煤廠鋼結構主廠房結構設計要點分析

丁海方

(中煤天津設計工程有限責任公司,天津 300120)

1 工程概況

廠房建筑高度21.8 m，設置一臺20/5 t橋式起重機，下部各層布置有工藝設備，樓面板采用鋼格柵板。廠房三維空間布置如圖1所示。

圖1 廠房三維空間簡圖

2 計算模型建立

2.1 建模注意問題

(1) 計算分析模型建立的正確與否對后續的構件設計非常關鍵，由于PKPM-SATWE模塊是基于層概念來進行模型建立。其風荷載倒算是搜索計算模型每一層的外圍輪廓然后按照其側向投影面進行倒算。由于頂部帶坡屋面的存在，層高輸入時應以屋脊處最高點作為層高輸入，檐口處的柱頂通過降低節點高度的辦法來建立坡屋面，這樣就能避免風荷載倒算時的錯誤。

(2) 屋面結構一般均采用的是輕質的壓型鋼板或者彩鋼夾芯板屋面，在屋面恒載輸入時應注意程序默認的導荷方式為45°塑性角導荷，與實際的屋面板通過檁條向屋面梁的傳遞方式不一致，需要人工修改導荷方式為對邊傳導。

(3) 屋面系桿輸入時應注意，屋面系桿如按照斜桿方式輸入，PKPM-SATWE程序無法識別屋面邊界,無法形成屋面封閉以致無法導算荷載，因此系桿應按梁單元輸入，這樣程序才能正確識別并形成閉合的屋面板，才能正確地倒算傳遞屋面荷載[1]。

2.2 荷載輸入注意問題

(1)對于自定義的恒載屬性的設備荷載程序進行計算時，當考慮施工順序模擬時其是在整體結構剛度矩陣形成后的一次性加載，與實際情況較為符合。如不自定義為恒載工況，按普通恒載且考慮施工模擬時，這時候是在結構每一層形成剛度矩陣后加載荷載，這種模式一般適用于高層建筑或者層比較明顯的結構，但對于選煤廠主廠房這種結構則不適用。

(2) 對于風荷載輸入問題，一般的結構我們按照軟件默認的參數風計算即可，但是對于這種廠房結構，由于頂部為門式剛架結構存在坡屋面，需要考慮風吸力作用，這種情況下普通的參數風就不能完全適應，需要對風荷載進行精細化處理。可以采用程序內置的特殊風荷載來考慮[2]。

(3)風荷載倒算過程中應注意程序提供了傳統方式和精細方式兩種風荷載倒算方式，如圖2所示。

圖2 特殊風計算時倒算的兩種方式

這兩種方式的主要區別是:傳統方式將結構迎風面或者背面的風壓或者風吸力以節點荷載的方式倒算到結構抗側力構件的各個節點上，如有剛性板存在則直接施加到質心上；精細方式是將結構迎風面或者背面的風壓或者風吸力以均布荷載的方式倒算到結構抗側力構件上。一般情況建議采用精細方式進行風荷載倒算，對于柱構件來說這兩種導荷方式區別很大，以一個高L的單柱來說明這個問題。傳統方式倒算風荷載產生的彎矩作用為P×L，P基本風壓×風荷載導荷面積，L為柱高；精細方式倒算風荷載產生的彎矩作用為0.5×q×L2，q=基本風壓×風荷載導荷面積，L為柱高。可以看出,對于柱來說,不同的倒算方式產生的作用差別很大。

3 計算設計中需注意的要點

3.1 結構類型的準確定義

這種類型的鋼結構廠房,嚴格來說在規范中并沒有嚴格符合的結構類型，相對來說其與多層鋼結構廠房符合度較高，如長細比控制、寬厚比、強柱弱梁調整這些指標，因此在結構類型選擇時應注意按照多層鋼結構廠房進行控制。

3.2 構件類型的準確定義

對于下部的框架結構部分，一般情況下程序都能正確識別，無須人工干預，但是對于頂部的門式剛架部分，計算程序是無法正確識別的，需要設計人員進行人工指定。特別是對于門式鋼梁一定要進行人工指定，否則計算程序按照《鋼結構設計標準》中的純彎構件進行設計驗算，將構件中的軸力丟掉，只進行受彎承載力驗算。應當指出，對于門式鋼梁，由于屋面存在一定坡度，梁構件中往往存在軸力，這與普通平層結構由于有樓板的約束一般梁構件中的的軸力很小可忽略不計的情況不同，如果忽略，對于梁構件的安全度降低太多，同時門式鋼梁一般為了考慮經濟性都做成了變截面形式，這時候《鋼結構設計標準》中的受彎構件穩定驗算公式就不太適用了，應按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》中的變截面梁的穩定承載力驗算公式進行驗算[3]。

3.3 柱計算長度的準確指定

下部框架部分計算程序根據梁、柱線剛度比(《鋼結構設計標準》附錄D)計算得到柱的計算長度系數，一般情況下無須人工干預。但頂部的門式剛架部分，計算程序仍然按照上述辦法進行柱的計算長度系數倒算，就會產生很大問題。首先頂部鋼梁一般情況下為變截面鋼梁(《鋼結構設計標準》附錄D)，對于這種情況完全不適用，線剛度會按照取平均的辦法進行計算，這樣得出的結果一般是錯誤的。同時，由于面外方向為兩端鉸接的系桿，鉸接桿件對柱面外方向的約束基本為0，這樣程序就會得出一個很大的計算長度系數，這與實際情況是不符合的。實際上，門式剛架的面外方向是通過剛性系桿加柱間支撐的桁架體系來傳遞面外方向的荷載并提供面外支撐剛度，而三維計算分析時計算程序是無法識別這種情況的，因此需要設計人員人工干預。一般采用的辦法是根據頂部門式剛架部分的梁柱斷面建立一榀二維門剛模型計算得到長度系數。

上述辦法僅僅適用于下部框架比較規則的情況，如果工藝布置的原因導致結構中存在大量的躍層柱、大開洞、錯層等情況，實際上是不適用的。傳統的計算長度系數辦法，也就是《鋼結構設計標準》附錄D提供的辦法只適合柱距規則、各個柱之間的荷載較為均勻的情況，當柱距不規則、層不明顯、各個柱間荷載差距較大時，應用梁柱線剛度比的辦法來模擬梁對柱的約束，或者各個柱之間互相提供約束的辦法來計算構件的穩定，以保證整體結構的穩定，已經無法得出準確的結構的穩定承載力。

4 結束語

本文為筆者在實際工作中進行此類結構的建模分析設計時對于一些建模、計算、設計過程的疑惑或者注意要點的一些體會，可為其他設計人員使用軟件和理解規范提供一定的幫助，不當之處和不足之處希望廣大同行予以批評指正。