某核工業廠房鋼桁架—混凝土組合屋蓋設計

張 睿 李宇琛 王東旭

(1.中國核電工程有限公司，北京 100840; 2.華龍國際核電技術有限公司，北京 100840)

0 引言

一般工業廠房根據工藝使用需求，均設有面積較大的操作大廳，故廠房屋蓋常具有跨度較大的特點。涉及核安全相關的工業廠房，除滿足一般工業建筑結構設計要求[1,2]外，在荷載輸入、計算分析及結構性能要求上尚須滿足核安全相關結構設計規范[3-5]。

本文研究的工程屬于核安全抗震Ⅰ類廠房，標高31 m處檢修大廳屋蓋跨度達30 m，遠超一般核安全相關廠房跨度，且不宜采用輕質屋面材料，導致常見結構形式無法滿足結構安全性、適用性要求。針對上述情況，采用鋼桁架—混凝土組合結構這一新型結構形式，其具有良好的受力性能，能有效解決本項目中遇到的問題，且為后續類似工程提供思路。

1 工程概況

本項目結構平面尺寸為30.0 m×79.5 m，屋脊標高31.0 m，屋面做法采用不小于200 mm混凝土層覆蓋，下部結構為鋼筋混凝土厚墻上。按照核安全相關結構設計規范要求，該項目為抗震Ⅰ類物項，需考慮SL-1(運行安全地震動，年超越概率為2‰的地震動)及SL-2(極限安全地震動，年超越概率為0.1‰的地震動)水準三向地震作用下結構維持彈性性能狀態；基本風壓根據百年一遇3 s最大風速確定，基本雪壓按百年一遇雪壓采用。

根據設計條件，先后計算論證了國標梯形屋架圖集方案、改進后鋼桁架輕型、重型屋面方案、鋼桁架—混凝土組合結構方案、網架方案等多種布置形式，結果顯示常用結構形式、屋面做法難以滿足本項目設計荷載下的結構性能及廠房圍護結構密封要求。近些年，鋼與混凝土通過一定方式結合形成的組合結構在民用建筑中的應用與研究已形成一定成果[6-12]。研究表明，通過合適的連接及設計，鋼—混凝土混合結構在同等用鋼量的情況下可具有更大的整體剛度和更大的承載力，提高經濟效益。

本項目屋蓋結構體系為：30 m跨度平面內梯形鋼桁架搭設于兩端混凝土墻上，桁架下弦設置四道水平橫向支撐、兩道水平縱向支撐、五道通長系桿；上弦取消水平支撐，每節間位置設置次梁，次梁兼具系桿及檁條作用，作為上弦桿的面外支撐及傳遞屋面荷載；沿屋架跨度方向設置三道豎向支撐，傳遞沿廠房縱向水平作用，同時提高整個屋蓋系統整體性及剛度；桁架上弦桿及次梁與混凝土屋面板通過焊釘連接形成整體；山墻與屋面混凝土現澆整體連接，縱墻在屋架支座處保留200厚度作為廠房維護，其余位置維持下部墻體厚度，縱墻與屋面混凝土現澆整體連接。鋼結構體系布置見圖1，圖2。

2 結構設計

2.1 計算模型

本項目結構計算采用有限元分析軟件Ansys進行。混凝土結構部分墻、板采用Shell181單元模擬，Shell181單元為4節點有限應變殼單元，適用于模擬薄殼和中等厚度的殼結構，該單元每個節點有6個自由度。梁、柱構件采用梁單元Beam188模擬，Beam188單元為3D線性有限應變梁單元，適用于分析細長到中等細長的梁結構，單元基于鐵摩辛柯梁(Timoshenko)理論，包括剪切變形影響。計算模型的單元尺寸在0.5 m左右，單位采用國際制單位：力—N，長度—m，重量—kg。

鋼屋架體系為桿系結構，桿件均采用Beam188單元，考慮到本項目屋架實際桿件尺寸及連接制作，模型中主桁架腹桿與弦桿剛接，充分考慮次彎矩的影響，主桁架平面外系桿及支撐與桁架弦桿鉸接，支座鉸接。

由于本項目下部結構為鋼筋混凝土厚墻厚板，為充分考慮鋼桁架—混凝土屋蓋自身的受力特性，同時需要真實考慮廠房下部結構的剛度和受力作用，本項目采用獨立計算模型與整體計算模型分別計算分析，綜合評估結果的方法進行設計。具體來說，僅建立屋蓋體系，輸入支座標高處樓層反應譜作為地震輸入條件的獨立計算模型；選取樓板較完整，平面剛度較大的標高-0.05 m樓層為界，保留整體計算模型中上部混凝土結構，并將鋼屋架、支撐、下弦系桿、上弦次梁、混凝土屋面等按構件特性真實建入的整體計算模型。

2.2 混凝土板組合作用對屋蓋結構整體受力影響

由于鋼桁架—混凝土組合屋蓋在核工業項目中使用尚無先例，本項目首先對混凝土屋面板組合作用的效果進行評價，屋蓋系統的獨立模型按照考慮鋼—混凝土共同作用和不考慮鋼—混凝土共同作用兩種方式進行，其中考慮鋼—混凝土共同作用直接將板單元建入模型；不考慮鋼—混凝土共同作用模型僅建立鋼結構體系，混凝土板質量折算到屋架上弦材料密度內。兩種模型在恒荷載作用下豎向撓度見表1；兩種模型三個方向下(X：沿廠房縱向，Y：沿廠房跨度；Z：豎向)的前三階振動頻率及質量參與系數見表2；地震作用下支座反力見表3。

表1 兩種模型恒荷載下撓度對比

表2 兩種模型動力特性對比

表3 兩種模型地震作用下支座反力 kN

由上述結果可知，是否考慮混凝土板的組合作用對屋架鋼結構體系的剛度及動力特性都會產生重大影響，進一步會影響鋼結構體系的結構布置方式。考慮混凝土和鋼屋架的組合作用可增加結構剛度以及整體性，一定程度加大結構地震響應，設計中應充分考慮組合效應帶來的影響。

2.3 混凝土板組合作用對鋼屋架桿件受力影響

混凝土抗壓強度大，且本工程與上弦面結合的混凝土板達200 mm厚，通過對是否考慮混凝土板組合作用兩種有限元模型分析，探討混凝土板組合作用對鋼屋架桿件受力的影響。

圖3為屋蓋中部某榀屋架恒荷載下的應力分布，其中,圖3a)為考慮混凝土板組合作用計算結果，圖3b)為不考慮混凝土板組合作用計算結果。可知，混凝土板對桁架不同部分受力影響不同，總體上對上弦影響最大，下弦影響次之，腹桿影響最小。

具體來說：

1)屋架上弦不考慮混凝土板貢獻，軸向壓力為870 kN，最大壓應力為95.4 MPa；考慮混凝土板共同作用，上弦桿軸向壓力驟降至160 kN，最大壓應力降至19 MPa。鋼桁架上弦桿主要以受壓為主，混凝土的存在使上弦桿受力降低了80%左右，且上弦桿內出現拉應力區域，而對應范圍混凝土基本處在受壓狀態；

2)屋架下弦不考慮混凝土板的貢獻，拉應力為22 MPa；考慮混凝土板共同作用，下弦桿拉應力為27 MPa，下弦桿應力約相差20%。兩種模型下弦桿軸向拉力差別不大，但不考慮混凝土板組合作用的模型下弦桿與腹桿連接處彎矩較大。該彎矩主要是由于腹桿與弦桿剛接，節點的剛度限制了桿件間夾角的變化，從而引起了桿件局部彎曲，產生了附加彎矩[13]及應力。本項目混凝土板和鋼桁架的共同作用極大提高了結構整體剛度，變形顯著減小，次彎矩水平降低，因此混凝土板間接降低了屋架下弦桿的應力水平；

3)兩種模型下屋架腹桿應力基本相同。受力最大的支座腹桿主要承擔剪力，且支座變形較小，因此是否考慮混凝土板的組合作用對桁架腹桿的受力影響可忽略不計。

2.4 廠房外墻對屋蓋結構受力影響

常見工業廠房屋面縱向地震作用通過支座及支座處的豎向支撐傳給下部主體結構，本項目由于屋面板厚度達200 mm，屋面質量較大，同時設計地震輸入水平較一般民用高，造成支座及豎向支撐的內力較大，桿件及連接設計困難。由于本項目主體為鋼筋混凝土厚墻厚板，屋架支座標高以上到屋頂均有厚度不小于250 mm鋼筋混凝土縱墻及山墻圍護，這部分墻體將與鋼結構部分協同變形，對鋼屋架體系受力產生影響。

本文在組合屋蓋系統基礎上，漸進式增加縱墻及山墻，通過對有限元模型上弦位置施加于設計地震動水平相當的水平力，對比結構相同位置不同模型的水平變形，變形結果如表4所示。

表4 不同模型縱向水平力下變形 mm

表4結果表明，鋼筋混凝土墻平面內剛度遠大于鋼結構豎向支撐，且由于本項目控制結構大震條件下保持彈性，故根據變形協調及力的分配可知縱向墻體的加入可承擔設計階段大部分縱向水平力，故在此基礎上可降低對鋼桁架體系支座豎向支撐要求；山墻對控制跨中變形作用明顯。

3 結語

通過對某核工業廠房屋蓋系統的獨立分析及帶下部結構整體計算，得到如下結論：

1)鋼桁架—混凝土組合結構通過有效的連接形成整體，組合結構較傳統屋架支撐體系具有更大的剛度及整體性，能有效減小結構變形，同時一定程度改變了結構的動力特性，對結構地震反應帶來影響。該結構形式對有特殊抗震要求(如涉核抗震Ⅰ類)的大跨、重荷載廠房屋蓋具有良好的適用性。

2)鋼桁架—混凝土組合結構可充分發揮混凝土的抗壓強度，明顯降低鋼桁架上弦桿內力及應力水平，一定程度減小桁架下弦桿內力，對桁架腹桿內力影響不明顯。同時混凝土對上弦桿提供了平面外的約束，能有效解決上弦桿的失穩問題。

3)對有完整鋼筋混凝土墻體圍護的結構應充分考慮并利用墻體剛度，用以控制結構整體變形，同時適當簡化鋼結構體系豎向支撐。