設(shè)多層平臺的鈾轉(zhuǎn)化廠房性能設(shè)計研究

王 榮 德

(中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

設(shè)多層平臺的鈾轉(zhuǎn)化廠房性能設(shè)計研究

王 榮 德

(中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

根據(jù)工程設(shè)計實例，論述了內(nèi)部設(shè)置多層平臺結(jié)構(gòu)高大廠房的結(jié)構(gòu)方案選擇、優(yōu)化設(shè)計方法及構(gòu)造措施，通過對現(xiàn)有實際工程設(shè)計、施工過程中各種問題的討論，總結(jié)了類似建筑結(jié)構(gòu)形式的理論分析、設(shè)計方法、參數(shù)控制等要點，為以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其是鈾轉(zhuǎn)化工程主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

鈾轉(zhuǎn)化主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計，豎向框排架，結(jié)構(gòu)類型，計算參數(shù)

0 引言

隨著我國社會工業(yè)生產(chǎn)水平的發(fā)展，國家整體經(jīng)濟(jì)實力有了較大的提高，核工業(yè)領(lǐng)域的國家建設(shè)項目的抗震設(shè)防水平也理應(yīng)比之前的建設(shè)項目進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶岣?。尤其是比較高大的鈾轉(zhuǎn)化主工藝廠房設(shè)施，依據(jù)其特殊性及我國屬于地震多發(fā)國家，結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要避免采取抗震不利的裝配式排架結(jié)構(gòu)形式。由于這些廠房的共同特點：各種重要的設(shè)備、管道、電纜和儀表控制系統(tǒng)布置十分復(fù)雜、密集；工藝流程復(fù)雜，各個流程連接緊密，需要布置多層平臺結(jié)構(gòu)。采用具有良好抗震性能的豎向框排架結(jié)構(gòu)形式比較合理。本文針對兩個鈾轉(zhuǎn)化工程項目中此類結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用，結(jié)合對《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于橫向框排架設(shè)計內(nèi)容的理解，從結(jié)構(gòu)理論分析論證，工程力學(xué)計算方法，工程模型參數(shù)選取，抗震構(gòu)造措施處理等方面進(jìn)行總結(jié)。力求提出科學(xué)可行的建議，以期提高此類特殊工業(yè)廠房的抗震防災(zāi)水平，為此領(lǐng)域相關(guān)規(guī)程的建立提供參考。

1 工程概況

中核404鈾轉(zhuǎn)化工程氫氟化工藝廠房跨度21 m，長度36 m，高度29.7 m，軌頂標(biāo)高26.5 m，柱距為一跨6 m、4跨7.5 m；設(shè)置一臺5 t(A5)橋式吊車；沿縱向一側(cè)貼建跨度3.6 m，高11.8 m的三層管廊?？偨ㄖ娣e2 522.46 m2。

抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類場地；建筑物抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類(乙類)。設(shè)計使用年限為50年，建筑安全等級為一級。原設(shè)計方案廠房為預(yù)制裝配式單層排架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部平臺與廠房脫開設(shè)置，貼建管廊脫開單獨按單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)置。修正后結(jié)構(gòu)形式為二層、三層豎向框排架結(jié)構(gòu)。屋面采用鋼屋架+預(yù)制鋼框板；吊車梁采用預(yù)制鋼筋混凝土吊車梁；地面上及上部局部位置的小范圍平臺采用鋼結(jié)構(gòu)平臺，并與主體結(jié)構(gòu)脫開設(shè)置；廠房平面內(nèi)滿布的平臺結(jié)構(gòu)與廠房柱子合并設(shè)置形成底部框架結(jié)構(gòu)，變單層廠房為多層廠房；頂部小平臺單獨設(shè)置為框架結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計參數(shù)

2.1 計算簡圖

計算簡圖見圖1。

根據(jù)以往的設(shè)計結(jié)果，對于需要設(shè)置多層平臺結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房橫向大致可以劃分為以上五種不同計算簡圖的結(jié)構(gòu)形式。

2.2 結(jié)構(gòu)體系與受力分析

1)圖1a)為經(jīng)典的單層排架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部平臺與廠房柱脫開單獨布置，應(yīng)用非常廣泛，適用于高度不太大的工業(yè)廠房中。優(yōu)點是受力簡單、概念明確；構(gòu)件主要采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場裝配，質(zhì)量容易保證、施工簡單方便。缺點是受施工條件的限制不能用于高大的廠房結(jié)構(gòu)。

2)圖1b)屬于主、次結(jié)構(gòu)形式，本質(zhì)上還是排架結(jié)構(gòu)，由于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》9.1.1第6條明確規(guī)定單層工業(yè)廠房內(nèi)部平臺宜與廠房主體結(jié)構(gòu)脫開，故這樣的結(jié)構(gòu)形式其適用范圍規(guī)范沒有詳細(xì)規(guī)定。實際上采用時需要根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)的剛度大小區(qū)別對待，當(dāng)平臺柱的總剛度與相連排架柱下柱的剛度比不大于0.05時，可只計入平臺傳給排架柱的豎向荷載，不計入平臺對廠房柱的作用；當(dāng)平臺柱的總剛度與相連排架柱下柱的剛度比為0.05～20時，可將平臺作為排架的一個組成部分進(jìn)行排架的內(nèi)力分析；當(dāng)平臺柱的總剛度與相連排架柱下柱的剛度比大于20時，可將平臺與排架柱的連接點作為排架柱的不動鉸支點進(jìn)行計算。在輕型門式剛架結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)這種情況一般把平臺柱子設(shè)計為搖擺柱，水平荷載全部由主結(jié)構(gòu)承擔(dān)，盡量減小此結(jié)構(gòu)的剛度。故對于這種受力復(fù)雜，概念不明確，柱子薄弱部位下移或存在多個薄弱部位，變形很難協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)形式，抗震性能很差，應(yīng)避免使用。

3)圖1c)與圖1b)沒有本質(zhì)的區(qū)別，僅可應(yīng)用于剛度很小的次結(jié)構(gòu)情況中或次結(jié)構(gòu)為臨時性建筑需要隨時拆除的情況下。

4)圖1d)可以定義為豎向框排架結(jié)構(gòu)形式，適用于滿布平臺的情況，當(dāng)梁柱鉸接時為圖1b)所示的情況，當(dāng)梁柱剛接時應(yīng)按平臺與排架共同作用進(jìn)行分析。類似于把很高的單層結(jié)構(gòu)變換為各個適當(dāng)高的多層結(jié)構(gòu)形式，這樣其受力比較合理，概念清晰，采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，整體性好，變形協(xié)調(diào)能力強(qiáng)，屬于抗震性能好的結(jié)構(gòu)形式。廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用建筑中。

5)圖1e)下部與圖1d)一樣，屋蓋剛接連接形成完全框架結(jié)構(gòu)，一般會應(yīng)用于大跨度的鋼框架結(jié)構(gòu)或者預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)中。

2.3 柱子計算長度l0取值問題

柱子的計算長度l0取值是根據(jù)柱不同的側(cè)向約束條件及荷載情況，并考慮柱的二階效應(yīng)(軸向力與柱的撓曲變形所引起的附加彎矩)對柱子截面設(shè)計的影響程度來確定的。單獨的懸臂柱計算長度l0=2.0H，排架柱子計算長度依據(jù)其側(cè)向約束及受荷情況的不同而不同，按照《混凝土設(shè)計規(guī)范》6.2.20條—1規(guī)定(見表1)。

表1 柱子計算長度(排架柱子)

另外，對于框架結(jié)構(gòu)梁柱剛接的情況，按照《混凝土設(shè)計規(guī)范》6.2.20條—2規(guī)定(見表2)。

表2 柱子計算長度(框架結(jié)構(gòu)梁柱)

對于特殊的框架結(jié)構(gòu)(如不設(shè)樓板或樓板開大洞的多層鋼筋混凝土框架以及抗側(cè)力剛性墻的單跨鋼筋混凝土框架)應(yīng)根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗或計算確定。

綜上所述，圖1a)結(jié)構(gòu)中的計算長度按照表1取值，如圖1b)，圖1c)所示，當(dāng)平臺的剛度很小可以忽略不計時按表1取值，否則進(jìn)行截面設(shè)計時計算長度的取值缺乏適當(dāng)?shù)囊罁?jù)，造成不利隱患。圖1d)結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以在滿布平臺處設(shè)置類似于基礎(chǔ)嵌固部位的嵌固層，然后把豎向框排架結(jié)構(gòu)分解為上、下兩個結(jié)構(gòu)體系，按照表1、表2及規(guī)范分別對柱子計算長度系數(shù)進(jìn)行取值，可以滿足設(shè)計要求。對于圖1e)純框架結(jié)構(gòu)可以按照表2直接取值柱子的計算長度系數(shù)進(jìn)行截面設(shè)計。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)規(guī)則性判定

參照《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》第3.4.6，3.4.7，3.4.8條之規(guī)定，結(jié)合廠房內(nèi)工藝設(shè)備布置情況，本工程設(shè)計中把可以判別為符合平面規(guī)則的平臺層(滿布平臺)設(shè)置為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓面并與廠房柱子剛接連接，使其滿足豎向框排架結(jié)構(gòu)上下分結(jié)構(gòu)的可靠過渡層；對于可被判定為影響平面規(guī)則性的平臺結(jié)構(gòu)，地面上的單獨布置，與主體結(jié)構(gòu)完全脫開，樓面以上的平臺與上部子結(jié)構(gòu)(排架結(jié)構(gòu))脫開布置，僅在過渡層統(tǒng)一匯聚，統(tǒng)一處理，過渡層樓板厚度200 mm，樓板配筋率取0.25%，雙層雙向通長設(shè)置。這樣主動地把主體結(jié)構(gòu)設(shè)計為平面規(guī)則，豎向不規(guī)則的結(jié)構(gòu)形式，有效降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，提高結(jié)構(gòu)的安全性。

3.2 構(gòu)件設(shè)計

3.2.1 柱截面尺寸選取

對于有吊車廠房柱上段柱截面高度Ht/14=(26.5-9.8)/14=1.2 mm,柱子寬度Hl/30=16.0/30=0.533 mm。選取柱截面為550 mm×1 200 mm，平臺柱截面取500 mm×500 mm，上柱截面取550 mm×400 mm，對于這種高大廠房不太合適，會造成柱子在吊車牛腿頂面形成薄弱部位，把排架柱子外偏軸線370 mm，原來的370墻改為250加氣混凝土砌塊墻，這樣上柱截面可以做到550 mm×770 mm，滿足了廠房柱彈塑性變形要求。

3.2.2 內(nèi)部多層平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計

高度較高的小范圍平臺采用鋼結(jié)構(gòu)，自重較輕，施工難度低，使用方便。過渡層以上的范圍比較大的平臺仍然采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，但與上部排架柱子脫開設(shè)計，形成內(nèi)部框架。地面上平臺仍采用鋼結(jié)構(gòu)形式。

3.3 模型建立

計算軟件采用PKPM系列軟件SATWE進(jìn)行整體空間建模計算，采用PMSAP進(jìn)行復(fù)核驗算。柱子各層的計算長度系數(shù)根據(jù)上述分析結(jié)果進(jìn)行人為調(diào)整。上部平臺采用廣義層概念建立模型與廠房主體連接形成整體進(jìn)行計算，有效的保證了計算模型與實際結(jié)構(gòu)的基本一致性，提高了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。最后彈性層間位移角限值取框架與排架結(jié)構(gòu)的較小值1/550。

3.4 結(jié)構(gòu)性能設(shè)計探討

依據(jù)GB 50223-2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定，對于按重要性劃分為重點設(shè)防類(乙類)的建筑物，其抗震設(shè)防目標(biāo)不甚明確，尤其對于比較重要的核設(shè)施，應(yīng)該參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于抗震性能設(shè)計的內(nèi)容，明確指定的地震地面運動下的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)等級，以此進(jìn)行抗震計算和采取相應(yīng)的抗震措施，并滿足抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計的要求。

在404U-2工程及272U-1工程主工藝廠房的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中對多遇地震水平地震影響系數(shù)增大0.25倍(相當(dāng)于設(shè)計基準(zhǔn)期為75年)進(jìn)行計算和控制變形，并且按照提高1度采取相應(yīng)的抗震措施。這樣既有效的保證了結(jié)構(gòu)安全性，又區(qū)分了相同重要性等級的核設(shè)施與其他設(shè)施，從概念上是合適的。

采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土豎向框排架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)整體性好，屬于多跨超靜定結(jié)構(gòu)，具有多重傳遞重力荷載途徑，能夠滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計的要求。對于相對薄弱的部位如上下柱節(jié)點處進(jìn)行了特殊處理。

4 結(jié)語

通過對404U-2工程及272U-1工程主工藝廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計，得出以下結(jié)論及設(shè)計建議：

1)對于設(shè)置滿布平臺結(jié)構(gòu)的高大工業(yè)廠房(高度超過20 m)，采用豎向框排架結(jié)構(gòu)形式，可以有效利用平臺結(jié)構(gòu)對排架柱子的側(cè)向支撐作用，減小柱子的單層高度。從而可以減小構(gòu)件截面尺寸，提高建筑物使用空間，節(jié)約造價，獲得不錯的經(jīng)濟(jì)效益。

2)對于高大的廠房結(jié)構(gòu)，由于采用預(yù)制裝配式其施工難度較大，可以考慮采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)形式，有效減小施工難度，縮短施工周期，同時采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)處理手段，可以提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，滿足工程建設(shè)的需要。

3)對于特定的工程實踐，要求設(shè)計人員深入理解規(guī)范基本概念，靈活應(yīng)用各種結(jié)構(gòu)類型，通過分析對比，糾正實際工作中存在的不足，逐步提高設(shè)計質(zhì)量。

[1] GB 50191-2012,構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].

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

[3] GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5] GB 50223-2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計資料集3混凝土結(jié)構(gòu)分冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[7] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].第3版.北京:科學(xué)出版社，2005.

[8] 豐定國，王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[9] 康谷貽.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

Research on uranium conversion factory performance design of multi-layer platform

WANG Rong-de

(ChinaNuclearNewEnergyNuclearIndustryEngineeringLimitedLiabilityCompany,Taiyuan030012,China)

According to the engineering design example, this paper discussed the structure scheme selection, optimization design method and structural measures of inside arranged multi-layer platform structure tall factory, through the discussion on various problems in existing practical engineering design, construction process, summarized the theory analysis, design methods, parameter control and other key points of similar building structure types, provided basis for future structure design especially the structure design of uranium conversion engineering main factory.

uranium conversion main factory structure design, vertical bent frame, structure type, calculation parameter

1009-6825(2014)22-0038-03

2014-05-20

王榮德(1982- )，男，工程師

TU721.5

A