某建筑裝潢垃圾綜合利用項目主廠房結構設計要點

于澎濤

（上海環境工程設計研究院有限公司，上海 200072）

1 引言

目前，我國大部分建筑裝潢垃圾的處理方式是郊外堆放，這樣處理會對水體、大氣及土壤產生污染，造成用地緊張的困境，并嚴重影響市容和環境衛生。裝潢垃圾的綜合利用是循環經濟可持續發展的重要措施。本項目為常州市某建筑裝潢垃圾綜合利用項目，總規模3×105t/a。本文結合項目案例對主廠房的結構設計要點進行介紹。

2 工程概況

本工程位于常州市新北區魏化路以南，濱江一路以西。主廠房總建筑面積9 578.44 m2，軸線尺寸71.8 m×127.5 m。結構形式為門式剛架輕型房屋鋼結構，雙坡屋面（坡度5%），檐口高度17.700 m（室內外高差300 mm）。剛架對稱雙跨布置，單跨跨度35.900 m，兩跨分別布置50 kN（5 t）地操式檢修吊車各1 臺，工作級別A3。典型剛架立面圖如圖1 所示。主廠房內設備平臺使用鋼筋混凝土框架結構。主廠房建筑抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級。所在地區的抗震設防烈度為7 度，設計地震加速度為0.10g；設計地震分組為第一組；場地類別為Ⅲ類；特征周期Tg=0.45 s，阻尼比為0.05[1]。屋面活荷載（剛架計算）0.30 kN/m2；屋面活荷載（檁條計算）0.50 kN/m2；基本風壓0.4 kN/m2，地面粗糙度為B 類；重現期100 a 雪壓0.4 kN/m2[2]。本工程審圖時間為2021 年6 月，結構計算軟件版本為PKPMV5.2。

圖1 典型剛架立面圖

3 上部結構設計

主廠房結構設計依據GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（以下簡稱《門規》）和GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》等規范、標準，鋼構件應力比限值取0.90；屋面鋼梁撓跨比限值取1/180；剛架柱頂位移限值h/180；由柱頂位移和構件撓度產生的屋面坡度改變值不大于坡度設計值的1/3。剛架梁、柱材質為Q355B，邊柱截面為H650 mm×350 mm×8 mm×16 mm；中柱截面為H450 mm×420 mm×8 mm×18 mm；檐口變截面鋼梁截面為H（1 200~700）mm×250 mm×8 mm×12 mm；屋脊變截面鋼梁截面為H（700~1 550~700）mm×400 mm×10 mm×18 mm；跨中鋼梁截面為H700 mm×280 mm×8 mm×14 mm。計算結果見表1。

表1 計算結果

3.1 房屋高度

根據工藝專業吊車軌頂標高提資，綜合考慮吊車頂部安全距離、檐口鋼梁高度等因素，房屋高度定為18.000 m。《門規》的適用范圍是房屋高度不大于18 m，高寬比小于1.0，此適用范圍主要是針對風荷載系數的要求而規定的[3]。主廠房高度18 m，處在《門規》適用范圍的上限，使用《門規》進行結構設計并按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》（以下簡稱《荷規》）中封閉式雙坡屋面體形系數進行安全校核。對比兩規范風荷載取值，《門規》鋼梁風吸力取值較大，而鋼柱風荷載取值偏小。屋面鋼梁的應力比由《門規》風荷載控制；邊柱上階柱應力比由《門規》風荷載控制，而邊柱下節柱及中柱上、下節柱的應力比均由《荷規》風荷載控制。在《門規》和《荷規》風荷載作用下，柱頂位移分別為H/391 和H/260。

3.2 雪荷載取值

《門規》第4.3.1 條規定，剛架雪荷載計算采用100 年重現期的雪壓。剛架跨度較大，屋面雪荷載分3 種工況：

1）全跨積雪的均勻分布；

2）不均勻分布；

3）半跨積雪的均勻分布

對于全跨積雪的均勻分布工況，根據《荷規》按“有女兒墻及其他突起物的屋面”情況的積雪分布系數μr取值，對檐口積雪不利位置進行荷載調整。雪荷載3 種工況及屋面活荷載均按互斥活荷載方式輸入。

檁條計算時，活荷載和雪荷載分別輸入，一般位置檁條活荷載值大于雪荷載值，而女兒墻附近檁條則相反，此處按有女兒墻及其他突起物的屋面情況的積雪分布系數進行雪荷載計算，且考慮此處雙坡屋面邊區風荷載的不利因素，檐口位置檁條做局部加密處理。

3.3 鋼梁的平面外計算長度

《門規》實施前，門式剛架鋼梁的平面外計算長度取隅撐的間距，即檁條間距的2 倍，一般為3 m。現行《門規》第7.1.6條條文說明明確規定：“……，隅撐不能作為梁的側向支撐，不能充分地給梁提供側向支撐，而僅僅是彈性支座。……，隅撐支撐的梁的計算長度不小于兩倍的隅撐間距。”現行《門規》規定隅撐僅作為梁的平面外彈性支座，鋼梁的平面外計算長度根據梁下翼緣和隅撐的相對剛度確定。鋼結構CAD 軟件STS依據規范，為鋼梁平面外計算長度計算提供3 種方法：

1）按支撐計算；

2）按隅撐作為支撐點計算；

3）取支撐與隅撐計算的較小值。

其中，方法（2）要求設置隅撐相關信息，并將隅撐信息布置到鋼梁構件，隅撐作為彈性支座確定鋼梁平面外計算長度。主廠房屋面在各抗風柱頂節點位置，沿廠房縱向在各榀剛架間均設置剛性系桿。當剛架跨度較大時，鋼梁翼緣厚度和寬度計算值均較大，由程序計算確定的平面外計算長度會出現大于屋面水平支撐節點間距的情況，這樣處理不合理。

本工程選用第3 種方法，平面外計算長度取支撐和隅撐計算的較小值。

3.4 鋼柱平面外計算長度和柱間支撐計算

邊柱上階柱布置單片雙角鋼人字形支撐（2- 110 mm×8 mm），下階柱設雙層雙片角鋼交叉支撐（2- 110 mm×70 mm×6 mm），在檐口、牛腿及下階柱中心標高位置沿廠房縱向設置通長水平剛性系桿，邊柱柱間支撐立面圖詳見圖2；中柱上階柱布置單片雙角鋼交叉支撐（2- 90 mm×6 mm），下階柱設雙層雙片角鋼交叉支撐（2- 125 mm×80 mm×8 mm），在屋脊和牛腿位置沿廠房縱向設置通長水平剛性系桿，中柱柱間支撐立面圖詳如圖3 所示。柱間支撐均按拉桿進行設計。考慮到主廠房高度為《門規》適用范圍的上限值，邊柱沿廠房高度布置間距3 m 的墻面隅撐，邊柱平面外計算長度取柱間支撐節點間距和兩倍隅撐間距的較小值；中柱平面外計算長度取柱間支撐節點間距。

圖2 邊柱柱間支撐立面圖

圖3 中柱柱間支撐立面圖

主廠房設計時對邊柱、中柱縱向柱列（包含柱間支撐和水平系桿）分別建立二維計算模型，并按下列方式進行模型輸入：

1）柱底按鉸接處理；

2）柱頂分別輸入鋼梁導算至柱頂的恒、活節點荷載；

3）鋼柱平面外計算長度取剛架計算的平面內計算長度，平面內計算長度取柱間支撐節點間距；

4）風荷載以柱頂水平節點荷載方式輸入；

5）吊車的縱向水平力以水平節點荷載方式輸入；

6)交叉支撐平面外計算長度取整長，平面內計算長度取整長的1/2；

7）雙片支撐截面按角鋼組合截面輸入，根據角鋼中性軸位置相同原則確定組合截面的肢背間距；

8）柱間支撐范圍內雙片水平系桿按壓桿設計，根據構件軸壓力包絡值驗算分肢的局部穩定。

3.5 鋼結構吊裝要求

鋼結構吊裝安全事故頻發，為避免類似事故發生，設計文件應嚴格按照規范條款對鋼結構安裝提出指導意見。《門規》第14.2.6 條對鋼結構主構件的安裝要求做了詳細規定，內容包括構件安裝順序、基礎頂面二次灌漿要求、關鍵構件吊裝前的穩定驗算、施工臨時措施及大型構件吊點安裝驗算等內容。鋼結構設計說明中增加《門規》第14.2.6 條的相關內容，以便鋼結構安裝安全有序進行。

4 基礎設計

4.1 基礎計算及樁選型

部分設計師使用PKPMV5.2 及之前版本做門剛樁基計算時，把PK 模型導入門剛三維設計模塊，上部結構計算后接力JCCAD 模塊進行樁基設計，此方法計算結果有誤。PK 模型中的工況，如左風1 和右風1 等，是剛架平面內的二維荷載工況。接力JCCAD 模塊后，左風2 和右風2 兩種工況會丟失，左風1 和右風1 被轉為風X和風Y兩種三維荷載工況，直接反號后得到風X-和風Y-工況。使用上述計算方式會丟失兩種平面荷載工況，并增加兩種非必要的荷載組合，從而導致計算結果錯誤。Morgain 提供二維模型的基礎計算方法，導入PK基礎計算文件JCdata.out，讀入所有標準組合和基本組合并確定各目標組合，據此進行樁基設計，按此方法進行門剛樁基設計相對準確可行。

計算分析表明，柱底彎矩Mmax 工況對邊柱樁基設計起控制作用，最大樁拔力為260 kN，中柱豎向荷載大，未出現樁拔力。樁長20 m，單樁豎向抗壓、抗拔承載力特征值分別為700 kN 和300 kN。預應力混凝土實心方樁具有良好的樁身抗拔性能，從經濟性和接樁方式等方面綜合考慮，選用建華建材企業標準Q/321183 JH001—2020《先張法預應力混凝土實心方樁》中的300 mm×300 mm 預應力實心方樁[4]。

4.2 共柱承臺計算

主廠房設備平臺為鋼筋混凝土框架結構，框架柱布置在主廠房雙向軸網相交位置。在鋼柱附近，框架柱的定位避開鋼柱柱腳底板，與鋼柱之間設抗震縫，鋼柱柱腳底板以下框架柱和鋼柱共用基礎短柱。框架結構和門剛分別按三維和二維方式計算，基礎計算方式也不相同。設備平臺框架模型增加地梁層，基礎短柱在鋼柱節點位置通過自定義荷載工況，添加+X風、-X風、+Y風和-Y風等工況并以節點荷載方式輸入相應工況下的鋼柱柱底反力。JCCAD 模塊進行荷載組合時，把自定義工況和普通工況，根據工況的類型和方向進行疊加，然后進行共柱承臺計算。

5 結語

本文對常州市某建筑裝潢垃圾綜合利用項目主廠房的結構設計進行總結，分別對上部結構和基礎設計的要點進行詳細介紹，為類似的工程提供借鑒。