格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系設(shè)計與計算

吳德雨， 李前進， 孫 彤， 王靜峰，3， 王翰斕， 郭 磊

(1.安徽蘇亞建設(shè)安裝有限公司，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué), 安徽 合肥 230009；3.先進鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)省級協(xié)同創(chuàng)新中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化率不斷提高,在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和房地產(chǎn)項目開發(fā)等過程中,商品混凝土的需求日益增加,混凝土攪拌站行業(yè)發(fā)展迅速。由于傳統(tǒng)混凝土攪拌站生產(chǎn)時會產(chǎn)生大量粉塵、廢水、廢渣及噪聲污染,導(dǎo)致周邊環(huán)境污染加重,環(huán)保問題成為制約攪拌站發(fā)展的重要因素,因此亟須在混凝土攪拌站外圍設(shè)置環(huán)保外封結(jié)構(gòu)以減少對周圍環(huán)境的污染。

環(huán)保外封結(jié)構(gòu)是指對混凝土攪拌站的主樓和料場進行全封閉式封裝,有效降低粉塵和噪聲,符合綠色環(huán)保理念的一種附屬結(jié)構(gòu),其中料場的外封結(jié)構(gòu)以格構(gòu)式鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系為主。此類結(jié)構(gòu)設(shè)計難點在于無相應(yīng)規(guī)范可遵循,同時結(jié)構(gòu)上下部剛度差異較大,對整體結(jié)構(gòu)協(xié)同抗震分析時阻尼比難以確定。目前國內(nèi)外工業(yè)廠房對于網(wǎng)架應(yīng)用很多,但是對于下部結(jié)構(gòu)由格構(gòu)鋼管柱和混凝土柱組合形成的體系仍然缺少相應(yīng)的設(shè)計方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,因此本文擬開展格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計與計算方法研究,為該類結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 體系概況

綜合總體規(guī)劃,為滿足經(jīng)濟效益與功能要求,格構(gòu)式鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系的平面、立面、剖面設(shè)計如圖2～圖4所示。

圖1 環(huán)保外封結(jié)構(gòu)體系

圖2 結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 結(jié)構(gòu)立面圖

圖4 結(jié)構(gòu)剖面圖

2 體系組成

格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系主要由網(wǎng)架屋蓋、排架柱以及外部擋砂石料墻組成,其中排架柱分為上部格構(gòu)柱和下部混凝土墩柱,如圖5所示。

圖5 格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系

2.1 網(wǎng)架屋蓋

考慮經(jīng)濟性和混凝土攪拌站料場外封裝結(jié)構(gòu)的功能特點及建筑形式,格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系的主體結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)架形式,網(wǎng)格的繪制根據(jù)混凝土攪拌站料場尺寸確定,一般一個正放四角錐的尺寸為4 m×4 m×2.2 m。其布置圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)架布置圖

2.2 排架組合柱

排架組合柱,如圖7所示，由上部格構(gòu)鋼管柱和下部混凝土墩柱組合而成,是格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系豎向的主要受力構(gòu)件。

圖7 排架柱

柱子的設(shè)計信息如下:

(1) 主受力柱的尺寸為1.2 m×1.2 m,柱頂標(biāo)高為11.7 m,縱筋為20C25,箍筋為10@100,混凝土標(biāo)號為C30。

(2) 中間格構(gòu)柱柱高為3.9 m,四肢主管采用φ168×8圓管,肢間距為800 mm。

(3) 邊格構(gòu)柱高4.7 m,四肢主管采用φ159×6圓管,肢間距為600 mm。

(4) 中間混凝土墩柱尺寸為1.2 m×1.2 m,邊混凝土墩柱尺寸為1 m×1 m,高度均為7 m。

2.3 擋砂石料墻

擋砂石料墻屬于格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系的圍護部分,它主要起到防止內(nèi)部的砂石堆料向外擴散的作用,如圖8所示。

圖8 擋砂石料墻

懸臂式擋土墻頂標(biāo)高7 m,基底標(biāo)高-2 m,墻頂寬度300 mm,基底寬度4.8 m,厚度0.5 m。墻身采用C30混凝土,縱向鋼筋采用RRB400帶肋鋼筋,箍筋級別為HPB300。

3 格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系整體計算

3.1 計算模型

3.1.1 結(jié)構(gòu)模型

格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系模型采用MIDAS/Gen2019分析軟件建立有限元模型,如圖9所示。

圖9 整體結(jié)構(gòu)模型

3.1.2 桿件類型

本文計算的格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)中的桿件采用桁架單元,即只考慮桿件的軸力,不考慮桿件兩端的彎矩和桿件的扭轉(zhuǎn)。

桿件材料采用Q235B,屈服強度為235 MPa,彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比為0.3。桿件截面形式采用空心圓管,常用桿件截面見表1。

表1 桿件截面尺寸

3.1.3 支座參數(shù)的選取

因為格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu),其內(nèi)力和反力分配與結(jié)構(gòu)的剛度分配有關(guān),考慮上下部分協(xié)同工作的情況,因邊界約束條件的不同,其桿件內(nèi)力也是有差異的。根據(jù)實際工程中的情況考慮邊界條件為剛性連接。

3.2 荷載及效應(yīng)組合

格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)的外荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、作用于結(jié)構(gòu)上的恒載和活載三部分,結(jié)構(gòu)的荷載見表2,場地抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計地震第二組,場地類別Ⅲ類。

表2 荷載類型

荷載組合根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)相關(guān)規(guī)定,共形成183種荷載組合,并生成相應(yīng)的包絡(luò)荷載組合。

3.3 計算結(jié)果與分析

3.3.1 特征節(jié)點和桿件提取

在對模型進行分析之后,選取一系列在最不利荷載下產(chǎn)生最大位移的節(jié)點和最大軸力的桿件即為特征節(jié)點和桿件。

特征節(jié)點共選取三組,前兩組選取的是網(wǎng)架屋蓋上的部分點,第三組選取的則是部分格構(gòu)柱上的點，如圖10、圖11所示。

圖10 特征節(jié)點(俯視圖)

圖11 特征節(jié)點(整體圖和細(xì)部圖)

第一組:1284、1317、1350、1383、1416;

第二組:1911、1878、1845、1812、1779;

第三組:1178、1211、1244、1277、1310;

第四組:3177、607、547、667、687。

特征桿件共提取4組,如圖12和圖13所示。其中前3組提取的為網(wǎng)架屋蓋上的桿件,第一、二組桿件為下弦桿,第三組桿件為上弦桿,最后一組桿件提取的是部分格構(gòu)柱上的桿件。

圖12 特征桿件(俯視圖)

圖13 特征桿件(側(cè)視圖與細(xì)部圖)

第一組:4962、4963、4964、4965；

第二組:4745、4746、4747、4748；

第三組:2924、2925、2926、2927；

第四組:1325、2165、2221、2333。

3.3.2 節(jié)點位移

表3 模型特征節(jié)點位移

由表3可知:

(1) 節(jié)點總位移最大值為126.53 mm,其節(jié)點編號為1284,組號為第一組;節(jié)點最小位移為11.64 mm,其節(jié)點編號為547,組號為第三組。兩者相差90.79%。

(2) 前3組位移比第四組位移偏大,即網(wǎng)架屋蓋上節(jié)點比格構(gòu)柱上的節(jié)點位移更大,這是由于上部結(jié)構(gòu)比下部結(jié)構(gòu)剛度小。

(3) 節(jié)點最大位移為126.53 mm,由于規(guī)范未對格構(gòu)鋼管柱網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)的位移限值做出具體規(guī)定,參考《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 8-2010)第3.5.1條,結(jié)構(gòu)容許撓度值取跨度的1/250,所以126.53/5 000=0.002 530 53

3.3.3 桿件軸力

結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面選取以及空間布置是否合理直接體現(xiàn)在構(gòu)件的軸力上,提取特征桿件軸力見表4。

由表4可知:

表4 特征桿件軸力

(1) 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大軸向壓力為1 114.056 kN,桿件編號為2333；結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大軸向拉力為221.781 kN,桿件編號為2926。控制荷載工況為荷載組合第184組(包絡(luò)組合)。

(2)前3組桿件的軸力值要明顯小于第四組桿件的軸力值,表明格構(gòu)柱桿件受力較大,必要時可采取相應(yīng)的加固措施。

4 擋砂石料墻計算

4.1 計算模型

擋砂石料墻的力學(xué)模型及尺寸如圖14所示。

圖14 擋砂石料墻

4.2 計算結(jié)果與分析

4.2.1 整體穩(wěn)定計算

為了保證整體結(jié)構(gòu)的安全,防止擋砂石料墻在堆料超出容許體積或者惡劣天氣等條件下結(jié)構(gòu)破壞,對整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響,需要對擋砂石料墻進行結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性的計算。

(1) 滑移穩(wěn)定性驗算:

基底摩擦系數(shù)為f=0.400,底板坡度m3=0.000。按擋土墻荷載組合系數(shù)表取最不利組合計算:

平行于基底的抗滑移力:RT=200.296 kN;

平行于基底的滑移力:ST=150.96 kN；

抗滑移穩(wěn)定性系數(shù):

滿足驗算要求。

(2)傾覆穩(wěn)定性驗算:

驗算墻體繞墻趾旋轉(zhuǎn)的傾覆穩(wěn)定性, 按擋土墻荷載組合系數(shù)表取最不利組合計算:

傾覆力矩:My=556.624 kN·m

抗傾覆力矩:M0=1710.156 kN·m:

抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù):

滿足驗算要求。

4.2.2 基底應(yīng)力和偏心距驗算

作用于基底的應(yīng)力見表5。基底應(yīng)力和偏心距按基底斜面長計算，計算結(jié)果見表6。

表5 荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下作用于基底的力

表6 基底應(yīng)力及偏心距計算結(jié)果

表中：Zn為基礎(chǔ)底面合力作用點距離墻趾點的距離。

表中：e為基底偏心距;[e]為基底容許偏心距;pk為基底平均應(yīng)力;fa為修正后的地基承載力特征值;pmax為基底最大應(yīng)力;pmin為基底最小應(yīng)力;B為基底面的計算長度。

計算結(jié)果表明,擋砂石料墻滿足規(guī)范。

5 結(jié) 論

本文基于對混凝土攪拌站料場的環(huán)保外封結(jié)構(gòu)格構(gòu)鋼管柱網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系的研究,借助MIDAS/Gen2019有限元軟件,對該結(jié)構(gòu)體系進行了上下部分協(xié)同分析,對結(jié)構(gòu)體系靜力特性進行了詳細(xì)介紹,同時也對結(jié)構(gòu)圍護部分擋砂石料墻進行了穩(wěn)定性驗算,得出以下結(jié)論:

(1) 通過靜力特性分析得到,格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)安全;

(2) 格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)在不同荷載組合下的特征桿件軸力和特征節(jié)點位移均滿足規(guī)范要求,說明桿件截面的選取及結(jié)構(gòu)空間的布置均較為合理;

(3) 格構(gòu)鋼管柱-網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)體系的圍護結(jié)構(gòu)擋砂石料墻,應(yīng)適當(dāng)加強其抗側(cè)力強度及抗傾覆能力,以提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全性能。