空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)在多層工業(yè)廠房中的應(yīng)用＊

宋玲玲，張華剛 ，劉 彩，秦冬冬

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽(yáng)550003)

傳統(tǒng)廠房的結(jié)構(gòu)形式主要有排架(或門式剛架)和框架兩種［1］。排架(或門式剛架)的跨度較大，用鋼量少，對(duì)空間使用有利，但只能修建單層建筑，且結(jié)構(gòu)整體性較差，土地使用率較低。框架為多層結(jié)構(gòu)，但柱網(wǎng)較小，空間使用受限。也有下部采用多層框架而頂層采用門式剛架的工程實(shí)例，以部分提高建筑的空間使用率。由此可見，多層大跨度結(jié)構(gòu)是未來(lái)工業(yè)廠房發(fā)展的一個(gè)主要方向。

盒式結(jié)構(gòu)是貴州大學(xué)馬克儉等人基于節(jié)約土地、提高建筑空間使用率而提出的一種新型多層大跨建筑結(jié)構(gòu)體系［2］，它由網(wǎng)格式墻架(圖1a)和空腹夾層板［3］(圖1b)組成，結(jié)構(gòu)形式如圖1c 所示，跨度可達(dá)12 ～24 m，與單層廠房相比，提高了土地利用率;與多層框架相比，在大跨度條件下降低了結(jié)構(gòu)用鋼量。盒式鋼結(jié)構(gòu)的墻架和空腹夾層板均可在工廠制作小拼單元之后，現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)螺栓連接，其施工順序?yàn)?①工廠下料并焊接墻架和空腹夾層板小拼單元;②運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng);③安裝和連接墻架;④吊裝和連接鋼空腹夾層板;⑤澆筑樓板混凝土?，F(xiàn)場(chǎng)焊接量少，施工速度快。

圖1 多層盒式結(jié)構(gòu)

目前盒式結(jié)構(gòu)已在湘潭九華工業(yè)園、甕安工業(yè)園、銅仁大龍工業(yè)園、貴陽(yáng)大自然工業(yè)園等園區(qū)廠房中推廣應(yīng)用，建筑面積達(dá)27 萬(wàn)平方米，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和社會(huì)效益。本文以安順某工業(yè)園區(qū)二期多層廠房為例，采用對(duì)比分析方法討論盒式結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，以期為類似工程應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

安順某工業(yè)園規(guī)劃總用地585 畝，總建筑面積為31 萬(wàn)平方米，規(guī)劃效果圖如圖2 所示。

圖2 工業(yè)園規(guī)劃效果圖

一期廠房為二層建筑，采用底部框架上部門式剛架結(jié)構(gòu)。二期廠房修改為三層建筑，共11 棟廠房。二期廠房總面積約10 萬(wàn)平方米，單棟平面尺寸32 m×92 m 的廠房共10 棟，1 棟平面尺寸為32 m×72 m。本文以平面尺寸為32 m×72 m 的廠房為對(duì)象介紹其分析過(guò)程。廠房一層層高8.7 m，二、三層層高均為4.5 m，鋼結(jié)構(gòu)部分為2 跨。1 層2跨均配置5T 中級(jí)吊車一臺(tái)。考慮屋面荷載較小，因此底部?jī)蓪硬捎娩摼W(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)，頂層采用門式剛架，框架間設(shè)置縱向連系梁。

考慮到樓電梯間位置需要樓板開洞，衛(wèi)生間處需要降低板面標(biāo)高，因此兩端采用混凝土框架梁板體系，其余跨采用鋼結(jié)構(gòu)。

1.1 結(jié)構(gòu)布置

兩跨鋼結(jié)構(gòu)跨度均為16 m，平面尺寸為32 m×56 m，樓蓋采用鋼空腹夾層板。為發(fā)揮網(wǎng)格式樓板的空間力學(xué)效應(yīng)，空腹夾層板采用正交斜放網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)布置如圖3 所示，夾層板網(wǎng)格構(gòu)造如圖4所示，表層混凝土板厚100 mm，上肋和下肋共同組成空腹梁。

墻架由立柱、層間梁和樓層空腹梁組成。圖5為墻架網(wǎng)格示意圖，其中標(biāo)高不含樓層混凝土板厚。

空腹梁采用T 型鋼，夾層板剪力鍵采用方鋼管，墻架立柱和層間梁采用H 型鋼。

圖3 2 層、3 層的樓板平面布置(32 m×72 m)

1.2 對(duì)比計(jì)算

圖4 空腹夾層板構(gòu)造

圖5 二層墻架

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年，安全等級(jí)為二級(jí)，按丙類建筑6 度設(shè)防。設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，混凝土部分抗震等級(jí)按四級(jí)，鋼結(jié)構(gòu)按非抗震計(jì)算。基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，由于結(jié)構(gòu)立面規(guī)整，體型系數(shù)統(tǒng)一取1.3，地面粗糙度類別為B 類。屋面雪荷載為0.3 kN/m2。樓面恒載3.3 kN/m2，活載5.0 kN/m2。屋面恒載取0.3 kN/m2，活載0.5 kN/m2。

計(jì)算軟件采用STS?？崭箠A層板按抗彎剛度等效為密肋梁。由于等效密肋梁的自重由軟件自動(dòng)計(jì)算，因此在其截面確定后，等效密肋梁的自重折算為均布恒載，并在樓面計(jì)算恒載中扣除。

為比較盒式結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的區(qū)別，本文在使用荷載、前述計(jì)算參數(shù)、跨度等相同條件下同時(shí)計(jì)算了底部?jī)蓪涌蚣?、上部門式剛架的普通結(jié)構(gòu)。普通結(jié)構(gòu)的柱距為8 m，次梁間距2 m，樓板厚度為100 mm。

1.3 主要計(jì)算結(jié)果

表1 為兩種結(jié)構(gòu)的前六階自振周期，圖6、圖7分別為對(duì)應(yīng)振型。盒式結(jié)構(gòu)前四階自振均表現(xiàn)為整體振動(dòng)，而底框-門剛結(jié)構(gòu)僅前三階為整體振動(dòng)，后三階為柱間支撐的振動(dòng)。對(duì)于盒式結(jié)構(gòu)，一階振型為縱向平動(dòng)，對(duì)應(yīng)周期1.40 s;二階振型為橫向平動(dòng)，對(duì)應(yīng)周期為1.12 s。而普通結(jié)構(gòu)縱向平動(dòng)的最低階振型出現(xiàn)在第三振型，對(duì)應(yīng)周期0.66 s，橫向平動(dòng)最早出現(xiàn)在第一振型，對(duì)應(yīng)周期為1.11 s。低階振型可以近似反映結(jié)構(gòu)剛度，可見盒式結(jié)構(gòu)的橫向抗側(cè)剛度與底框-門剛結(jié)構(gòu)相當(dāng)，縱、橫向抗側(cè)剛度分布更為均勻。

表1 結(jié)構(gòu)前6 階周期

圖6 盒式結(jié)構(gòu)前六階振型

圖7 底框-門剛結(jié)構(gòu)前六階振型

表2 為結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下底部?jī)蓪拥淖畲髮娱g位移角?？梢姾惺浇Y(jié)構(gòu)的在風(fēng)荷載和地震荷載作用下層間位移角都很小。底框-門剛結(jié)構(gòu)Y 向?qū)娱g位移角與盒式結(jié)構(gòu)相近，但在X 向要遠(yuǎn)小于盒式結(jié)構(gòu)。同時(shí)看到，底框-門剛結(jié)構(gòu)的X 向位移角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Y 向位移角，兩個(gè)方向的剛度分布嚴(yán)重不均，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)第二周期為扭轉(zhuǎn)周期。

表2 風(fēng)及地震作用下的樓層最大層間位移角

鋼空腹夾層板彈性撓度為29.46 mm，考慮混凝土板的徐變和收縮等因素影響，因此計(jì)算撓度除以0.65，即f =29.46/0.65 =45.32 mm，支承跨度為16 m，則f/L = 45.32/16000 ≈1/353 ，小于鋼結(jié)構(gòu)樓蓋1/250 限值要求。

1.4 盒式結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

網(wǎng)格式墻架采用軟件計(jì)算結(jié)果。

空腹夾層板采用等效密肋梁的內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)［4］。其中上、下肋按軸心受力構(gòu)件計(jì)算。內(nèi)力計(jì)算按下式:

其中:M、V—分別為等效密肋梁的彎矩和剪力。

NL、VL—分別為空腹夾層板上、下肋的軸力和剪力。

h0—上、下肋的形心距離。

式(1)實(shí)際上是考慮局部彎矩影響后將密肋梁的截面彎矩轉(zhuǎn)化為夾層板上、下肋的軸力。對(duì)于受壓肋，還應(yīng)驗(yàn)算穩(wěn)定應(yīng)力。式(2)表示密肋梁的剪力由上、下肋平均分配。

方鋼剪力鍵按純剪構(gòu)件設(shè)計(jì)。剪力按下式計(jì)算:

其中:ΔMmax—對(duì)應(yīng)在剪力鍵兩側(cè)等代密肋梁的彎矩差值的較大值。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對(duì)比分析

兩種結(jié)構(gòu)的計(jì)算用鋼量見表3。盒式結(jié)構(gòu)與底框-門剛結(jié)構(gòu)用鋼量差值為9.51 kg/m2。一棟樓底部2 層共節(jié)省32 × (72 -16)×2 ×9.51 =34.08 t。鋼結(jié)構(gòu)的制作和安裝按1.1 萬(wàn)元/噸，則一棟樓鋼材節(jié)約造價(jià)為37.488 萬(wàn)元。

3 結(jié)語(yǔ)

從上述分析可知盒式結(jié)構(gòu)和一般底框-門剛結(jié)構(gòu)有明顯差異:

表3 用鋼量對(duì)比 kg/m2

(1)盒式結(jié)構(gòu)的墻架和樓蓋均采用小拼單元安裝，減少了現(xiàn)場(chǎng)焊接量，施工速度快。

(2)盒式結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)框架的豎向和水平承重構(gòu)件均網(wǎng)格化，使得縱橫向抗側(cè)剛度分布更加均勻。

(3)盒式結(jié)構(gòu)的用鋼量相對(duì)較少，當(dāng)廠房建筑面積大、使用荷載大、廠房層數(shù)多時(shí)，這種優(yōu)越性就更加明顯。

［1］肖亞明，孫強(qiáng)，馬芹永，等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

［2］彭登，馬克儉.新型裝配整體式空間鋼網(wǎng)格“筒中筒”盒式結(jié)構(gòu)在超高層結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用［J］.空間結(jié)構(gòu)，2012，18(4):13 -18.

［3］馬克儉，張華剛，鄭濤. 新型建筑空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)理論與實(shí)踐［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］張華剛，胡嵐，馬克儉，等.空腹夾層板的靜力性能分析及其實(shí)用計(jì)算方法［J］.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35(3):82 -87.