單排柱大跨度空間結(jié)構(gòu)高大廠房受力及經(jīng)濟(jì)性研究

蔡明喜，張杰

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，蘭州730099）

單排柱大跨度空間結(jié)構(gòu)高大廠房受力及經(jīng)濟(jì)性研究

蔡明喜，張杰

（蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，蘭州730099）

傳統(tǒng)上，網(wǎng)架下部支撐柱為空心鋼柱，對(duì)于高度較低的網(wǎng)架，其表現(xiàn)出受力較好、較經(jīng)濟(jì)、施工方便、工期短等特點(diǎn)。伴隨著高大結(jié)構(gòu)且只有單排柱的廠房在礦山、冶金領(lǐng)域的大量出現(xiàn)，為了滿(mǎn)足內(nèi)力、位移、長(zhǎng)細(xì)比的要求，設(shè)計(jì)師通常設(shè)計(jì)出來(lái)的柱子截面極大，這種“極大柱”的出現(xiàn)了增加了甲方的投資，同時(shí)也增加了鋼構(gòu)制作廠家加工及運(yùn)輸?shù)某杀?。針?duì)工程中出現(xiàn)的上述問(wèn)題，采用Midas-gen軟件對(duì)空間結(jié)構(gòu)下部支承體系采用鋼管柱和鋼管混凝土柱兩種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了受力分析，為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用了上下部結(jié)構(gòu)整體模型建模計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量數(shù)值分析。結(jié)果表明當(dāng)大跨度網(wǎng)架采用鋼管混凝土柱模型時(shí)具有較好的受力性能及較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

單排柱支撐；高大廠房；整體分析；鋼管混凝土柱

0　引言

由于空間網(wǎng)架（格）結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)美觀、建造速度快、有著良好的經(jīng)濟(jì)性能等特點(diǎn)，在民用、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。近年來(lái)，隨著軟件的進(jìn)步，很多學(xué)者對(duì)于大跨度網(wǎng)架整體受力模型性能分析的研究較多，由于礦山、冶金領(lǐng)域近年才遇到高度超過(guò)20m的單排獨(dú)立柱支承網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致學(xué)者對(duì)于大跨度網(wǎng)架的下部支撐柱，特別是單排支撐柱，高度20m以上的這方面研究較少。董石麟等[1]對(duì)上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體分析進(jìn)行了探討，周越洲等[2]結(jié)合工程對(duì)鋼管混凝土柱與普通混凝土柱的經(jīng)濟(jì)對(duì)比，曹資[3]等對(duì)網(wǎng)殼屋蓋與下部支承結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究，鞏玉發(fā)[4]網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及極限分析。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目未進(jìn)行此類(lèi)設(shè)計(jì)。因此對(duì)其開(kāi)展受力及經(jīng)濟(jì)性研究是十分有必要的。本文在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上利用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的比較。

1　結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

1.1計(jì)算參數(shù)選取

結(jié)構(gòu)整體模型計(jì)算分析采用MIDAS/Gen軟件，主要考慮以下荷載。

1）屋面采用巖棉夾芯板，考慮到檁條自重，屋面恒荷載按照0.3kN/m2（垂直于屋面）取值，程序自動(dòng)計(jì)算網(wǎng)架自重。

2）屋面活荷載按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 5009-2012）[5]取0.5kN/m2。

3）基本雪壓0.3kN/m2。

4）基本風(fēng)壓0.5kN/m2。

5）抗震設(shè)防分類(lèi)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)，設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g。

場(chǎng)地特征周期為0.40s。

1.2結(jié)構(gòu)受力分析

表1　網(wǎng)架的形式和幾何尺寸

在荷載作用下按照荷載規(guī)范進(jìn)行荷載組合，兩個(gè)模型具有以下特點(diǎn)，鋼管混凝土柱支承結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）與鋼管支承結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）受到水平柱底內(nèi)力FX，F(xiàn)Y相差不大，F(xiàn)Z方向豎向力大小有差別是由于鋼管柱和鋼柱材質(zhì)差異，容重不同所致；兩模型在圖3~4中（選取網(wǎng)架中部桿件），上弦桿、下弦桿受力大小基本相同，網(wǎng)架腹桿受力有差異，鋼管柱模型腹桿要比鋼管混凝土柱模型腹桿受力大25%（單元2049）~38%（單元2775）之間.桿件對(duì)比中除了個(gè)別內(nèi)力不同，其大部分受力大小及方向相同，鋼管混凝土柱支承結(jié)構(gòu)最大位移（見(jiàn)圖3）為170mm，鋼管支承結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）最大位移為158mm，兩者均滿(mǎn)足《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JGJ7-91）[6]第2.0.17條中撓度小于240mm的要求。

表2　主要桿件截面尺寸

圖1　鋼管砼柱模型桿件內(nèi)力

圖2　鋼管柱模型桿件內(nèi)力

圖3　鋼管砼柱模型位移等值線圖

1.3結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

本工程采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振型分解反應(yīng)譜法（CQC），進(jìn)行小震作用下的彈性分析，分別計(jì)算出結(jié)構(gòu)X、Y向地震作用。鋼管混凝土柱支承結(jié)構(gòu)，X向最大位移DXmax=66mm，層間位移角1/303（見(jiàn)圖5），Y向最大位移DYmax=29mm，層間位移角1/689，鋼管柱支承結(jié)構(gòu)DXmax=28mm，（見(jiàn)圖6）層間位移角1/714，鋼管柱支承結(jié)構(gòu)DYmax=44mm，層間位移角1/454，以上結(jié)果均滿(mǎn)足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]（GB50011-2010）表5.5.1要求小于1/300的要求。

圖4　鋼管柱模型位移等值線圖

圖5　鋼管砼柱模型X向位移

圖6　鋼管柱模型X向位移

結(jié)構(gòu)周期及振型對(duì)比：兩種模型前3振型計(jì)算模態(tài)，周期比，自振周期等關(guān)鍵參數(shù)鋼管混凝土支承結(jié)構(gòu)見(jiàn)表3，鋼管支承結(jié)構(gòu)見(jiàn)表4。

從表3、表4可以得出鋼管混凝土柱支承模型即結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期（也稱(chēng)第一扭振周期）Tt（2.2139），平動(dòng)為主的第一自振周期（也稱(chēng)第一側(cè)振周期）T1（1.8694）。鋼管混凝土柱模型周期比：1.8694/2.2139=0.844鋼管柱支承模型即結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期（也稱(chēng)第一扭振周期）Tt（0.8746），平動(dòng)為主的第一自振周期（也稱(chēng)第一側(cè)振周期）T1（1.0788）。鋼管混凝土柱模型周期比：0.8746/1.0788=0.844。綜上，根據(jù)圖13~18兩種結(jié)構(gòu)形式，都在第一、第二振型都為平動(dòng)，第三振型都為扭轉(zhuǎn)，鋼管混凝土柱模型與鋼柱模型都滿(mǎn)足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[7]（GB50011-2010）的要求不大于0.90。

表3　鋼管混凝土支承結(jié)構(gòu)

表4　鋼管支承結(jié)構(gòu)

2　結(jié)構(gòu)桿件設(shè)計(jì)結(jié)果及對(duì)比

1）分別選取兩種模型邊跨中部、中間位置的上弦桿（節(jié)點(diǎn)號(hào)2192、2524、2622）見(jiàn)圖7，下弦桿（節(jié)點(diǎn)號(hào)4848、5113、5397）、腹桿（節(jié)點(diǎn)號(hào)23、143、239）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表5所示。

2）對(duì)鋼管混凝土柱及鋼管柱進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)表6。

由圖9、圖10可得，當(dāng)采用鋼管柱時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比95.4剛好能滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]（GB50017-2003）第5.3.8表注3，長(zhǎng)細(xì)比不宜大于100的要求，鋼管混凝土柱滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

表5　兩種模型上弦桿、腹桿、下弦桿關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力對(duì)比

表6　兩種模態(tài)下柱強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算

圖7　上弦桿

圖8　下弦桿

圖9　鋼管柱支承驗(yàn)算結(jié)果

圖10　鋼管砼柱支承驗(yàn)算結(jié)果

3　兩種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性比較

采用軟件自帶的工程量統(tǒng)計(jì)功能，鋼管混凝土柱模型共用Q345鋼材426.4t，混凝土218m3鋼管混凝土柱模型共用Q345鋼材426.4t，鋼材綜合單價(jià)按照4000元/t、混凝土按照400元/m3來(lái)計(jì)算，節(jié)約造價(jià)約37%。

4　結(jié)語(yǔ)

1）兩種模型在相同荷載的作用下，兩模型網(wǎng)架腹桿受力有差異，鋼管柱模型腹桿要比鋼管混凝土柱模型腹桿受力大25%，所以鋼管柱模型計(jì)算出來(lái)的腹桿要偏于安全。

2）兩種模型在相同荷載的作用下，鋼管柱模型由于鋼柱截面較大在抗側(cè)力相對(duì)鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)要好，但是在鋼柱能滿(mǎn)足長(zhǎng)細(xì)比的情況下，抗側(cè)剛度又有富裕量，說(shuō)明鋼管柱偏于浪費(fèi)。

3）由于本工程對(duì)DX方向的位移控制得較嚴(yán)，在實(shí)際工程中支座還考慮水平位移的量，為了增大X向抗側(cè)力剛度，所以造成角柱部位的鋼管混凝土柱斷面偏大，建議在實(shí)際工程中可以根據(jù)支座的類(lèi)型對(duì)此進(jìn)行調(diào)整。

4）鋼管柱模型中20m高的直徑1200mm鋼管柱，加工、吊裝、校正、難度較大、基礎(chǔ)部分設(shè)計(jì)也會(huì)造成浪費(fèi)。

5）當(dāng)房屋高度非常高，采用獨(dú)立柱支撐屋頂網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的情況下由于受柱長(zhǎng)細(xì)比限制，在安全性不受影響的情況下采用鋼管混凝土柱具有巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

［1］董石鱗，李元齊.三峽水電站左岸廠房上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體分析［J］.空間結(jié)構(gòu)，2000.

［2］周越洲，吳敬偉.鋼管混凝土柱與普通混凝土柱的經(jīng)濟(jì)比較［J］.廣東土木與建筑，2004.

［3］曹資，張超，張毅剛，薛素鐸，網(wǎng)殼屋蓋與下部支承結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究［J］.空間結(jié)構(gòu)，2001.

［4］鞏玉發(fā)，殷志詳、張世昆.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及極限分析［J］.阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994.

［5］GB5009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出

版社，2012.

［6］JGJ7-91，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)

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［7］GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［8］GB50011-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［9］沈祖炎.網(wǎng)架與網(wǎng)殼［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1998.

［10］劉錫良，韓慶華.網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2004.

［11］沈世釗，陳昕.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［M］.北京：科學(xué)出版社，1999.

TU93+1

A

1673-1093（2015）10-0072-05

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.10.016

蔡明喜（1978），男，甘肅人，高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院建筑工程專(zhuān)業(yè)。

2015-05-24；

2015-06-05