橫向荷載作用下配料倉廠房結構體系優化設計

黃建兵

(中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031)

橫向荷載作用下配料倉廠房結構體系優化設計

黃建兵

(中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031)

傳統配料倉廠房,根據工藝配置方案、結構受力特點確定廠房結構體系。考慮配料倉倉體自重及物料重等豎向荷載,均采用多層鋼筋混凝土或鋼結構框架結構。某海外工程配料倉廠房因還要承受較大地震荷載、風荷載中的橫向荷載作用,選擇了更優的框架-支撐結構體系,不但結構整體工程量優化了30%,還能使結構安全度及舒適度得到大大提高。

橫向荷載作用；配料倉廠房；結構體系；優化設計

配料倉廠房是冶煉項目中物料分配及運輸的重要一個環節,單個配料倉倉體加物料自重約幾百噸,傳統廠房考慮配料倉倉體自重及物料自重等豎向荷載作用,均采用多層鋼筋混凝土或鋼結構框架結構。但在地震烈度較高或風荷載較大地區,橫向荷載作用起控制作用,選擇即能抗豎向荷載又抗橫向荷載的結構體系,是優化結構設計方案的重點。本文根據某海外工程實例,簡述結構體系優化的方法及所產生作用與效果。

1 設計基本條件

1.1 建筑平面尺寸及工藝配置

建筑寬度10 m,長度根據配料倉體個數確定,本次結構計算根據縱向支撐布置間距,取4個倉體,即 4×4.6 m=18.4 m;建筑高度約20.5 m。建筑平面布置見圖1,廠房剖面見圖2。

圖1 建筑平面布置

1.2 自然條件

基本風壓為0.95 kN/m2[1],地面粗糙類別為A類;地震烈度按中國規范取 8度(0.2g)[2],場地類別取Ⅱ類,特征周期為0.35 s;屋面活荷載為0.5 kN/m2,不考慮雪荷載,其他樓層荷載根據工藝提供條件輸入。

2 傳統結構設計

2.1 傳統結構體系

根據工藝配置及結構受力特點,傳統鋼結構體系中,結構橫向通常采用框架結構,縱向通常采用框架-支撐結構?？蚣茌S線計算見圖3,框架空間計算3D模型見圖4。

圖3 框架軸線計算簡圖

圖4 框架空間計算3D模型

2.2 計算分析及計算結果

結構分析軟件采用YJK-A,橫向框架-縱向支撐框架結構計算結果如下：

1)周期振型。周期振型(取前三振型)見表1。

表1 框架結構周期振型

2)位移輸出結果。位移輸出結果見表2。

表2 框架結構位移輸出結果

3)主要應力比。第二標準層中間兩根鋼柱應力比0.67、0.63(均由強度應力控制),中間鋼梁強度應力比0.71。

4)鋼柱平面布置及柱底內力?？蚣芙Y構鋼柱平面布置及柱底內力見圖5。

圖5 框架結構鋼柱平面布置及柱底內力

2.3 小結

通過以上計算可知,為了保證結構在地震荷載、風荷載中的橫向荷載作用下結構位移[3]滿足規范要求,框架結構中鋼柱與鋼梁均采用較大截面,而鋼結構的強度應力比及穩定應力比均比較低,材料強度得不到充分利用,結構總用鋼量達到為85.35 t。此時鋼柱柱底產生較大柱底彎矩,鋼柱柱腳及基礎設計時均應考慮彎矩影響。

3 優化結構體系設計

3.1 結構體系優化

由于傳統的結構體系剛度太柔,結構側向位移過大,且通常結構分析軟件尚未考慮幾何變形的二次效應,這樣不僅造成材料浪費,且不能確保安全。經與工藝專業協調,結構專業在5.20 m,標高以下采用人字撐,5.20～8.20 m根據配料倉形狀采用倒人字撐, 8.20 m以上平臺也采用人字撐,15.50 m以上平臺根據工藝使用要求,采用框架形式。結構橫向布置[4]進行優化處理后,結構縱橫向均采用采用框架-支撐結構體系，支撐框架計算見圖6,支撐框架空間計算3D模型見圖7。

圖6 支撐框架軸線架計算簡圖

圖7 支撐框架空間計算3D模型

3.2 計算分析及計算結果

結構分析軟件采用YJK-A,縱橫向支撐框架結構計算結果如下。

1)周期振型。周期振型(取前三振型)見表3。

表3 支撐框架結構周期振型

2)位移輸出結果。位移輸出結果見表4。

表4 支撐框架結構位移輸出結果

3)主要應力比。第二標準層中間兩根鋼柱應力比0.85、0.73(均由強度應力控制),中間鋼梁強度應力比0.86。

4)鋼柱平面布置及柱底內力。支撐框架結構鋼柱平面布置及柱底內力見圖8。

圖8 支撐框架結構鋼柱平面布置及柱底內力

3.3 小結

通過以上位移輸出結果及應力比可知,結構在地震力作用下,結構1～4層最大位移約6 mm;在風荷載作用下,結構1～4層最大位移均約8 mm。位移值遠遠小于框架結構體系中所產生的位移,均滿足規范要求。結構總用鋼量僅為57.03 t,比框架結構總用鋼量減少約30%,鋼材結構強度、穩定應力比也均滿足規范要求。結構安全度及舒適度得到大大提高。通過柱底內力比較可知,框架-支撐結構體系中,柱底僅產生軸力,基礎及柱腳設計類似鉸接柱腳。筆者通過此工程比較,采用優化后柱底內力進行鋼柱柱腳錨栓及基礎設計,減少約30%土建工程量。通過以上數據可知,選擇合理結構體系,不但更能保證結構安全可靠性,還可減少土建工程量。此工程整體優化工程量達30%,具有較好的經濟效益。

4 結語

土建專業在工業設計中起著舉足輕重的地位,如何利用傳統工藝與土建配置方案,結合結構受力特點,選擇即能滿足工藝配置要求,又更加合理的結構體系是土建優化設計的關鍵及重中之重。本文所述設計采用支撐框架結構體系,利用傳統工藝配置柱網,不但考慮工藝荷載,還應考慮結構所受自然條件的荷載,并結合工藝要求進行結構體系的配置,既滿足工藝生產使用要求,又做到結構受力合理,安全可靠,經濟適用,實現結構優化設計。優化后的結構體系不但可以做到安全可靠,能起到較好的經濟效益。

[1] GB50009-2012,建筑結構荷載規范[S].

[2] GB50011-2010,建筑抗震設計規范[S].

[3] 王亞勇,戴國瑩.建筑抗震設計規范算例[M].北京：中國建筑工業出版社,2006.

[4] 唐興榮.特殊和復雜高層建筑結構設計[M].北京：機械工業出版社,2006.

Structural System Optimization Design of Blending Bin Plant with Transverse Load Effect

HUANG Jianbing

(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

For traditional blending bin plant,it determines mill construction system according to process configuration scheme, structure loading effect.Considering vertical load of blending bin weight itself and materials,adopt multilayer reinforced concrete or steel frame structure without exception.Due to a huge transverse load bearing of earthquake load and wind load in an abroad blending bin plant,a superior frame-support structure system are adopted.Not only the entire work amount of structure has been optimized 30%,but also safety and comfort level of structure have been greatly improved.

transverse load effect;blending bin plant;structure system;optimization design

TU391-04

B

1004-4345(2014)05-0065-04

2014-08-18

黃建兵(1982—),男,工程師,主要從事結構設計與研究工作。