多層鋼結構廠房結構概念設計

王志偉

(唐山森迪科技有限公司,唐山 063020)

多層鋼結構廠房結構概念設計

王志偉

(唐山森迪科技有限公司,唐山 063020)

該文介紹了某選煤廠多層鋼結構工業(yè)廠房的分析和設計,針對帶有較大噸位吊車的大空間主廠房的特點并結合PKPM(STS)結構設計軟件探討了此類鋼結構主廠房設計思路,詳細介紹了結構的平面、立面的概念設計,從力學角度分析解決問題,并總結了多層鋼結構廠房設計中結構布置的基本原則。

鋼結構; 剛度; 支撐; 結構布置

近年來隨著洗煤廠規(guī)模的逐步擴大,帶有較大噸位吊車的大空間廠房的設計越來越廣泛。由于鋼結構具有材料強度高、質量輕等特點適用于大跨度結構,大量的鋼結構一般在專業(yè)化的金屬結構廠做成構件,質量可靠度高,在工地拼裝施工周期短。近年來,由于鋼鐵產能過剩致使鋼材價格較以前有所回落,因此,越來越多的選煤廠廠房采用鋼結構進行設計。

1 工程概況

該廠房整體采用帶支撐的鋼框架結構。根據工藝要求廠房平面縱向長度為39 m(X向)、橫向寬度為22.5 m(Y向),總高度為25.74 m。廠房下部三層全層有設備,上部為大空間,設檢修吊車、最上為屋面結構(平、立面結構示意圖,見圖1)。根據現(xiàn)場勘測及甲方提供的資料:該地區(qū)抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度值為0.3 g;基本風壓為0.55 k N/m2;活荷載:樓面為5.0 k N/m2,屋面為0.5 k N/m2(不上人屋面);樓板采用壓型鋼板混凝土組合樓板,有效厚度約為120 mm。屋面板及墻面板采用80 mm厚夾芯板輕型屋面板。

2 平面結構布置

在均布荷載作用下構件的彎矩與跨度成二次方的關系,因此樓板壓型鋼板布置凸肋時應盡量沿板的短跨布置以提高樓板的平面外剛度,減小撓度。同理,次梁布置時宜按房屋的短向布置以取得較大的剛度[1]。該工程在主梁布置時采用X向與Y向均與柱剛接的方式,這樣既增加了主梁的豎向承載能力,又增加了結構的抗側剛度和冗余度,結構的安全儲備得到增強,而且在罕遇地震時可以靠梁柱節(jié)點的塑形變形來消耗地震能量[2]。

屋面結構布置時,考慮到邊榀框架剛度較大,而中間榀作為大跨度框架剛度十分弱,中間與兩側變形差異較大對于結構十分不利[3];而屋面板為夾芯板,其平面內與平面外剛度均較弱,不能有效地協(xié)調豎向構件的變形,故設計時采用了設置水平支撐的方式,具體見屋面結構示意圖,如圖2所示。

由于水平縱向支撐平面內剛度較大能夠有效協(xié)調豎向構件的側移,且B、C軸柱頂傳來的風荷載可以由橫向支撐傳到A、D軸邊榀框架,傳力簡單明確,并且由于設置了橫向支撐及撐桿,減小了2至5軸屋面梁的平面外計算長度,增強了梁的穩(wěn)定性,能夠使梁的截面較小從而取得較大的經濟利益。其中,在軟件中建立計算模型時屋面支撐可按PKPM(STS)中的斜桿輸入。屋面支撐設計時橫桿可按壓桿設計,斜桿可按拉桿設計,橫向及縱向支撐從概念上可以看成桁架,布置簡單,受力明確。

3 立面結構布置

立面布置時空間大、四周柱高度較高,一側沒有框架梁與之相連,詳情見中榀框架立面示意圖,如圖3所示。故其計算長度較大,長細比難以滿足規(guī)范要求的限值,長細比λ=l/i(l為柱計算長度、i為柱截面回轉半徑)。因此,要減小長細比需從減小柱計算長度l及增大相應方向的回轉半徑入手。由《鋼結構設計規(guī)范》GB 50017—2003附錄D[4]可知,柱上下兩端與之相連的框架梁剛度與柱剛度之比越大,柱計算長度越小。該工程設計時就將柱下端的框架梁適當地加大了,并且將工字形截面柱的弱軸放在了沒有框架梁的一側,使i值明顯加大,通過以上兩種措施長細比得到了有效的控制。

需要指出的是:工作經驗較少的設計人員往往看到柱的長細比不滿足設計要求就加大柱截面,調整完后再一計算發(fā)現(xiàn)長細比不僅沒變小而且還有可能變大。從上邊的分析可知,框架梁截面不變,柱截面加大,梁柱線剛度比的數值減小即梁對柱的約束減弱,從而柱的計算長度系數就越大;而柱截面增大并不能有效增大回轉半徑i,故單純增大柱的截面往往起不到降低長細比的效果,反而得不償失。

《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011—2010第3.5.3條第3款要求結構在兩個主軸方向的動力特性宜相近。而該工程橫向為3跨,縱向為5跨,因此宜將工字形框架柱的弱軸宜沿橫向(Y向)布置以增強橫向剛度。經軟件PKPM(SATWE)計算后,得出前三階周期,如表1所示。

表1 前三階周期參數

由表1可知,X向與Y向周期相近,表明兩個主軸方向剛度也相近,柱截面方向的布置是合理的。

由于結構材料為鋼材,強度較高,故按強度控制需要的構件截面較小,而截面小直接導致結構剛度較弱不能滿足設計規(guī)范對位移的要求。若加大梁柱截面需要耗費較多的材料,且結構剛度提高得并不明顯,效果也不好。無支撐框架的變形主要為梁柱的彎曲變形,而支撐的變形主要是軸向變形。眾所周知,相同的荷載、相同的截面軸向變形遠小于彎曲變形,根據這個常識,該工程在框架的周圈布置上支撐以增加結構的抗側剛度,如圖4所示。

根據多道防線的概念設計,需要指出的是框架-支撐體系中,支撐框架是第一道防線[4],在強烈地震中支撐先屈服,內力重分布使框架部分承擔的地震剪力必須增大,二者之和應大于彈性計算的總剪力。故設計規(guī)范要求,框架部分按剛度分配計算得到的地震剪力應乘以調整系數,應不小于結構底部總地震剪力的25%;最終在結構底部總地震剪力的25%與框架部分計算最大層剪力的1.8倍這兩個數值之間,選取較小值。

柱間支撐的布置有多種形式,常見的中心支撐有“X”形、“人”字形及“K”形等等。

1)其中“X”形支撐可按拉桿進行截面設計,即在水平力的作用(地震作用或風荷載作用)下,支撐交叉斜桿受力為一拉一壓,考慮支撐斜桿在壓力的作用下退出工作,只剩受拉力的桿件起作用,按桿件受壓計算截面承載力時,計算公式為N=φ×f×A(f為材料強度,A為截面面積,N為承載力),應該考慮構件的受壓穩(wěn)定系φ(φ＜1)數以防止構件的穩(wěn)定性不足而發(fā)生失穩(wěn)破壞,而按拉桿設計時可不必考慮受壓穩(wěn)定系數的影響。因此,按拉桿設計時所需截面小于按壓桿設計所需界面,故能夠取得較好的經濟效益,需要指出的是根據《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011—2010第8.4.1條第1款規(guī)定一、二、三級中心支撐不得采用拉桿設計,四級采用拉桿設計時,其長細比不應大于180。而由于該工程抗震等級為三級,故計算時不能采用拉桿設計。

2)“人”字形支撐在相同的由梁柱構成的框架區(qū)格內,其斜桿構件長度一般小于“X”形支撐的斜桿構件,故其經濟性較好。但是根據《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011—2010第8.2.6條第2款規(guī)定:人字支撐和V形支撐的框架梁在支撐連接處應保持連續(xù),并按不計入支撐支點作用的梁驗算重力荷載和支撐屈曲時不平衡力作用下的承載力;不平衡力應按受拉支撐的最小屈服承載力和受壓支撐最大屈曲承載力的0.3倍計算[5]。必要時,人字支撐和V形支撐可沿豎向交替設置或采用拉鏈柱。按此規(guī)定計算后鋼材的用量可能并不能比“X”形支撐的框架鋼材整體用量少,故可根據具體的工程具體分析采用哪一種支撐形式。

3)“K”形支撐由于其斜桿交匯點在柱中位置處,在罕遇地震作用下,在支撐交匯點處比較容易出現(xiàn)塑性鉸。而該塑性鉸出現(xiàn)在柱中,容易造成結構的整體垮塌,有悖于“強柱弱梁”的設計概念,因此從抗震角度來講不宜采用“K”形支撐。

支撐的截面形式可采用單槽鋼、單角鋼、雙角鋼、雙槽鋼、H形鋼、鋼管等等。以上幾種截面除鋼管外均有弱軸,在相同的計算長度內,在壓力作用下構件一般較弱軸失穩(wěn),而強軸方向又得不到充分的利用,而圓鋼管沿任意直徑方向均對稱,截面能夠得到有效的利用,因此該工程支撐截面選用的是圓鋼管。

除了上述的中心支撐,還有偏心支撐。偏心支撐顧名思義即支撐桿件的軸線與梁柱的軸線不是相交于一點,而是偏離了一段距離。這樣設計的好處是可以將框架梁的一段設計成耗能梁段從而吸收耗散地震能量。該工程未采用這種支撐,故不做詳細的討論。

經計算與分析表明:相鄰的兩跨柱間布置的兩道支撐剛度要大于相隔的兩跨柱間布置的兩道支撐剛度,即兩道緊貼的支撐剛度要大于分離的兩道支撐剛度。原因是兩道分離的支撐剛度之和僅為各自剛度的相加,而兩道緊貼的支撐由于其合并在一起,其力臂加高了一倍,故其剛度肯定要比各自剛度相加的數值要大,故設計時宜將支撐緊貼在一起布置以取得較大的抗側剛度。但是該工程由于工藝布置的要求,墻面上有許多洞口,所以不能按上述的原則布置支撐,而只能將支撐分離開布置。因此,在布置支撐時不應只從結構力學的角度來進行設計,還要考慮設計工藝的要求,盡量做到經濟合理、安全適用。

4 柱腳設計

鋼柱柱腳為柱與基礎的連接節(jié)點,鋼柱柱腳常用的形式有外露式柱腳、埋入式柱腳及外包式柱腳。由“強節(jié)點弱構件”的抗震概念可知:柱腳的極限受彎承載力應為柱的塑性受彎承載力的1.1倍(外露式柱腳)或1.2倍[5](埋入式柱腳及外包式柱腳)。而當柱截面較大時,柱的塑性受彎承載力也較大,因此外露式柱腳很難滿足此要求。埋入式柱腳是通過混凝土對鋼柱的承壓力傳遞彎矩[6],一般用于柱下雙向條形基礎或筏板基礎,這兩類基礎能夠對鋼柱傳遞可靠的壓力。而該工程基礎為柱下獨立基礎,故采用外包式柱腳,外包式柱腳底部的彎矩全部由外包鋼筋混凝土承受[6]。鉸接柱腳由于其轉動剛度較弱,在該工程設計時并未選用,故不作詳細討論。

5 結 語

結構設計應重視結構的平、立面布置,保證結構的整體抗震性能,使整個結構具有必要的承載力、剛度和延性。結構設計中概念設計是基礎,而概念設計的靈魂是力學知識,在結構設計時運用力學的思維不僅能取得較好技術指標與經濟效益,往往還有事半功倍的效果。

以上為筆者在實際工作中得出的一些設計方法和思路,限于自身水平,有不當不周之處敬請業(yè)內同行們不吝指教。

[1] 陳紹蕃,顧 強.鋼結構.上冊,鋼結構基礎[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[2] 陳紹蕃.鋼結構.下冊,房屋建筑鋼結構設計[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[3] 朱炳寅.建筑抗震設計規(guī)范應用與分析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[4] GB 50017—2002.鋼結構設計規(guī)范[S].

[5] GB 50011—2010.建筑抗震設計規(guī)范[S].

[6] JGJ 99—98.高層民用建筑鋼結構設計規(guī)范[S].

Conceptual Design of Multi-storey Steel Structure Building

WANG Zhi-wei
(Tangshan Sendi Technology Corporation,Tangshan 063020,China)

This paper introduced the analysis and design of industrial building of the multi-storey steel structure which is in a coal preparation plant.According to the characteristics of the main building with large space and large tonnage crane and the structure design software PKPM(STS),the paper discussed this kind of steel structure design,and introduced the structure of the conceptual design of plane,elevation and it solved the problem from the angle of mechanics,and summarized the basic principles of the design of multi-storey steel structure building.

steel structure; stiffness; support; structure array

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.06.020

2014-06-20.

王志偉(1987-),助理工程師.E-mail:wzw20516@163.com