單層抽柱鋼結構廠房的結構分析

蔣理，江科文

（1重鋼集團設計院 重慶 400081 2 重慶工商職業學院 重慶 400052）

1 引言

本文研究內容取材于重鋼整體搬遷項目，重鋼整體從重慶大渡口搬遷到長壽江南，選取擬建的2700mm中板廠廠房，作為研究的背景工程，對該廠房結構受力進行分析，既解決了該類廠房的設計難題，也為類似的廠房設計提供參考。

2 工程概況

主廠房位于重慶長壽江南，原始地貌為嶺谷相間的丘陵地貌，場地回填時間約為兩年左右。回填土的最大厚度約為20m，有少量的挖方。場地類別為Ⅱ級，場地特征周期為0.35。該地區抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g。基本風壓為0.4 kN/m2，無雪荷載。

主廠房總建筑面積為100637m2，為全鋼結構廠房，由1～5跨組成，基本柱距為12m，15m，18m，局部抽柱形成24m，27m，36m柱距。

主廠房采用全鋼排架結構，屋面采用平行弦屋架鉸接于柱頂，柱腳剛接于基礎頂面。主廠房排架柱采用階梯型柱，上柱采用焊接H型鋼實腹式柱，下柱采用雙肢格構式柱。抽柱處采用托架支撐屋架，吊車梁采用簡支焊接工字型實腹鋼梁。

3 結構分析

從整個主廠房來看，難點在于“抽柱排架”的計算，本文將以抽柱排架作為受力分析的對象。采用的軟件是2006年中國建科院PKPM工程組開發的《STPJ鋼結構重型工業廠房設計軟件》。

3.1 結構模型

本文選取了抽柱部分的廠房作為研究對象，并分別以“標準單元”，“抽柱后中柱計算單元”，“抽柱后邊柱計算單元”三種模型進行計算，并對輸出的內力和位移進行分析對比。計算模型詳見圖1～圖5所示。

圖1為標準單元，圖4為對應的剖面圖。

圖1 標準單元計算單元

圖2 抽柱后中柱計算模型平面圖

圖3 抽柱后邊柱計算單元計算模型平面圖

圖4 1-1結構剖面圖

圖5 2-2結構剖面圖

圖2為抽柱后的中柱單元，主要用于計算抽柱后中柱的受力，即2－D，2-E/2-31軸的排架柱的受力情況。圖4為對應的剖面圖。

圖3為抽柱后的邊柱單元，主要用于計算抽柱后邊柱的受力，即2－A，2-B，2-C，2-F/2-30軸的排架柱的受力情況。 圖5為對應的剖面圖。

3.2 受力分析

（1）標準單元排架計算，計算內容如下:所有柱承受柱距為18m的吊車荷載，屋面荷載，風荷載等；計算吊車荷載時，每跨間考慮4臺吊車同時作用，用影響線來計算吊車荷載。

（2）抽柱后邊柱計算單元

抽柱排架計算采用 “虛擬柱”法，“虛擬柱”法在平面排架抽柱處用一根兩端鉸接的搖擺柱替代屋架與托架的作用，“虛擬柱”長度取排架柱上柱高度以方便施加吊車荷載。

“虛擬柱”只用來模擬屋架與托架變形協調，因此，確定“虛擬柱”截面是依據 “虛擬柱”在屋面軸力作用下的軸向變形等于托架在跨中豎向力作用下的繞度。其本身的計算指標 （強度、穩定、長細比）無意義。

（3）抽柱后中柱計算單元

計算內容與標準跨的不同如下:對于2－D，2-E軸柱，所承受的吊車荷載為36m跨吊車梁傳遞到柱牛腿上的恒載及活載，柱頂承受36m托架傳遞的屋面荷載；對于其余柱，包括2－A，2－D，2－C，2-F承受的屋面荷載及吊車荷載均同標準單元，即柱距為18m所承受的荷載。

3.3 計算結果對比

（1）內力對比

（2）位移對比

表1 彎矩包絡（kN·m）對比

表2 軸力包絡（kN）對比

表3 剪力包絡（kN）對比

表4 風荷載柱頂位移（mm）比較

表5 地震荷載柱頂位移（mm）比較

表6 吊車梁荷載軌頂位移（mm）比較

4 計算結果分析

4.1 內力比較

通過抽柱單元的計算結果與標準單元的計算結果對比，可以得出以下結論（“抽柱后邊柱計算單元”簡稱“邊柱”，“抽柱后中柱計算單元”簡稱“中柱”）:

（1）“邊柱”與“標準單元”對比，所有柱腳的彎矩均增大約12%～24%，剪力增大約6%～33%。軸力基本不變。

（2）“中柱”與“標準單元”對比，僅在2－D，2－E抽柱位置，彎矩力增大約22%，其余柱彎矩與標準單元基本接近。同樣，剪力也是在2－D，2－E抽柱位置增大，增幅約50%～78%，軸力在2－D，2-E抽柱位置增大約39%。其余柱與“標準單元對比”內力無明顯變化。

4.2 廠房位移比較

通過抽柱單元的計算結果與標準單元的計算結果對比，可以得出以下結論（“抽柱后邊柱計算單元”簡稱“邊柱”，“抽柱后中柱計算單元”簡稱“中柱”）:

（1）在地震烈度為6度地區，當廠房較高時，風荷載在水平荷載中起主要控制作用。

（2）“邊柱”與“標準單元”對比，在風荷載作用下，柱頂位移由1/1470增大到1/983。滿足規范規定的1/400水平位移允許值。但位移的絕對差達到6.1mm。

(3)”中柱”與”標準單元”對比，各位移基本相同。

5 結論

通過對內力以及位移的計算，我們可以得出以下幾點結論:

（1）計算結果符合實際的受力狀況，因此，用“虛擬柱”法來計算抽柱排架方案是可行的。

（2）抽柱以后，“中柱”內力增大，而位移不變。“邊柱”內力增大，同時位移也增大。在進行構件設計中，要對內力增大的構件進行驗算，必要時需要增大柱截面。而位移增大，說明在“邊柱”處形成了薄弱層，就需要通過結構體系的調整，通過增強該區域的屋面支撐，來增大屋面剛度，使各排架柱能夠變形協調。

[1]張志強，張柯，等.鋼筋混凝土抽柱排架結構計算分析[J].工業建筑，2008，38(12).

[2]GB 50009-2001[S].建筑結構荷載規范（2006年版）[S].