天津某新建二層鋼結構廠房設計優化案例分析

劉宗峰

（青島嘉誠電工咨詢有限公司，山東 青島266000）

1 工程概述

天津某新建年產6 000 臺環保型中壓智能開關柜項目1 號廠房位于天津市寶坻區，抗震設防烈度為8 度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組第二組，特征周期0.55s，場地類別為Ⅲ類，鋼框架抗震等級三級[1]。廠房長102.0m，寬56.2m，1 層層高7.6m，2 層層高8.0m。1 層柱距為8.0m×8.5m，2 層局部抽柱，形成柱距為8.5m，跨度為24.1m+8m+24.1m 的門式鋼梁體系。廠房樓面設計活荷載標準值為7kN/m2，輕型屋面設計活荷載標準值為0.5kN/m2[2]。

2 原設計概述

廠房原設計采用1 層框架，2 層門式剛架結構體系。每隔30～40m 布置1 道屋面及柱間支撐，共計布置4 道屋面及柱間支撐。采用平面建模分析，1 層框架按照普鋼規范控制，2 層門式剛架按照門剛規范進行控制。縱向地震及風荷載傳遞由屋面支撐傳給柱間支撐，再由柱間支撐傳遞給基礎[3]?；A采用本地區常見鉆孔灌注樁基礎，樁長20.2m，樁徑700mm，單樁豎向承載力特征值1 200kN，單樁水平承載力特征值100kN[4]。因縱向水平力僅由有柱間支撐區域樁基承擔，因此，在柱間支撐區域柱底均為四樁承臺，其余柱底均為單樁承臺。樁位布置如圖1 所示。

廠房1 層樓面采用DECK 板+混凝土組合樓蓋，樓蓋布置如圖2 所示。樓面主要梁柱截面尺寸（優化前截面）如表1 所示。

3 優化設計

經過與業主溝通可知，業主的想法是為滿足廠房生產工藝需求，盡可能地取消柱間支撐布置。通過查看圖紙及模型，原分析采用平面建模分析不妥，因為廠房1 層為鋼框架，縱向鋼框梁影響了廠房的剛度，單純用平面分析對整個廠房設計是欠缺的。再者，廠房縱向由柱間支撐承擔水平力，僅為了承擔較大的水平力而使柱間支撐區域樁數量較多，無疑造成了較大的浪費。經過初步分析，認為廠房采用矩形鋼柱，結構形式采用鋼框架+輕型鋼結構屋面方案較為合理，因為矩形鋼柱在2 個方向都具備剛度，把屋面系桿改為鋼梁，屋面縱向鋼梁與剛架剛接，形成框架體系。這樣在縱向就可以取消柱間支撐，縱向水平力由框架承擔，從而使所有樁基共同承擔縱向水平力，可避免在柱間支撐區域布置大量樁以抵抗局部較大的水平力，從而有效減少了樁基的數量。設計時，屋面鋼梁框架模型中定義門式鋼梁[5]，樓面梁采用軋制H 型鋼，用鋼量較大且當前焊接H 型鋼應用較為成熟，因此，決定樓面鋼梁采用焊接H 型鋼，且之前設計截面普遍偏大，經試算，具備一定優化空間，以控制鋼梁應力比不超過0.8 為宜。采用PKPM 鋼框架空間建模，樓面采用剛性樓板假定，考慮偶然偏心，屋面支撐采用桿件輸入。經試算分析主要指標均滿足規范要求[6]，且所有柱下柱下單樁即可滿足水平及豎向承載力要求。主要參數指標如表2 所示，優化后梁柱截面如表1 所示。

圖1 廠房樁位平面布置圖（局部）

圖2 廠房樓面結構平面布置圖（局部）

表1 樓面主要梁柱截面尺寸

表2 廠房鋼框架分析結果參數

4 優化前后經濟性對比

廠房優化前主鋼構件用量為784.7t，優化后主鋼構件用量為716.7t，共計節省鋼構件68.0t；優化前灌注樁數量為180根，優化后灌注樁數量為96 根，共計節省灌注樁數量84 根。按照當前市場價格700mm 鉆孔灌注樁單價約750 元/m，Q345鋼構件單價約8 000 元/t，二者相加共計節約造價180 多萬元。

5 結語

本廠房優化采用通過改變原設計結構體系，創新性地運用鋼框架+輕型屋面結構體系；取消之前的平面分析，轉而采用更為合理的空間分析模型；樓面鋼梁取消采用軋制H 型鋼，轉而采用市場大量應用的焊接H 型鋼。從而取消了原設計柱間支撐，很大程度上滿足了廠房工藝及生產需求，使廠房的實用性大大提高；且大大節省了鋼結構用鋼量及樁基數量，有效降低了項目造價。正所謂一舉多得，是一個比較典型的成功設計優化案例，獲得了業主的一致好評。