某重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)

鄭 聰

廈門華旸建筑工程設(shè)計(jì)有限公司（361004）

某重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)

鄭 聰

廈門華旸建筑工程設(shè)計(jì)有限公司（361004）

該工程為帶有多層行車的重型鋼結(jié)構(gòu)廠房，豎向構(gòu)件采用鋼管混凝土格構(gòu)柱+H型鋼柱，屋面采用變截面鋼梁。這里主要介紹該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路、構(gòu)造要求、計(jì)算依據(jù)和結(jié)果，還對(duì)鋼管混凝土格構(gòu)柱的設(shè)計(jì)做了較深入的闡述并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性提出了一些看法。

鋼管混凝土格構(gòu)柱；構(gòu)造要求；計(jì)算依據(jù)；經(jīng)濟(jì)性

1 工程概況

該工程為光伏光電裝備項(xiàng)目生產(chǎn)廠房，其建筑面積約7萬m2，左側(cè)為混凝土附房，右側(cè)為單層重型鋼結(jié)構(gòu)廠房。

單層鋼構(gòu)廠房縱向長(zhǎng)度為300 m，橫向?qū)挾葹?80 m，其中高跨部分60 m（兩跨），低跨部分120 m（五跨），各柱跨依次為30 m+24 m+18 m+24 m+ 24.75 m+30 m+30 m。高跨部分為三層吊車廠房，上層布置多臺(tái)200 t及150 t吊車，工作級(jí)別為A5，軌頂高度為18 m；中層布置100 t及50 t吊車，工作級(jí)別為A5，軌頂高度為12 m；下層局部布置有5 t半龍門吊。低跨部分為雙層吊車廠房，上層布置多臺(tái)100 t、75 t、50 t和30 t吊車，工作級(jí)別均為A5,軌頂高度為12 m;下層局部布置有5 t半龍門吊。具體如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)體系

該工程所在地為非采暖地區(qū)，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表8.1.5，廠房縱向溫度區(qū)段長(zhǎng)度控制值為220 m,橫向溫度區(qū)段長(zhǎng)度控制值為120 m(柱頂為剛接)。

廠房縱向長(zhǎng)度為300 m，需在中部設(shè)一道溫度縫，橫向?qū)挾葹?80 m，其中低跨部分120 m,高跨部分60 m?？紤]到高低跨對(duì)溫度應(yīng)力的釋放作用，且低跨120 m未超長(zhǎng)，故僅構(gòu)造上加強(qiáng)，不設(shè)溫度縫。加強(qiáng)做法如下:1）對(duì)邊柱的應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)控制，使其上階柱(型鋼柱)應(yīng)力比不大于0.9；2）梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，軸拉力設(shè)計(jì)值增大10%，以加強(qiáng)屋面梁連接節(jié)點(diǎn)。

廠房屋蓋在兩端及1/3溫度區(qū)段處布置橫向水平支撐及柱間支撐,縱向則隔跨布置縱向水平支撐，且高跨和低跨按各自的標(biāo)高與橫向水平支撐組成相對(duì)獨(dú)立的封閉支撐體系。

圖1 布置圖

3 鋼管混凝土格構(gòu)柱的選用

3.1 鋼管混凝土柱的特點(diǎn)

由于鋼管對(duì)其內(nèi)部混凝土的約束作用，在軸壓力作用下，鋼管混凝土柱內(nèi)部混凝土處于三向受壓狀態(tài)，不但提高了鋼管混凝土柱的抗壓承載力，具有較好的塑性變形能力，而且在承受沖擊荷載和振動(dòng)荷載時(shí)，也具有很好的韌性。

與普通鋼柱相比，鋼管柱柱腳零件少，焊縫短，可以直接插入混凝土基礎(chǔ)的預(yù)留杯口中，免去了復(fù)雜的柱腳構(gòu)造，但是鋼管內(nèi)部特別是節(jié)點(diǎn)處混凝土的密實(shí)性比較難以控制。

從觀感上看，鋼管混凝土格構(gòu)柱比型鋼格構(gòu)柱更美觀。

3.2 經(jīng)濟(jì)性比較

該工程初設(shè)時(shí)，對(duì)鋼管混凝土格構(gòu)柱和型鋼格構(gòu)柱的經(jīng)濟(jì)性作了比較，在不同柱距下的材料用量詳見表1。從不同柱距的結(jié)果來看，當(dāng)柱距增大時(shí)，主體用鋼量先降低再增長(zhǎng)，而吊車梁用鋼量保持上升趨勢(shì)，且幅度較大，導(dǎo)致總用鋼量先緩慢降低再迅速增長(zhǎng)，管樁的用量則由于柱子數(shù)量的顯著減少而降低；從不同材料來看，鋼管混凝土柱的抗壓性能比較好，隨著柱距增大，其性能優(yōu)勢(shì)漸漸得到發(fā)揮，其經(jīng)濟(jì)性也逐漸得到體現(xiàn)。

表1 不同柱距下的材料用量

由于該工程低跨部分吊車噸位較小，從整體考慮，鋼管混凝土柱的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)并不顯著，但考慮到美觀及施工等原因，結(jié)合上部用鋼量和基礎(chǔ)造價(jià)進(jìn)行比較，最終選用柱距為9 m的鋼管混凝土格構(gòu)柱。

4 剛架構(gòu)造要求及依據(jù)

4.1 型鋼柱、梁板件寬厚比控制

抗規(guī)9.2.14.2條規(guī)定:輕屋蓋廠房，塑性耗能區(qū)板件寬厚比限值可根據(jù)其承載力的高低按性能目標(biāo)確定。塑性耗能區(qū)外的板件寬厚比限制，可采用現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》彈性設(shè)計(jì)階段的板件寬厚比限值（注:腹板的寬厚比可通過設(shè)置縱向加勁肋減?。?/p>

抗規(guī)9.2.14.2條文說明規(guī)定:

C類定義:當(dāng)構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定的承載力均滿足高承載力（2倍多遇地震作用下的要求）時(shí)，可采用現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》彈性設(shè)計(jì)階段的板件寬厚比限值，即C類。

C類寬厚比要求:C類是指現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017按彈性準(zhǔn)則設(shè)計(jì)時(shí)腹板不發(fā)生局部屈曲的情況。

從以上條文可知，該工程可以按照C類截面要求進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，其中耗能區(qū)段可以參照抗規(guī)9.2.11條文說明對(duì)剛架梁端最大應(yīng)力區(qū)的規(guī)定，取距梁端1/10梁凈跨和1.5倍梁高中的較大值。

4.2 鋼管混凝土格構(gòu)柱設(shè)計(jì)

目前，有關(guān)鋼管混凝土格構(gòu)柱設(shè)計(jì)的主要參考規(guī)范為:①《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）、②《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（CECS 28: 2012）、③《鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5085-1999），其中《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》僅對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與鋼管桿件的計(jì)算提出了要求（格構(gòu)柱綴件構(gòu)造與計(jì)算）。

4.2.1 材料要求

該工程采用的是螺旋焊接管，螺旋焊接管常用規(guī)格如下:D219×6～8，D273×6～8，D325×6～8，D377 ×6～10，D426×6～10，D478×6～10，D529×6～10，D630 ×6～10,D720×6～12等。

在材料上規(guī)范③的6.2.4條明確提出,鋼管內(nèi)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C30，可參照下列材料組合:Q235鋼配C30或C40級(jí)混凝土；Q345鋼配C40、C50或C60級(jí)混凝土；Q390配C50或C60級(jí)以上的混凝土。同時(shí)，構(gòu)件截面的套箍系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值不宜小于0.5。

4.2.2 鋼管構(gòu)造

1）在外徑與壁厚之比d/t及壁厚等構(gòu)造上,各本規(guī)范有不同的規(guī)定:規(guī)范①規(guī)定d/t不應(yīng)超過100（235/fy）；規(guī)范②規(guī)定d/t限制在（20～135）235/fy之間，且外徑不宜小于200 mm，壁厚不宜小于4 mm；規(guī)范③規(guī)定d/t限制在20～100（注意無強(qiáng)度調(diào)整,即含鋼率控制在0.2～0.04）之間，且外徑不宜小于100 mm，壁厚不宜小于4 mm。該工程設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合三者，控制d/t不應(yīng)超過100（235/fy），且主管(帶混凝土)壁厚不小于4 mm。

2）規(guī)范③6.4.10條規(guī)定了格構(gòu)式柱腹桿的形式及構(gòu)造，本工程所采用的是斜腹桿格構(gòu)式柱，主要要求如下:

①斜腹桿與柱肢軸線間夾角宜為40～60度；②桿件軸線宜交于節(jié)點(diǎn)中心；腹桿軸線交點(diǎn)與柱肢軸線距離不宜大于d/4,當(dāng)大于d/4時(shí)，應(yīng)考慮其偏心影響；③腹桿端部?jī)艟嗖恍∮?0 mm。

4.3 其他構(gòu)造要求

4.3.1 分離式柱子

當(dāng)?shù)踯噰嵨辉?5 t及75 t以上時(shí)，不適合采用牛腿來支承吊車梁，宜在下層吊車梁下設(shè)單獨(dú)的吊車肢。

4.3.2 鋼吊車梁的材質(zhì)要求

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》3.3.4條規(guī)定吊車起重量不小于50 t的中級(jí)工作制吊車梁，對(duì)鋼材沖擊韌性的要求應(yīng)與需要驗(yàn)算疲勞的構(gòu)件相同。

4.4 工程采用的剛架及部分節(jié)點(diǎn)大樣

1）考慮到荷載較小,該工程采用雙肢格構(gòu)柱，鋼管柱材質(zhì)為Q345B,鋼管柱綴條采用Q235B,鋼管柱柱肢內(nèi)均澆灌微膨脹C40混凝土,剛架詳圖如圖2。

圖2 鋼架詳圖

2）施工方法采用泵送頂升澆灌法,在鋼管接近地面的適當(dāng)位置設(shè)灌注孔，鋼管內(nèi)混凝土必須一次性連續(xù)澆灌完畢,一定要保證密實(shí),待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,再將灌注孔、排氣孔等補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)焊。灌漿孔進(jìn)料管詳圖如圖3。

3）考慮到結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性及施工便利性，鋼管柱采用插入式柱腳與杯口基礎(chǔ)連接。

圖3 灌漿孔進(jìn)料圖

5 剛架計(jì)算

1）柱頂位移要求

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A.2.1“在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，框架柱頂水平位移和層間位移不宜超過下列數(shù)值:有橋式吊車的單層框架的柱頂位移≤H/ 400”。

2）行車水平荷載作用下的側(cè)向位移

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》沒有關(guān)于中級(jí)工作制行車鋼結(jié)構(gòu)廠房的在行車水平荷載作用下側(cè)向位移的限值要求，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在滿足行車正常運(yùn)行的前提下，按平面結(jié)構(gòu)圖形計(jì)算，吊車梁頂面標(biāo)高處，由一臺(tái)最大吊車水平荷載（按荷載規(guī)范）所產(chǎn)生的計(jì)算變形值，不宜超過下述容許值:

100 t行車1/850

150 t及以上1/1 250

3）撓度要求

屋面梁撓度限值取1/250，主要考慮重型吊車的原因，對(duì)屋面的剛度做適當(dāng)加強(qiáng)。

4）長(zhǎng)細(xì)比要求

構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.3.8及表5.3.9要求,其中重型吊車以下柱間支撐的長(zhǎng)細(xì)比按拉桿計(jì)算，且不考慮壓桿的卸載作用。

5）該工程剛架計(jì)算

采用PKPM軟件進(jìn)行剛架計(jì)算時(shí)，需注意圖中所示的應(yīng)力比為構(gòu)件考慮長(zhǎng)細(xì)比影響的整體承載力折減系數(shù),及偏心影響的整體承載力折減系數(shù)后，其作用軸力與整體承載力的比值。在此比值滿足要求的同時(shí)，尚應(yīng)確認(rèn)單管作用力與承載力的比值滿足要求，易出現(xiàn)整體計(jì)算滿足要求而單管軸壓比超出的情況。

6 結(jié)論

目前該工程已投入使用，實(shí)踐證明，在工藝允許時(shí)，通過優(yōu)化柱距，協(xié)調(diào)主體及吊車梁的用鋼量，結(jié)構(gòu)可以取得最佳的經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)?shù)踯噰嵨弧⒅噍^大時(shí),鋼管混凝土柱的抗壓性能可以得到充分發(fā)揮，此時(shí)結(jié)構(gòu)亦可以取得較佳的經(jīng)濟(jì)性。

參考資料:

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

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

[3]CECS 28:2012,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].

[4]DL/T 5085-1999,鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[5]CECS 102-2002,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].