某高層鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

張 海 義

(南寧市建筑設計院，廣西 南寧 530000)

1 工程概況

某廠房為丙類生產(chǎn)廠房，平面呈矩形，長×寬為70.7 m×121 m，地上5層，其中首層層高9 m，其余各層層高均為5.4 m，建筑高度32.2 m。該工程結(jié)構(gòu)設計基準期50年，安全等級二級，抗震設防烈度6度，地震分組第一組，場地類別Ⅱ類，場地特征周期0.35 s，抗震設防分類為丙類，50年一遇基本風壓0.35 kN/m2。樓層使用活荷載為5 kN/m2。典型柱網(wǎng)尺寸為10 m×10 m。適用的主要鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范為GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[1]及JGJ 99—98高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程[2]。根據(jù)地方相關政策及業(yè)主設計任務書要求，廠房采用鋼結(jié)構(gòu)。

2 原結(jié)構(gòu)設計

原設計采用鋼框架結(jié)構(gòu)，鋼材采用Q345B，采用箱形柱，焊接H型鋼梁，鋼筋桁架樓承板。典型柱截面由750×750×22×22漸變?yōu)?00×400×12×12，梁截面見表1，鋼筋桁架樓承板板厚為120 mm。局部典型結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。主要的結(jié)構(gòu)整體參數(shù)如表2所示。

表1 梁截面尺寸

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

原設計采用鋼框架結(jié)構(gòu)，框架柱截面由剛度比限制，軸壓比、強度及穩(wěn)定應力比均有較大富余。除ZL2外，其余梁應力比比較合理。根據(jù)本項目特點，特別是考慮首層層高較高(9 m)，提出采用鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)的方案，并取得建設方的同意。優(yōu)化后的設計仍采用箱形柱，焊接H型鋼梁，鋼筋桁架樓承板。典型柱截面由600×600×18×18漸變?yōu)?00×400×12×12，梁截面見表3，鋼筋桁架樓承板同原設計。增加的支撐采用中心支撐，主要布置在建筑的角部，共設8處，見圖2。首層采用十字交叉斜桿，截面為箱形400×400×14×14，其余樓層采用人字斜桿，截面為HW300×300×10×15，支撐立面如圖3所示。主要的結(jié)構(gòu)整體參數(shù)如表4所示。

表2 鋼框架結(jié)構(gòu)整體參數(shù)及主要構(gòu)件應力比

表3 優(yōu)化后梁截面尺寸

梁編號(部位)ZL1a(X向框架梁)ZL2a(Y向框架梁)CL1a(Y向次梁)截面BH700×330×12×20BH550×200×8×12BH550×200×8×12

表4 鋼框架結(jié)構(gòu)整體參數(shù)及主要構(gòu)件應力比

自振周期/s周期平動系數(shù)(X+Y)扭轉(zhuǎn)系數(shù)T1=2.262%+97%0T2=2.0398%+2%0T3=1.430+0100%周期比Tt/T1=0.63剛度比X方向最小剛度比:1.08>1.0(1F)Y方向最小剛度比:1.21>1.0(1F)剛重比X:16.95Y:13.05樓層抗剪承載力比X:0.96Y:0.95剪重比/%X:0.88Y:0.85地震作用最大層間位移角X:1/1 934Y:1/1 614風荷載最大層間位移角X:1/1 899Y:1/3 002規(guī)定水平力最大扭轉(zhuǎn)位移比X:1.26Y:1.19最大軸壓比0.57最大質(zhì)量比1.23框架柱承擔的傾覆力矩/%X:47.2;Y:40.3鋼柱應力比強度:0.75平面內(nèi)穩(wěn)定:0.87平面外穩(wěn)定:0.81鋼梁強度應力比ZL1a0.82ZL2a0.68CL1a0.91

4 對比分析

4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能

通過上述周期對比，可以看出優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)剛度更大，兩個方向動力特性更加接近，扭轉(zhuǎn)效應也明顯降低。

同時，優(yōu)化后梁柱的應力比也更加經(jīng)濟合理。不過，總體而言前后兩個方案剛度都偏大，建筑的位移角遠小于規(guī)范限值1/250。

鋼框架支撐體系是一種理想的抗側(cè)力體系，它是在鋼框架體系的基礎上演變而來的，即在框架體系中的某一跨或某幾跨間，沿框架豎向設置由框架梁、柱和支撐斜桿共同構(gòu)成的支撐桁架，與鋼框架一起共同承擔側(cè)向荷載。在水平力的作用下，支撐桿件只承受拉壓軸向力，并通過樓板的變形協(xié)調(diào)與剛接框架共同工作，形成雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系[3]。

該體系具有較大抗側(cè)剛度，保證了正常使用極限狀態(tài)要求，在常遇地震作用下能有效防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞[4]。

4.2 用鋼量對比

由于前后方案在樓板、墻板方面基本一致，主要對比柱、支撐及梁的用鋼量情況。

表5 用鋼量對比

由表5可以看出，優(yōu)化后的主要材料用量節(jié)省了約17%，同時由于本工程的耐火等級為一級，鋼柱采用厚型防火涂料，鋼梁、鋼支撐采用超薄型防火涂料。鋼結(jié)構(gòu)表面面積減小之后對防火涂料的費用節(jié)省明顯。

4.3 安裝及使用

鋼框架結(jié)構(gòu)由于沒有支撐影響，在使用過程及觀感上較為舒適，同時也避免了支撐的安裝，施工較為便捷。設置支撐之后，有效地減小了柱截面，增大了實際使用面積。

5 結(jié)語

該工程建筑高度為32.2 m，采用鋼框架或鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系均在適用范圍內(nèi)。原設計采用鋼框架結(jié)構(gòu)，各項指標亦能滿足規(guī)范要求，經(jīng)優(yōu)化設計后，采用鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)，有效減小了柱截面、提高了抗側(cè)剛度、改善了抗震性能，同時能節(jié)約鋼材、減少防火涂料的費用。

該工程由于首層層高為9 m，剛度要求成為決定柱截面的控制因素。通過本例說明，對于剛度要求比較敏感的小高層建筑，采用鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)能更好地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計經(jīng)濟合理的目標。