大跨超高門式剛架結(jié)構(gòu)在污泥處理工程中的應(yīng)用

黃賽帥

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

大跨超高門式剛架結(jié)構(gòu)在污泥處理工程中的應(yīng)用

黃賽帥

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

根據(jù)污泥處理工程的特點和對結(jié)構(gòu)的要求，現(xiàn)對大跨超高門式剛架結(jié)構(gòu)在該類工程中的設(shè)計和應(yīng)用進行分析。首先，介紹了門式剛架在該類工程中的優(yōu)勢及難點。接著，探討了在大跨超高的情況下，門式剛架的受力體系和計算方法。最后，結(jié)合某已建污泥處理工程給出了工程算例，介紹了該計算方法在實際工程中的應(yīng)用。

大跨；超高；門式剛架；整體空間剛架模型

0 引言

污泥處理廠房為污泥處理工程中的主要建筑物，其內(nèi)部大型設(shè)備及管道眾多，局部需設(shè)置重型設(shè)備夾層，屋面設(shè)有懸掛吊車。根據(jù)工藝流程及設(shè)備運行需要，廠房內(nèi)部無布置結(jié)構(gòu)柱可能，必須采用大跨結(jié)構(gòu)。廠房凈高要求在24 m以上，單層高度達到了高層建筑的高度范圍。

常規(guī)的大跨高層結(jié)構(gòu)屋面可選用桁架、網(wǎng)架、門式剛架等多種空間體系。然而，相比于其他結(jié)構(gòu)形式，門式剛架有其獨特優(yōu)勢：門式剛架構(gòu)件數(shù)量少，易于污泥處理運行環(huán)境下的防腐維護；門式剛架的實腹梁柱占用平面及空間小，利于工藝在有限空間及限定高度內(nèi)集約化布置；門式剛架現(xiàn)場施工周期短，利于縮短寶貴的工期。

但相比于常規(guī)門式剛架，該類門式剛架主跨已接近《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱“門剛規(guī)范”）中建議跨度的上限，結(jié)構(gòu)總高已超過了該規(guī)范的建議高度，局部混凝土夾層布置重型設(shè)備，帶來較大的地震作用，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需慎重對待。

本文結(jié)合某污泥處理廠房實例，分析探討該類大跨高層結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計及應(yīng)用。

1 門式剛架受力體系及計算方法

1.1 受力體系

門式剛架受力體系可以分為四大部分：主結(jié)構(gòu)（主剛架、吊車梁），次結(jié)構(gòu)（檁條、墻柱、抗風柱、墻梁），支撐結(jié)構(gòu)（屋面支撐、柱間支撐、系桿），圍護結(jié)構(gòu)（屋面板、采光板、墻板、門、窗）。

1.2 大跨超高門式剛架計算方法

門式剛架結(jié)構(gòu)應(yīng)進行以下方面的計算：構(gòu)件強度及穩(wěn)定性驗算、節(jié)點連接強度驗算、正常使用狀態(tài)下的變形驗算[1]。由于節(jié)點計算公式在相關(guān)規(guī)范中有明文可查，故本文主要探討結(jié)構(gòu)體系的計算方法。

結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮的荷載含永久荷載、活荷載、風荷載、雪荷載、吊車荷載、地震作用等[2]，并需按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（以下簡稱“荷載規(guī)范”）及“門剛規(guī)范”組合。地震作用在一般門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計中不起控制作用，但在污泥處理工程中，夾層一般設(shè)置混凝土夾層并布置重載設(shè)備，故應(yīng)進行抗震驗算。2016年實施的“門剛規(guī)范”明確闡明高度大于18 m時，規(guī)范中的風荷載取值不適用，而強度、穩(wěn)定性計算方法仍可參考該規(guī)范[3]。故構(gòu)件的強度、穩(wěn)定性計算方法仍按“門剛規(guī)范”實施，而風荷載取值則按“荷載規(guī)范”選用。

“門剛規(guī)范”規(guī)定，門式剛架可按平面結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力。由于大跨超高門式剛架已超出“門剛規(guī)范”的適用范圍，且夾層重荷載產(chǎn)生較大的地震力，整體空間剛架模型可以反映整個結(jié)構(gòu)的周期、地震作用最大方向、整體剛度等各種指標及結(jié)構(gòu)特性。故除按一般的平面結(jié)構(gòu)模型分析內(nèi)力外，應(yīng)額外按整體空間剛架模型補充計算，獲知結(jié)構(gòu)體系的薄弱點，以有針對性地加強結(jié)構(gòu)。

2 工程實例

2.1 工程概況

國內(nèi)某城市污泥處理工程主廠房由高低兩類剛架組成，1～14軸為高剛架，15～19軸為低剛架，屋面布置一臺5 t懸掛起重機。高剛架跨度12.5 m+ 27.5 m，高度26.500 m。低剛架為帶毗屋剛架，主跨40 m，毗屋跨度24 m，主跨高14.500 m，毗屋高11 m。高剛架分別在標高4.5 m、7.37 m、11.37 m處設(shè)置夾層，夾層均采用壓型鋼板現(xiàn)澆混凝土樓面。主體剛架平面布置見圖1所示。

圖1 剛架結(jié)構(gòu)平面布置圖

該結(jié)構(gòu)難點：（1）高剛架布置有三層鋼筋混凝土樓面夾層，使得此處平面外剛度較大，整體剛度不均勻。（2）夾層處布置數(shù)臺50 t重設(shè)備，平面上重荷載偏置。（3）主跨40 m，接近“門剛規(guī)范”中建議跨度的上限48 m，屬于大跨結(jié)構(gòu)。（4）高剛架高度25 m，超過了“門剛規(guī)范”中建議高度的上限18 m，屬于超高門剛結(jié)構(gòu)。（5）屋面布置一臺5 t電動單梁懸掛起重機，超過了“門剛規(guī)范”中建議懸掛起重機起重量不超過3 t的上限。

圖2為某大跨超高門式剛架施工過程之實景。

圖2 某大跨超高門式剛架施工過程之實景

2.2 結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)前述的計算方法，大跨超高門式剛架分別按平面結(jié)構(gòu)模型及整體空間模型分析。平面結(jié)構(gòu)模型采用PKPM的門式剛架模塊計算，整體空間模型采用SAP2000計算。

2.2.1 平面結(jié)構(gòu)模型

分別對高剛架、低剛架建立平面結(jié)構(gòu)模型，為減小基礎(chǔ)底部彎矩，柱底采用鉸接節(jié)點，平面結(jié)構(gòu)模型分別見圖3、圖4所示。

圖3 高剛架平面計算結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 低剛架平面計算結(jié)構(gòu)簡圖

限于篇幅，平面結(jié)構(gòu)模型的各荷載組合彎矩圖、剪力圖、軸力圖不再贅述，其結(jié)果如下：各荷載組合下，高剛架最大彎矩788 kN·m，位置在左側(cè)夾層梁柱節(jié)點。高剛架最大剪力327 kN，位置在左側(cè)夾層梁端。高剛架最大軸力1 838 kN，位置在中柱柱底。由于高剛架帶有重載夾層，以上最大值均產(chǎn)生在樓面活荷載控制工況，故樓面活荷載是高剛架的控制荷載。

低剛架最大彎矩1 707 kN·m，位置在左側(cè)梁柱節(jié)點。最大剪力159 kN，位置在左柱柱底。最大軸力431 kN，位置在中柱柱底。由于低剛架跨度大，對風荷載較敏感，以上最大值均產(chǎn)生在風荷載控制工況，風荷載是低剛架的控制荷載。

2.2.2 整體空間模型

整體計算空間模型見圖5所示，采用整體計算空間模型方法求得各振型自振周期及其形態(tài)，前9個振型的自振周期如表1所列。在各種荷載組合下，內(nèi)力包絡(luò)計算圖如圖6～圖8所示。

圖5 整體計算空間模型示意圖

表1 前9個振型自振周期表

圖6 各荷載組合下構(gòu)件軸力包絡(luò)圖

圖7 各荷載組合下構(gòu)件彎矩包絡(luò)圖

圖8 各荷載組合下構(gòu)件剪力包絡(luò)圖

整體計算最大彎矩為1 641 kN·m，產(chǎn)生在為風荷載控制工況，位置在低剛架梁柱節(jié)點。最大剪力為298 kN，產(chǎn)生在為樓面活荷載控制工況，位置在高剛架夾層梁端。最大軸力為1 765 kN，產(chǎn)生在為樓面活荷載控制工況，位置在高剛架中柱柱底。

根據(jù)計算結(jié)果可得：整體模型計算得最大內(nèi)力均較平面模型稍小，可知采用平面模型是偏安全的。

2.3 概念設(shè)計及構(gòu)造措施

概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)計算是相輔相成的，該大跨超高門式剛架在以下方面加強其構(gòu)造：（1）加強重要節(jié)點。為加強梁柱端板、梁梁端板、柱底節(jié)點，在螺栓計算時，乘以放大系數(shù)，同時采用摩擦型高強螺栓加強梁柱節(jié)點剛度。（2）選用合適的屋面墻面板材，保證蒙皮效應(yīng)的發(fā)揮。屋面墻面圍護均采用100 mm厚巖棉夾芯彩鋼板，板的拼接采用咬邊連接，板與檁條連接采用密布自攻螺釘，在屋脊、檐口處額外加密螺釘。（3）提高瘦高型截面剛架梁柱的穩(wěn)定性，水平支撐、柱間支撐均采用雙層型鋼交叉支撐。（4）加密支撐間距至18 m以下，增強整體剛度。

3 結(jié)語

本文對大跨超高門式剛架結(jié)構(gòu)的計算進行了總結(jié)。限于篇幅，尚有以下問題有待進一步探討：

（1）需考慮大跨超高門式剛架梁柱端板的半剛性連接對整體模型計算的影響。完全剛接節(jié)點的設(shè)計假定會高估剛架的穩(wěn)定承載能力，在“門剛規(guī)范”所建議的高度和跨度范圍內(nèi)的門剛結(jié)構(gòu)，由于經(jīng)過大量研究和試驗，其計算結(jié)果的安全性有一定保證。而超高門式剛架的梁柱線剛度較大，梁柱節(jié)點的剛度對剛架穩(wěn)定承載力的影響程度變大，應(yīng)特別注意梁柱節(jié)點半剛性對剛架穩(wěn)定承載力的影響[4]。

（2）大跨超高門式剛架需探索結(jié)合施工方案強化設(shè)計。該類結(jié)構(gòu)在施工過程中，支撐節(jié)點僅有安裝螺栓，拼接節(jié)點高強螺栓未終擰，梁柱翼緣未對焊。且由于構(gòu)件超高超長，施工過程中僅靠纜風繩等常規(guī)手段容易出現(xiàn)施工事故。國內(nèi)在建門式剛架發(fā)生事故一般都集中在高度≥15m的項目。故該類結(jié)構(gòu)需探索結(jié)合施工方案強化設(shè)計，驗算平面外帶荷起吊、施工過程平面外穩(wěn)定計算等工況，以降低風險。

本文中所述工程已建成正常運行三年多。綜合而言，本文結(jié)合工程實際，對大跨超高門式剛架在污泥處理工程中的應(yīng)用進行了總結(jié)，分析了該類結(jié)構(gòu)的特點、重點、難點，并提出了需進一步探討的問題，可為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究提供參考。

[1]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3]GB51022-2015，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[4]楊翼賓.梁柱節(jié)點剛度對門式剛架穩(wěn)定性的影響 [D].上海：交通大學(xué)，2010.

TU328

B

1009-7716（2017）08-0310-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.097

2017-04-20

黃賽帥（1985-），男，上海人，工程師，從事市政工程結(jié)構(gòu)設(shè)計研究工作。