多層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

王志偉

(唐山森迪科技有限公司,唐山 063020)

多層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

王志偉

(唐山森迪科技有限公司,唐山 063020)

該文介紹了某選煤廠多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的分析和設(shè)計,針對帶有較大噸位吊車的大空間主廠房的特點并結(jié)合PKPM(STS)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件探討了此類鋼結(jié)構(gòu)主廠房設(shè)計思路,詳細(xì)介紹了結(jié)構(gòu)的平面、立面的概念設(shè)計,從力學(xué)角度分析解決問題,并總結(jié)了多層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計中結(jié)構(gòu)布置的基本原則。

鋼結(jié)構(gòu); 剛度; 支撐; 結(jié)構(gòu)布置

近年來隨著洗煤廠規(guī)模的逐步擴(kuò)大,帶有較大噸位吊車的大空間廠房的設(shè)計越來越廣泛。由于鋼結(jié)構(gòu)具有材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特點適用于大跨度結(jié)構(gòu),大量的鋼結(jié)構(gòu)一般在專業(yè)化的金屬結(jié)構(gòu)廠做成構(gòu)件,質(zhì)量可靠度高,在工地拼裝施工周期短。近年來,由于鋼鐵產(chǎn)能過剩致使鋼材價格較以前有所回落,因此,越來越多的選煤廠廠房采用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

1 工程概況

該廠房整體采用帶支撐的鋼框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)工藝要求廠房平面縱向長度為39 m(X向)、橫向?qū)挾葹?2.5 m(Y向),總高度為25.74 m。廠房下部三層全層有設(shè)備,上部為大空間,設(shè)檢修吊車、最上為屋面結(jié)構(gòu)(平、立面結(jié)構(gòu)示意圖,見圖1)。根據(jù)現(xiàn)場勘測及甲方提供的資料:該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計基本地震加速度值為0.3 g;基本風(fēng)壓為0.55 k N/m2;活荷載:樓面為5.0 k N/m2,屋面為0.5 k N/m2(不上人屋面);樓板采用壓型鋼板混凝土組合樓板,有效厚度約為120 mm。屋面板及墻面板采用80 mm厚夾芯板輕型屋面板。

2 平面結(jié)構(gòu)布置

在均布荷載作用下構(gòu)件的彎矩與跨度成二次方的關(guān)系,因此樓板壓型鋼板布置凸肋時應(yīng)盡量沿板的短跨布置以提高樓板的平面外剛度,減小撓度。同理,次梁布置時宜按房屋的短向布置以取得較大的剛度[1]。該工程在主梁布置時采用X向與Y向均與柱剛接的方式,這樣既增加了主梁的豎向承載能力,又增加了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和冗余度,結(jié)構(gòu)的安全儲備得到增強(qiáng),而且在罕遇地震時可以靠梁柱節(jié)點的塑形變形來消耗地震能量[2]。

屋面結(jié)構(gòu)布置時,考慮到邊榀框架剛度較大,而中間榀作為大跨度框架剛度十分弱,中間與兩側(cè)變形差異較大對于結(jié)構(gòu)十分不利[3];而屋面板為夾芯板,其平面內(nèi)與平面外剛度均較弱,不能有效地協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件的變形,故設(shè)計時采用了設(shè)置水平支撐的方式,具體見屋面結(jié)構(gòu)示意圖,如圖2所示。

由于水平縱向支撐平面內(nèi)剛度較大能夠有效協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件的側(cè)移,且B、C軸柱頂傳來的風(fēng)荷載可以由橫向支撐傳到A、D軸邊榀框架,傳力簡單明確,并且由于設(shè)置了橫向支撐及撐桿,減小了2至5軸屋面梁的平面外計算長度,增強(qiáng)了梁的穩(wěn)定性,能夠使梁的截面較小從而取得較大的經(jīng)濟(jì)利益。其中,在軟件中建立計算模型時屋面支撐可按PKPM(STS)中的斜桿輸入。屋面支撐設(shè)計時橫桿可按壓桿設(shè)計,斜桿可按拉桿設(shè)計,橫向及縱向支撐從概念上可以看成桁架,布置簡單,受力明確。

3 立面結(jié)構(gòu)布置

立面布置時空間大、四周柱高度較高,一側(cè)沒有框架梁與之相連,詳情見中榀框架立面示意圖,如圖3所示。故其計算長度較大,長細(xì)比難以滿足規(guī)范要求的限值,長細(xì)比λ=l/i(l為柱計算長度、i為柱截面回轉(zhuǎn)半徑)。因此,要減小長細(xì)比需從減小柱計算長度l及增大相應(yīng)方向的回轉(zhuǎn)半徑入手。由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50017—2003附錄D[4]可知,柱上下兩端與之相連的框架梁剛度與柱剛度之比越大,柱計算長度越小。該工程設(shè)計時就將柱下端的框架梁適當(dāng)?shù)丶哟罅?并且將工字形截面柱的弱軸放在了沒有框架梁的一側(cè),使i值明顯加大,通過以上兩種措施長細(xì)比得到了有效的控制。

需要指出的是:工作經(jīng)驗較少的設(shè)計人員往往看到柱的長細(xì)比不滿足設(shè)計要求就加大柱截面,調(diào)整完后再一計算發(fā)現(xiàn)長細(xì)比不僅沒變小而且還有可能變大。從上邊的分析可知,框架梁截面不變,柱截面加大,梁柱線剛度比的數(shù)值減小即梁對柱的約束減弱,從而柱的計算長度系數(shù)就越大;而柱截面增大并不能有效增大回轉(zhuǎn)半徑i,故單純增大柱的截面往往起不到降低長細(xì)比的效果,反而得不償失。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011—2010第3.5.3條第3款要求結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性宜相近。而該工程橫向為3跨,縱向為5跨,因此宜將工字形框架柱的弱軸宜沿橫向(Y向)布置以增強(qiáng)橫向剛度。經(jīng)軟件PKPM(SATWE)計算后,得出前三階周期,如表1所示。

表1 前三階周期參數(shù)

由表1可知,X向與Y向周期相近,表明兩個主軸方向剛度也相近,柱截面方向的布置是合理的。

由于結(jié)構(gòu)材料為鋼材,強(qiáng)度較高,故按強(qiáng)度控制需要的構(gòu)件截面較小,而截面小直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度較弱不能滿足設(shè)計規(guī)范對位移的要求。若加大梁柱截面需要耗費較多的材料,且結(jié)構(gòu)剛度提高得并不明顯,效果也不好。無支撐框架的變形主要為梁柱的彎曲變形,而支撐的變形主要是軸向變形。眾所周知,相同的荷載、相同的截面軸向變形遠(yuǎn)小于彎曲變形,根據(jù)這個常識,該工程在框架的周圈布置上支撐以增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,如圖4所示。

根據(jù)多道防線的概念設(shè)計,需要指出的是框架-支撐體系中,支撐框架是第一道防線[4],在強(qiáng)烈地震中支撐先屈服,內(nèi)力重分布使框架部分承擔(dān)的地震剪力必須增大,二者之和應(yīng)大于彈性計算的總剪力。故設(shè)計規(guī)范要求,框架部分按剛度分配計算得到的地震剪力應(yīng)乘以調(diào)整系數(shù),應(yīng)不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25%;最終在結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25%與框架部分計算最大層剪力的1.8倍這兩個數(shù)值之間,選取較小值。

柱間支撐的布置有多種形式,常見的中心支撐有“X”形、“人”字形及“K”形等等。

1)其中“X”形支撐可按拉桿進(jìn)行截面設(shè)計,即在水平力的作用(地震作用或風(fēng)荷載作用)下,支撐交叉斜桿受力為一拉一壓,考慮支撐斜桿在壓力的作用下退出工作,只剩受拉力的桿件起作用,按桿件受壓計算截面承載力時,計算公式為N=φ×f×A(f為材料強(qiáng)度,A為截面面積,N為承載力),應(yīng)該考慮構(gòu)件的受壓穩(wěn)定系φ(φ＜1)數(shù)以防止構(gòu)件的穩(wěn)定性不足而發(fā)生失穩(wěn)破壞,而按拉桿設(shè)計時可不必考慮受壓穩(wěn)定系數(shù)的影響。因此,按拉桿設(shè)計時所需截面小于按壓桿設(shè)計所需界面,故能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益,需要指出的是根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011—2010第8.4.1條第1款規(guī)定一、二、三級中心支撐不得采用拉桿設(shè)計,四級采用拉桿設(shè)計時,其長細(xì)比不應(yīng)大于180。而由于該工程抗震等級為三級,故計算時不能采用拉桿設(shè)計。

2)“人”字形支撐在相同的由梁柱構(gòu)成的框架區(qū)格內(nèi),其斜桿構(gòu)件長度一般小于“X”形支撐的斜桿構(gòu)件,故其經(jīng)濟(jì)性較好。但是根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011—2010第8.2.6條第2款規(guī)定:人字支撐和V形支撐的框架梁在支撐連接處應(yīng)保持連續(xù),并按不計入支撐支點作用的梁驗算重力荷載和支撐屈曲時不平衡力作用下的承載力;不平衡力應(yīng)按受拉支撐的最小屈服承載力和受壓支撐最大屈曲承載力的0.3倍計算[5]。必要時,人字支撐和V形支撐可沿豎向交替設(shè)置或采用拉鏈柱。按此規(guī)定計算后鋼材的用量可能并不能比“X”形支撐的框架鋼材整體用量少,故可根據(jù)具體的工程具體分析采用哪一種支撐形式。

3)“K”形支撐由于其斜桿交匯點在柱中位置處,在罕遇地震作用下,在支撐交匯點處比較容易出現(xiàn)塑性鉸。而該塑性鉸出現(xiàn)在柱中,容易造成結(jié)構(gòu)的整體垮塌,有悖于“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計概念,因此從抗震角度來講不宜采用“K”形支撐。

支撐的截面形式可采用單槽鋼、單角鋼、雙角鋼、雙槽鋼、H形鋼、鋼管等等。以上幾種截面除鋼管外均有弱軸,在相同的計算長度內(nèi),在壓力作用下構(gòu)件一般較弱軸失穩(wěn),而強(qiáng)軸方向又得不到充分的利用,而圓鋼管沿任意直徑方向均對稱,截面能夠得到有效的利用,因此該工程支撐截面選用的是圓鋼管。

除了上述的中心支撐,還有偏心支撐。偏心支撐顧名思義即支撐桿件的軸線與梁柱的軸線不是相交于一點,而是偏離了一段距離。這樣設(shè)計的好處是可以將框架梁的一段設(shè)計成耗能梁段從而吸收耗散地震能量。該工程未采用這種支撐,故不做詳細(xì)的討論。

經(jīng)計算與分析表明:相鄰的兩跨柱間布置的兩道支撐剛度要大于相隔的兩跨柱間布置的兩道支撐剛度,即兩道緊貼的支撐剛度要大于分離的兩道支撐剛度。原因是兩道分離的支撐剛度之和僅為各自剛度的相加,而兩道緊貼的支撐由于其合并在一起,其力臂加高了一倍,故其剛度肯定要比各自剛度相加的數(shù)值要大,故設(shè)計時宜將支撐緊貼在一起布置以取得較大的抗側(cè)剛度。但是該工程由于工藝布置的要求,墻面上有許多洞口,所以不能按上述的原則布置支撐,而只能將支撐分離開布置。因此,在布置支撐時不應(yīng)只從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度來進(jìn)行設(shè)計,還要考慮設(shè)計工藝的要求,盡量做到經(jīng)濟(jì)合理、安全適用。

4 柱腳設(shè)計

鋼柱柱腳為柱與基礎(chǔ)的連接節(jié)點,鋼柱柱腳常用的形式有外露式柱腳、埋入式柱腳及外包式柱腳。由“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的抗震概念可知:柱腳的極限受彎承載力應(yīng)為柱的塑性受彎承載力的1.1倍(外露式柱腳)或1.2倍[5](埋入式柱腳及外包式柱腳)。而當(dāng)柱截面較大時,柱的塑性受彎承載力也較大,因此外露式柱腳很難滿足此要求。埋入式柱腳是通過混凝土對鋼柱的承壓力傳遞彎矩[6],一般用于柱下雙向條形基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ),這兩類基礎(chǔ)能夠?qū)︿撝鶄鬟f可靠的壓力。而該工程基礎(chǔ)為柱下獨立基礎(chǔ),故采用外包式柱腳,外包式柱腳底部的彎矩全部由外包鋼筋混凝土承受[6]。鉸接柱腳由于其轉(zhuǎn)動剛度較弱,在該工程設(shè)計時并未選用,故不作詳細(xì)討論。

5 結(jié) 語

結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的平、立面布置,保證結(jié)構(gòu)的整體抗震性能,使整個結(jié)構(gòu)具有必要的承載力、剛度和延性。結(jié)構(gòu)設(shè)計中概念設(shè)計是基礎(chǔ),而概念設(shè)計的靈魂是力學(xué)知識,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時運用力學(xué)的思維不僅能取得較好技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效益,往往還有事半功倍的效果。

以上為筆者在實際工作中得出的一些設(shè)計方法和思路,限于自身水平,有不當(dāng)不周之處敬請業(yè)內(nèi)同行們不吝指教。

[1] 陳紹蕃,顧 強(qiáng).鋼結(jié)構(gòu).上冊,鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[2] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu).下冊,房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[3] 朱炳寅.建筑抗震設(shè)計規(guī)范應(yīng)用與分析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[4] GB 50017—2002.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[5] GB 50011—2010.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[6] JGJ 99—98.高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

Conceptual Design of Multi-storey Steel Structure Building

WANG Zhi-wei
(Tangshan Sendi Technology Corporation,Tangshan 063020,China)

This paper introduced the analysis and design of industrial building of the multi-storey steel structure which is in a coal preparation plant.According to the characteristics of the main building with large space and large tonnage crane and the structure design software PKPM(STS),the paper discussed this kind of steel structure design,and introduced the structure of the conceptual design of plane,elevation and it solved the problem from the angle of mechanics,and summarized the basic principles of the design of multi-storey steel structure building.

steel structure; stiffness; support; structure array

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.06.020

2014-06-20.

王志偉(1987-),助理工程師.E-mail:wzw20516@163.com