗風(fēng)桁架。起重機梁為實腹式工字形梁，制動桁架；中間軸線柱距為27m的起重機梁采用箱形截面、制動桁架。因新老廠房交接處柱兩邊擱置不同跨度的起重機梁，考慮梁端支承高度相同，27m起重機梁用變截面（高度）梁；原廠房20軌高起重機梁按照2臺100t運輸起重機校核，不需加固。主跨屋面為鋼屋架，中間27m柱距設(shè)置鋼托架，檁條為高頻焊H型鋼。副跨屋面系統(tǒng)采用主次梁結(jié)構(gòu)體系，檁條為C型冷彎薄壁型鋼，墻面系統(tǒng)為單層彩鋼板墻面，墻檁為C型冷彎薄壁型鋼。C軸27m柱距內(nèi)另增墻架柱由輔助桁架承重。

車間廠房基礎(chǔ)為樁加獨立承臺，因工藝復(fù)雜，在副跨內(nèi)布置連續(xù)長地坑，其凈尺寸為111.48m×9m×（坑深-6m，-10m，-15m，在-15m）采用沉井施工法。

（1）新老廠房的關(guān)系

屋面系統(tǒng)：主跨在新老廠房交接處是老廠房山墻屋面板（12m）端部懸挑出屋架，導(dǎo)致接長屋面檁條無法擱置，故接長前必須將原端開間12m屋面板拆除后改為輕鋼屋面。

起重機梁系統(tǒng)：在原起重機梁端懸挑部分因影響接長部分起重機梁的擱置，故必須割除，但原起重機梁可不拆除。

在老廠房南側(cè)C軸線外新立的小鋼柱高度與原廠房標(biāo)高為 12m處的鋼牛腿相碰，須將該牛腿割除，并將小鋼柱與老廠房鋼柱之間用角鋼及橫隔板拉結(jié)。

（2）老廠房的抗震鑒定

老廠房建造于20世紀(jì)70年代，未考慮抗震設(shè)計。

老廠房主跨（30m）鋼結(jié)構(gòu)部分：因擴建副跨對老廠房的影響，須考慮老廠房按現(xiàn)行規(guī)范的抗震鑒定，經(jīng)按原設(shè)計鋼材強度和截面復(fù)算，老廠房主結(jié)構(gòu)基本能滿足規(guī)范要求。

老廠房主跨（30m）混凝土結(jié)構(gòu)部分：10～12軸因擴建影響，也須考慮老廠房的抗震鑒定，經(jīng)復(fù)算，除老基礎(chǔ)須補樁加固外，其他主結(jié)構(gòu)也能滿足承載力要求，但混凝土柱的箍筋間距不能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求，必須進(jìn)行抗震構(gòu)造加固。

綜上所述大型鍛件技改項目，設(shè)計中牽涉到老廠房改造或是擴建的內(nèi)容，必然給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來繁重的工作量，尤其是原有廠房建設(shè)時間較為久遠(yuǎn)，已無法判斷該建筑物承載、抗震、沉降等方面情況或能力的情況下，必須委托有資質(zhì)的公司對老廠房進(jìn)行抗震鑒定。根據(jù)抗震鑒定報告，制定一系列的加固處理措施，如結(jié)構(gòu)體系不完整、不符合現(xiàn)行規(guī)范要求的柱間支撐、屋面支撐按現(xiàn)行規(guī)范要求補全；結(jié)構(gòu)構(gòu)造不符合現(xiàn)行規(guī)范要求的，按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行加固處理；砼雙肢加密區(qū)箍筋不符合要求，擬采用粘鋼板加固（但環(huán)境溫度必須<60℃）或用外包鋼板進(jìn)行加固處理；未與主體結(jié)構(gòu)連接的女兒墻拆除重做，或采取加固構(gòu)造措施。屋面及墻面伸縮縫處不滿足抗震縫寬度的，擬將一側(cè)的板拆除重做或局部鑿除加固，以滿足縫寬要求。對結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震驗算承載力、穩(wěn)定性等不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的進(jìn)行加固補強處理，如個別鋼屋架、天窗架腹桿應(yīng)力比、長細(xì)比超限的可加大截面面積，用粘鋼板或貼焊型鋼等方法進(jìn)行補強。根據(jù)抗震鑒定，如原有建筑物年久失修，改造或加固費用巨大，綜合施工周期等其他因素，也可建議將原廠房部分拆除重建。

若歷史久遠(yuǎn)老廠房需接長，且起重機軌道須在新老廠房貫通時，查看老廠房軌道標(biāo)高圖樣已無意義，多年來老廠房沉降，軌道此時實際標(biāo)高已偏離圖樣標(biāo)高。因此首先需要請有資質(zhì)單位對老廠房起重機軌道標(biāo)高進(jìn)行實測（選擇多個點），新廠房軌道標(biāo)高按最終測試數(shù)據(jù)來確定，這樣新老廠房軌道可以貫通。

若新廠房新增加起重機噸位遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老廠房起重機噸位，且需起重機新老廠房貫通，顯然老廠房承受不起大噸位起重機使用，但又不允許拆掉重建。如何解決，比較可行方法是，在確保起重量的前提下，向起重機供應(yīng)商提出起重機參數(shù)的限制值（即非標(biāo)參數(shù)），將老廠房中最大起重機參數(shù)值作為新廠房大噸位起重機限制值，例如增加大噸位起重機兩側(cè)大車行走的輪子數(shù)，使其每個輪子的輪壓值≤限制值；起重機大車、小車行走速度≤限制值等。萬噸水壓機車間就是采用此方法解決新增350t起重機駛?cè)朐畲笾荒苄惺?00t起重機老廠房。

4 結(jié)論

按“十二五”規(guī)劃需求，我國大型鍛件產(chǎn)品的需求將維持在一個較高的水平。

因此，在短時期內(nèi)迅速擴大我國大型鍛件的生產(chǎn)能力，將是亟待解決的問題，而設(shè)計并建設(shè)有大型鍛件生產(chǎn)能力的廠房，成為了首要且必須的前提條件。