某廠區(qū)出入口結構設計與分析

余震安

某廠區(qū)出入口結構設計與分析

余震安

Mou chang qu chu ru kou jie gou she ji yu fen xi

本文基于實際工程中同時遇到的鋼筋混凝土-鋼結構、鋼筋混凝土結構、大跨組合鋼結構，對結構各個分區(qū)分別采用Midas和SATWE進行了受力分析，并介紹了結構設計過程中采用的提高結構受力性能的構造措施。

一、工程概況及結構形式

工程位于某抗震設防烈度為7度的城市經濟技術開發(fā)區(qū)，周邊用地分別為工廠、學校、高爾夫球場及高速公路。主體建筑地上一層，局部四層。主體建筑高度18.30m，建筑基底面積：103.9m2。總建筑面積：390.3m2；另有無維護結構飄板面積：940m2。建筑可分為三部分：兩端側翼、左右門衛(wèi)室、中部組合大跨結構。兩端側翼為下部混凝土柱，柱頂采用鋼管支撐起輕鋼屋面，屋面為雙向H型鋼配合檁條，直立鎖邊鋁鎂錳屋面板；左右門衛(wèi)室為四層普通鋼筋混凝土結構，但需考慮與兩側翼及中間組合大跨結構的連接；中部組合大跨結構采用三層弦桿組合桁架，上弦、中弦及腹桿為圓鋼管，下弦為H型鋼，屋面層為下弦層所在標高，屋面板采用直立鎖邊鋁鎂錳屋面板。

二、結構設計控制點

1.大懸挑

側翼懸挑較大建筑懸挑長度為8m，懸挑根部矢高為僅為400，控制撓度較難；柱頂鋼管支撐的穩(wěn)定性較難控制。

2.結構復雜

中部鋼筋混凝土結構的門衛(wèi)室面積較小，而兩側鋼筋尺度較大，需將鋼結構的支座設置于門衛(wèi)室鋼筋混凝土結構中，占用尺寸較大，減少了門衛(wèi)室的使用面積；另外門衛(wèi)室造型復雜，含弧型造型梁、挑檐、下掛折板等局部造型需求。

3.大跨度

中部組合大跨結構跨度大，跨度為45m，矢高僅為3m，且平面為弧型，需要著重控制結構的撓度及扭轉。

4.溫度應力

結構總長度為180m，在正常使用條件下，會產生較大的溫度應力，應采取措施控制溫度應力，以免對結構產生有害位移。

三、結構計算及分析

考慮到本程的復雜性，采用分區(qū)計算的方式，對兩側翼及中部組合大跨結構采用Midas Gen 計算；對左右門衛(wèi)室采用多層及高層建筑結構三維分析與設計軟件SATWE計算。主要的荷載及控制參數(shù)為：

抗震設防烈度為7度，設計地震基本加速度0.15g，設計地震分組為第二組，場地土類別為a類。場地特征周期0.4s，結構阻尼比0.05，多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值：0.12；砼屋面面層荷載（建筑找坡）：3.5kN/m2；室外屋面板材（鋁單板及直立鎖邊鋁鎂錳合金板）重量不超過0.15 kN/m2。

1.側翼計算分析

重點關注大懸挑位置的梁，計算結果如下：H型鋼型號為：H400x300x10x18，材料：Q235；截面內力：軸力Fxx=0.042kN，彎矩My=-155.23kN. m，Mz=-0.373kN.m，剪力Fyy=-3.84kN，F(xiàn)zz=-42.4kN；自由長度：L=6.39；計算長度系數(shù)：1.00；等效彎矩系數(shù)：1.00；長細比：KL/r=85.7<123.8；軸向應力驗算：N/Nrt=0.04/4302.6=0.00<1.000；彎曲應力驗算：My/Mry=155.23/647.72=0.240<1.000；Mz/Mrz=0.373/159.38=0.002<1.000；整體穩(wěn)定

驗算：Rmax=0.230<1.000；剪切強度驗算：Vy/ Vry=0.002<1.000；Vz/Vrz=0.068<1.000；撓度驗算：W/ Wmax=24.8/25.6=0.97<1.000。由以上計算結果可知此懸挑梁的控制點為撓度，當撓度滿足規(guī)范要求時，強度及穩(wěn)定性亦可滿足要求。

2.左右門衛(wèi)室計算分析

位移計算結果為：X方向地震作用下的樓層最大層間位移角為1/612；Y方向地震作用下的樓層最大層間位移角為1/569；X方向風荷載作用下樓層最大層間位移角為1/1328；Y方向風荷載作用下樓層最大層間位移角為1/4053；X方向最大位移與層平均位移的比值：1.06；X方向最大層間位移與平均層間位移的比值：1.08；Y方向最大位移與層平均位移的比值：1.01；Y方向最大層間位移與平均層間位移的比值：1.03。均滿足規(guī)范要求。

3.中部大跨結構計算分析：

（1）上弦計算結果為：截面為圓鋼管，直徑325mm，壁厚16mm；材料：Q345；截面內力：軸力Fxx=-1613.7kN，彎矩My=10.78kN.m，Mz=0.00kN.m，剪力Fyy=2.06kN，F(xiàn)zz=-2.67kN；自由長度：L=3.03；計算長度系數(shù)：1.00；等效彎矩系數(shù)：1.00；長細比：KL/r=27.7<123.8；軸向應力驗算：N/Nrt=1613.7/4600.18=0.351<1.000；彎曲應力驗算：My/Mry=10.78/354.59=0.03<1.000；Mz/Mrz=0.00/354.59=0.000<1.000；整體穩(wěn)定驗算：Rmax=0.378<1.000；剪切強度驗算：Vy/ Vry=0.001<1.000，Vz/Vrz=0.002<1.000。

（2）中弦計算結果為：截面為圓鋼管，直徑219mm，壁厚12mm；材料：Q345；截面內力：軸力Fxx=69.42kN，彎矩My=18.33kN.m，Mz=0.00kN. m，剪力Fyy=-0.41kN，F(xiàn)zz=-12.50kN；自由長度：L=2.88；計算長度系數(shù)：1.00；等效彎矩系數(shù)：1.00；長細比：KL/r=42<123.8；軸向應力驗算：N/Nrt=69.42/2419.24=0.029<1.00；彎曲應力驗算：My/Mry=18.33/118.73=0.154<1.000；Mz/Mrz=0.00/118.73=0.000<1.000；整體穩(wěn)定驗算：Rmax=0.163<1.000；剪切強度驗算：Vy/ Vry=0.001<1.000，Vz/Vrz=0.018<1.000。

（3）下弦計算結果為：截面為H型鋼，型號為：H400x300x10x18；材料：Q345；截面內力：軸力Fxx=0.29kN，彎矩My=5.31kN.m，Mz=40.77kN. m，剪力Fyy=41.91kN，F(xiàn)zz=-6.21kN；自由長度：L=1.20；計算長度系數(shù)：1.00；等效彎矩系數(shù)：1.00。長細比：KL/r=40.2<123.8；軸向應力驗算：N/Nrt=0.29/4302.6=0.000<1.000；彎曲應力驗算：My/Mry=5.31/647.72=0.008<1.000；Mz/Mrz=40.77/159.38=0.256<1.000；整體穩(wěn)定驗算：Rmax=0.221<1.000；剪切強度驗算：Vy/ Vry=0.034<1.000，Vz/Vrz=0.010<1.000；

（4）整體撓度驗算：W/Wmax=143.6/180=0.80<1.000。

四、結構構造措施

1.鋼管支撐頂部設加勁肋及斜撐

側翼混凝土柱頂為鋼管支撐，支撐整個屋面結構，鋼管底與混凝土柱若做成固定支座，較難控制質量，故而采用可轉鉸支座，同時在一個方向做斜支撐來控制豎向支撐不產生本方向的彎矩，另一個方向在鋼管和屋面鋼梁節(jié)點處設-12x450x600加勁肋來保證本方向的抗彎剛性。

2.樓板加厚

左右門衛(wèi)室一側連接側翼鋼梁，一側連接中部組合大跨結構，各層樓板的受力較為復雜，特別是標高11.050處的樓板直接連接鋼結構，除采用雙層雙向配筋措施外，對重要樓層樓板加厚至150mm，對次要樓層樓板加厚至120，采用此種方式不僅能提高結構的整體性能，同時，還可以提高樓板在兩側鋼結構相互作用下的受力性能。

3.采用抗震支座

側翼鋼結構與混凝土結構連接處設置抗震球形支座，此支座設置為不承受彎矩且水平方向設置長螺栓孔可釋放溫度應力，僅提供向上的支撐力；在中部大跨結構兩端亦設置抗震球形支座，兩端均不承受彎矩，其中一端設置為普通鉸接，另一端設長螺栓孔釋放溫度應力。支座的設置可在保證可靠連接的前提下盡量減少各部分之間的相互作用，結構受力更明確。

4.梁局部加寬

由于中部組合大跨結構受力較大，采用的支座亦較大，但深入混凝土結構后受力點為樓板，存在撕裂樓板的可能性，故局部把框架梁加寬至600mm寬用來放置支座，這樣可以保證支座深入混凝土結構的深度，又可以消除樓板撕裂的隱患。

5.加強組合大跨結構處腹桿連接

中部組合大跨結構平面為弧型，結構整體會產生較大的扭轉變形，因此需要增加整體的扭轉剛度，采取的措施為每個弦層都設置平面的斜腹桿，先保證每個弦層自身的穩(wěn)定性；在斷面方向，上、中、下弦層用腹桿相互連接為桁架形式，可保證每一榀桁架的扭轉剛性；在每一榀桁架之間設置腹桿，來保證整體組合大跨結構的抗彎、抗扭性能。

（作者單位：湖北中煙工業(yè)有限責任公司）