單層抽柱鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)分析

蔣理，江科文

（1重鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)院 重慶 400081 2 重慶工商職業(yè)學(xué)院 重慶 400052）

1 引言

本文研究內(nèi)容取材于重鋼整體搬遷項(xiàng)目，重鋼整體從重慶大渡口搬遷到長壽江南，選取擬建的2700mm中板廠廠房，作為研究的背景工程，對該廠房結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，既解決了該類廠房的設(shè)計(jì)難題，也為類似的廠房設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

主廠房位于重慶長壽江南，原始地貌為嶺谷相間的丘陵地貌，場地回填時(shí)間約為兩年左右?；靥钔恋淖畲蠛穸燃s為20m，有少量的挖方。場地類別為Ⅱ級，場地特征周期為0.35。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g?；撅L(fēng)壓為0.4 kN/m2，無雪荷載。

主廠房總建筑面積為100637m2，為全鋼結(jié)構(gòu)廠房，由1～5跨組成，基本柱距為12m，15m，18m，局部抽柱形成24m，27m，36m柱距。

主廠房采用全鋼排架結(jié)構(gòu)，屋面采用平行弦屋架鉸接于柱頂，柱腳剛接于基礎(chǔ)頂面。主廠房排架柱采用階梯型柱，上柱采用焊接H型鋼實(shí)腹式柱，下柱采用雙肢格構(gòu)式柱。抽柱處采用托架支撐屋架，吊車梁采用簡支焊接工字型實(shí)腹鋼梁。

3 結(jié)構(gòu)分析

從整個(gè)主廠房來看，難點(diǎn)在于“抽柱排架”的計(jì)算，本文將以抽柱排架作為受力分析的對象。采用的軟件是2006年中國建科院PKPM工程組開發(fā)的《STPJ鋼結(jié)構(gòu)重型工業(yè)廠房設(shè)計(jì)軟件》。

3.1 結(jié)構(gòu)模型

本文選取了抽柱部分的廠房作為研究對象，并分別以“標(biāo)準(zhǔn)單元”，“抽柱后中柱計(jì)算單元”，“抽柱后邊柱計(jì)算單元”三種模型進(jìn)行計(jì)算，并對輸出的內(nèi)力和位移進(jìn)行分析對比。計(jì)算模型詳見圖1～圖5所示。

圖1為標(biāo)準(zhǔn)單元，圖4為對應(yīng)的剖面圖。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)單元計(jì)算單元

圖2 抽柱后中柱計(jì)算模型平面圖

圖3 抽柱后邊柱計(jì)算單元計(jì)算模型平面圖

圖4 1-1結(jié)構(gòu)剖面圖

圖5 2-2結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2為抽柱后的中柱單元，主要用于計(jì)算抽柱后中柱的受力，即2－D，2-E/2-31軸的排架柱的受力情況。圖4為對應(yīng)的剖面圖。

圖3為抽柱后的邊柱單元，主要用于計(jì)算抽柱后邊柱的受力，即2－A，2-B，2-C，2-F/2-30軸的排架柱的受力情況。 圖5為對應(yīng)的剖面圖。

3.2 受力分析

（1）標(biāo)準(zhǔn)單元排架計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容如下:所有柱承受柱距為18m的吊車荷載，屋面荷載，風(fēng)荷載等；計(jì)算吊車荷載時(shí)，每跨間考慮4臺吊車同時(shí)作用，用影響線來計(jì)算吊車荷載。

（2）抽柱后邊柱計(jì)算單元

抽柱排架計(jì)算采用 “虛擬柱”法，“虛擬柱”法在平面排架抽柱處用一根兩端鉸接的搖擺柱替代屋架與托架的作用，“虛擬柱”長度取排架柱上柱高度以方便施加吊車荷載。

“虛擬柱”只用來模擬屋架與托架變形協(xié)調(diào)，因此，確定“虛擬柱”截面是依據(jù) “虛擬柱”在屋面軸力作用下的軸向變形等于托架在跨中豎向力作用下的繞度。其本身的計(jì)算指標(biāo) （強(qiáng)度、穩(wěn)定、長細(xì)比）無意義。

（3）抽柱后中柱計(jì)算單元

計(jì)算內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)跨的不同如下:對于2－D，2-E軸柱，所承受的吊車荷載為36m跨吊車梁傳遞到柱牛腿上的恒載及活載，柱頂承受36m托架傳遞的屋面荷載；對于其余柱，包括2－A，2－D，2－C，2-F承受的屋面荷載及吊車荷載均同標(biāo)準(zhǔn)單元，即柱距為18m所承受的荷載。

3.3 計(jì)算結(jié)果對比

（1）內(nèi)力對比

（2）位移對比

表1 彎矩包絡(luò)（kN·m）對比

表2 軸力包絡(luò)（kN）對比

表3 剪力包絡(luò)（kN）對比

表4 風(fēng)荷載柱頂位移（mm）比較

表5 地震荷載柱頂位移（mm）比較

表6 吊車梁荷載軌頂位移（mm）比較

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 內(nèi)力比較

通過抽柱單元的計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)單元的計(jì)算結(jié)果對比，可以得出以下結(jié)論（“抽柱后邊柱計(jì)算單元”簡稱“邊柱”，“抽柱后中柱計(jì)算單元”簡稱“中柱”）:

（1）“邊柱”與“標(biāo)準(zhǔn)單元”對比，所有柱腳的彎矩均增大約12%～24%，剪力增大約6%～33%。軸力基本不變。

（2）“中柱”與“標(biāo)準(zhǔn)單元”對比，僅在2－D，2－E抽柱位置，彎矩力增大約22%，其余柱彎矩與標(biāo)準(zhǔn)單元基本接近。同樣，剪力也是在2－D，2－E抽柱位置增大，增幅約50%～78%，軸力在2－D，2-E抽柱位置增大約39%。其余柱與“標(biāo)準(zhǔn)單元對比”內(nèi)力無明顯變化。

4.2 廠房位移比較

通過抽柱單元的計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)單元的計(jì)算結(jié)果對比，可以得出以下結(jié)論（“抽柱后邊柱計(jì)算單元”簡稱“邊柱”，“抽柱后中柱計(jì)算單元”簡稱“中柱”）:

（1）在地震烈度為6度地區(qū)，當(dāng)廠房較高時(shí)，風(fēng)荷載在水平荷載中起主要控制作用。

（2）“邊柱”與“標(biāo)準(zhǔn)單元”對比，在風(fēng)荷載作用下，柱頂位移由1/1470增大到1/983。滿足規(guī)范規(guī)定的1/400水平位移允許值。但位移的絕對差達(dá)到6.1mm。

(3)”中柱”與”標(biāo)準(zhǔn)單元”對比，各位移基本相同。

5 結(jié)論

通過對內(nèi)力以及位移的計(jì)算，我們可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

（1）計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際的受力狀況，因此，用“虛擬柱”法來計(jì)算抽柱排架方案是可行的。

（2）抽柱以后，“中柱”內(nèi)力增大，而位移不變?！斑呏眱?nèi)力增大，同時(shí)位移也增大。在進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)中，要對內(nèi)力增大的構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，必要時(shí)需要增大柱截面。而位移增大，說明在“邊柱”處形成了薄弱層，就需要通過結(jié)構(gòu)體系的調(diào)整，通過增強(qiáng)該區(qū)域的屋面支撐，來增大屋面剛度，使各排架柱能夠變形協(xié)調(diào)。

[1]張志強(qiáng)，張柯，等.鋼筋混凝土抽柱排架結(jié)構(gòu)計(jì)算分析[J].工業(yè)建筑，2008，38(12).

[2]GB 50009-2001[S].建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（2006年版）[S].