玻璃廠碎玻璃鋼框架轉(zhuǎn)運(yùn)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉啟剛，陳榮欣

（中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，深圳 518054）

碎玻璃系統(tǒng)是浮法玻璃生產(chǎn)線聯(lián)合車間的一個(gè)重要組成部分，該系統(tǒng)的主要功能是將聯(lián)合車間冷端產(chǎn)生的碎玻璃輸送至窯頭碎玻璃倉(cāng)，一般由3～4個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)樓和若干段皮帶廊組成。近些年，隨著鋼結(jié)構(gòu)房屋的興起，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平和施工技術(shù)逐步提高，鋼結(jié)構(gòu)房屋的造價(jià)大幅下降，一些工程的綜合效益較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋有了明顯優(yōu)勢(shì)。例如玻璃廠的很多轉(zhuǎn)運(yùn)樓，都由原來的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)改為了鋼框架結(jié)構(gòu)，其具有工業(yè)化程度高、現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)工期較短、工程造價(jià)省等優(yōu)點(diǎn)，又符合鋼材可回收再利用、綠色環(huán)保節(jié)能的發(fā)展方向。該文根據(jù)工程實(shí)例，分別從鋼框架轉(zhuǎn)運(yùn)樓的平面布置、計(jì)算方法、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等方面作一簡(jiǎn)要介紹。

1 結(jié)構(gòu)方案及平面布置

根據(jù)工藝要求，玻璃廠碎玻璃轉(zhuǎn)運(yùn)樓柱網(wǎng)尺寸一般為6～9m，沿皮帶廊方向多為一跨，垂直方向?yàn)橐恢寥绮坏?。目前，鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)樓多為焊接H型梁柱組成的多層框架結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)不同的建筑平面，進(jìn)行合理的構(gòu)件布置，現(xiàn)分別介紹如下：

1.1 鋼柱布置方向及柱腳節(jié)點(diǎn)

由于H型截面鋼柱在強(qiáng)弱軸方向截面抵抗矩相差很多，因此，鋼柱的布置方向?qū)Y(jié)構(gòu)的整體分析結(jié)果有很大的影響。設(shè)計(jì)中通常將H型截面鋼柱的弱軸布置在多跨方向，如圖1。這樣多跨弱軸的一列柱子較單跨弱軸柱子剛度大，容易滿足結(jié)構(gòu)整體位移和截面強(qiáng)度的要求。而對(duì)于兩個(gè)方向均為單跨的平面，一般可將弱軸布置在平行于皮帶廊方向，如圖2。這樣可以通過在弱軸方向設(shè)置柱間支撐，來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在此方向的剛度，避免了在皮帶廊通過處不宜設(shè)置柱間支撐的問題。

一般鋼框架轉(zhuǎn)運(yùn)樓總高度在20m左右，層數(shù)3～5層，單跨方向比較細(xì)柔，剛度較小。通過多個(gè)工程的試算比較，建議鋼柱采用剛接柱腳，這樣在同條件下結(jié)構(gòu)整體位移容易滿足規(guī)范要求。

1.2 柱間支撐布置

由焊接H型鋼梁柱截面組成的框架結(jié)構(gòu)，由于鋼柱弱軸方向的抗彎性能及抗側(cè)移性能較差，往往滿足不了規(guī)范的要求。為此應(yīng)盡可能的在弱軸方向設(shè)置柱間支撐，以增加整體結(jié)構(gòu)在鋼柱弱軸方向的剛度。若該方向由于工藝等原因無法設(shè)置柱間支撐，則可采用箱型柱或十字型柱的方案。常見的支撐形式有十字交叉支撐和人字形支撐，如圖3。特別值得一提的是，有些設(shè)計(jì)為了滿足工藝通行的要求，將支撐布置成圖4的形式。這樣會(huì)在柱中部產(chǎn)生水平剪力，對(duì)柱子非常不利，應(yīng)盡量避免。

1.3 平面布置

轉(zhuǎn)運(yùn)樓在各樓層平面中，分別布置有帶式輸送機(jī)的頭輪和尾輪、碎玻璃電子稱、碎玻璃稱量鋼倉(cāng)、輸送皮帶支腿和除塵設(shè)備等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循將平面荷載通過次梁盡快傳至鋼架主軸方向框架梁上的原則。首先根據(jù)工藝、暖通等專業(yè)提出的配置條件，在各個(gè)設(shè)備支承點(diǎn)處布置鋼梁，再根據(jù)花紋鋼板的允許跨度要求，布置間距800mm左右的小鋼梁，同時(shí)還應(yīng)注意梁要避開樓板上的預(yù)留孔洞，如圖1、圖2。需要指出的是，圖1、圖2中GL1這些支承花紋鋼板和部分設(shè)備荷載的小梁，在計(jì)算建模時(shí)一般不用逐一輸入，其自重和上面支承的荷載應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況倒算至主梁。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

鋼框架轉(zhuǎn)運(yùn)樓的結(jié)構(gòu)計(jì)算，以目前常用的中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（以下簡(jiǎn)稱為PKPM）即可完成。首先應(yīng)在PKPM的“鋼結(jié)構(gòu)STS模塊（框架）”下完成鋼框架建模；然后進(jìn)入“結(jié)構(gòu)SATWE模塊”，進(jìn)行內(nèi)力分析；最后再返回“鋼結(jié)構(gòu)STS模塊（框架）”，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)及施工圖設(shè)計(jì)?，F(xiàn)就設(shè)計(jì)中常見的一些問題做如下簡(jiǎn)述：

2.1 荷載取值

樓面恒載：模型中輸入的梁柱構(gòu)件自重PKPM計(jì)算軟件會(huì)自動(dòng)考慮，這樣只需輸入樓板重量和模型輸入時(shí)簡(jiǎn)化掉的構(gòu)件（如1.3中所述GL1）。一般樓板是梁上鋪設(shè)6mm厚花紋鋼板，再考慮1.3中所提到GL1（多為熱軋槽鋼［8、［10、［12.6）等的自重，通常樓面恒載取0.8～1kN／m2。樓面活載：按照工藝要求和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）5.2.1、5.2.2條，除設(shè)備固定荷載外，考慮操作荷載、一般工具、零星原料等，樓面均布活荷載取值為2.5～3.5kN／m2。值得一提的是，由于計(jì)算模型在平面布置時(shí)，對(duì)一些小梁進(jìn)行了簡(jiǎn)化，此時(shí)樓面荷載的導(dǎo)荷方式要根據(jù)實(shí)際平面布置進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于設(shè)備荷載、皮帶廊支座荷載、墻體荷載等，均應(yīng)按實(shí)際情況分別輸入，這里不再詳述。

2.2 參數(shù)選取

對(duì)于廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員而言，“SATWE”前處理中的各個(gè)參數(shù)的合理確定是非常容易的，這里僅就幾個(gè)需注意的問題進(jìn)行探討。首先是阻尼比，不能盲目的套用“SATWE”的默認(rèn)值0.05。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）8.2.2條，“鋼結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算……多遇地震下的計(jì)算，高度不大于50m時(shí)可取0.04；……在罕遇地震下的彈塑性分析，阻尼比可取0.05”。因此，在鋼框架轉(zhuǎn)運(yùn)樓設(shè)計(jì)時(shí)阻尼比一般取0.04。還有“分析與設(shè)計(jì)參數(shù)補(bǔ)充定義→設(shè)計(jì)信息”中，“鋼柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)按有側(cè)移計(jì)算”選項(xiàng)是否勾選，會(huì)對(duì)柱的長(zhǎng)細(xì)比產(chǎn)生較為明顯的影響?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）5.3.3條，對(duì)鋼柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)按有無側(cè)移計(jì)算，給出了明確規(guī)定。但判斷公式5.3.3－1比較復(fù)雜，目前PKPM軟件也不能實(shí)現(xiàn)這個(gè)判斷。實(shí)際工程中，有些設(shè)計(jì)者，對(duì)于加了柱間支撐的鋼框架均按無側(cè)移計(jì)算，筆者認(rèn)為這樣不太合理，缺乏定量的控制指標(biāo)。設(shè)計(jì)中，我們根據(jù)一些資料并參考了《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 99—98）5.2.11條，首先按有側(cè)移計(jì)算鋼框架，如層間位移角均小于1／1000時(shí)，再按無側(cè)移計(jì)算。就目前所做十多個(gè)鋼框架轉(zhuǎn)運(yùn)樓而言，其位移角均大于1／1000，鋼柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)均按有側(cè)移計(jì)算。

2.3 位移控制

鋼框架各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果的控制思路和常用的混凝土框架結(jié)構(gòu)基本一致，只是鋼框架的位移角，在風(fēng)荷載和地震作用下有不同的限值。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）3.5.1條和附錄A.2中規(guī)定，在風(fēng)荷載作用下多層鋼框架的柱頂位移H／500，層間相對(duì)位移h／400?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）5.5.1條規(guī)定，多、高層鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的彈性層間位移角限制為1／250，彈塑性層間位移角限制為1／50。為此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中應(yīng)注意分別驗(yàn)算控制。

3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)計(jì)算與構(gòu)造是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，連接節(jié)點(diǎn)是保證梁與柱協(xié)同工作，形成整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件。設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮節(jié)點(diǎn)處內(nèi)力傳遞途徑簡(jiǎn)捷明確、安全可靠，確保連接節(jié)點(diǎn)有足夠的強(qiáng)度和剛度，并應(yīng)保證節(jié)點(diǎn)的承載力應(yīng)按有關(guān)規(guī)定大于桿件（梁、柱、斜桿）的承載力，即滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震概念設(shè)計(jì)的要求；同時(shí)還要求所設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)，加工簡(jiǎn)單、安裝方便、現(xiàn)場(chǎng)施工容易實(shí)現(xiàn)；并且實(shí)際節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)與計(jì)算模型假定基本一致。鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)通常為剛接，常用連接方法有：全焊節(jié)點(diǎn)連接、栓焊混合連接和高強(qiáng)度螺栓連接三種形式，前兩種是鋼轉(zhuǎn)運(yùn)樓設(shè)計(jì)中常用的連接方式，主次梁連接一般采用鉸接。實(shí)際工作中，在完成“SATWE”的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析后，應(yīng)返回“鋼結(jié)構(gòu)→框架→全樓節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)”菜單，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行量化的分析計(jì)算，再根據(jù)構(gòu)造要求畫出節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖紙。除焊縫長(zhǎng)度和高度、螺栓直徑和個(gè)數(shù)等均應(yīng)滿足計(jì)算要求外，節(jié)點(diǎn)域腹板抗剪強(qiáng)度也要滿足規(guī)范要求，切忌根據(jù)構(gòu)件尺寸和構(gòu)造要求繪制節(jié)點(diǎn)施工圖的做法。在這里需要特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，為保證罕遇地震作用下，框架節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)的整體性，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）8.3.6條（強(qiáng)制性條文）要求：“梁與柱剛性連接時(shí)，柱在梁翼緣上下各500mm的范圍內(nèi)，柱翼緣與柱腹板間或箱型柱壁板間的連接焊縫應(yīng)采用全熔透坡口焊縫?！边@點(diǎn)在設(shè)計(jì)圖紙中必須明確表示。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）8.3.8條：“鋼框架的剛接柱腳宜采用埋入式，也可采用外包式；6、7度且高度不超過50m時(shí)也可采用外露式?！睂?shí)際工程中，由于外露式柱腳傳力路徑清晰、易于加工制作、便于施工，被廣泛應(yīng)用。但外露式柱腳很難滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）8.2.8條第5款，柱腳與基礎(chǔ)的連接極限承載力要求。為此我們?cè)趯?shí)際工程設(shè)計(jì)中，盡量按照規(guī)范要求或通過一些加強(qiáng)措施，來避免這條限制。玻璃廠轉(zhuǎn)運(yùn)樓高度均在50m以下，對(duì)于6度區(qū)的轉(zhuǎn)運(yùn)樓，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）8.1.3條文說明：“對(duì)于6度高度不超過50m的鋼結(jié)構(gòu)，其‘作用效應(yīng)調(diào)整系數(shù)’和‘抗震構(gòu)造措施’可按非抗震設(shè)計(jì)執(zhí)行?！睂?duì)于7度區(qū)的轉(zhuǎn)運(yùn)樓，參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）表8.1.3注2：“當(dāng)某個(gè)部位各構(gòu)件的承載力均滿足2倍地震作用組合下的內(nèi)力要求時(shí)，7～9度的構(gòu)件抗震等級(jí)應(yīng)允許按降低一度確定。”對(duì)于7度（0.1g）和7度（0.15g）的結(jié)構(gòu)，分別用8度（0.2g）和8度（0.3g）的地震作用下的柱腳內(nèi)力進(jìn)行柱腳設(shè)計(jì)，這樣可以將柱腳設(shè)計(jì)的抗震等級(jí)從四級(jí)降至五級(jí)，即柱腳按不設(shè)防設(shè)計(jì)。綜上所述，對(duì)于6、7度區(qū)的轉(zhuǎn)運(yùn)樓，均可不再執(zhí)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）8.2.8條第5款的規(guī)定。但對(duì)于8、9度的轉(zhuǎn)運(yùn)樓柱腳還應(yīng)采用埋入式或外包式。

4 結(jié) 語

綜合考慮施工工期要求、季節(jié)溫度影響、整體造價(jià)和綠色環(huán)保各個(gè)方面，鋼框架轉(zhuǎn)運(yùn)樓現(xiàn)正在逐步應(yīng)用于各玻璃廠的碎玻璃系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)中要充分考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)弱軸方向、構(gòu)件的整體和局部穩(wěn)定、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和細(xì)部構(gòu)造等各項(xiàng)因素，認(rèn)真做好概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算和施工圖繪制等工作，確保所做工程安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、切實(shí)可行。

［1］陳紹蕃.房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］JGJ 99—98，高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［6］李星榮，魏才昂，丁峙崐，等.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.