基于sap2000的煤粉計(jì)量樓歐標(biāo)設(shè)計(jì)研究

高子磊 高宇航 王長(zhǎng)燕 周欣麗

（1北京凱盛建材工程有限公司，北京 100024；2中昌慧建工程管理集團(tuán)有限公司，北京 100021）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)全環(huán)化以及我國(guó)改革開放40年的發(fā)展，我國(guó)承接了越來越多的國(guó)際工程，面對(duì)的業(yè)主也越來高端，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)公司得到了鍛煉，建造和設(shè)計(jì)水平越來越高。本文結(jié)合埃及赫勒萬水泥技改項(xiàng)目中煤粉計(jì)量樓，采用歐洲規(guī)范，從模型建立到荷載輸入，再到設(shè)計(jì)結(jié)果分析，做了一些簡(jiǎn)要說明，并就中歐設(shè)計(jì)的異同做了一些小結(jié)，希望對(duì)類似工業(yè)建筑設(shè)計(jì)能有參考作用。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景及自然條件

本項(xiàng)目位于埃及赫勒萬省，業(yè)主方為德國(guó)海德堡水泥集團(tuán)，我方為總承包方，負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工及調(diào)試工作。本項(xiàng)目的業(yè)主對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了全面應(yīng)用歐洲規(guī)范的要求。

1.2 煤粉計(jì)量樓概況

煤粉計(jì)量樓的建筑和結(jié)構(gòu)分析3D模型如圖1和圖2所示，由三層混凝土框架結(jié)構(gòu)和一層鋼框架結(jié)構(gòu)組成，采用獨(dú)立基礎(chǔ)形式，埋深2m。一層為煤粉計(jì)量設(shè)備房和空壓機(jī)房，二層為電氣室，三層為煤粉鋼倉(cāng)直接承壓受力層，四層為鋼結(jié)構(gòu)檢修平臺(tái)；總體建筑尺寸為13.0m*14.0m，頂層高度20.0m，局部最高處22.0m。

一至三層為混凝土框架梁-柱承重體系，墻體為空心砌塊填充墻；四層為鋼框架-支撐體系，在層高一半處拉一道橫梁以減小鋼柱長(zhǎng)細(xì)比和控制柱頂位移，樓面為滿鋪格柵板；建筑物側(cè)面設(shè)置獨(dú)立樓梯間，采用輕巧的水平角鋼支撐和豎向角鋼支撐體系，在保證煤粉車間樓梯安全貫通性的同時(shí)，盡量經(jīng)濟(jì)合理（見表1）。

本結(jié)構(gòu)兩種模型的建立：1）應(yīng)業(yè)主要求，采用sap2000軟件建立；2）為對(duì)比分析方便，采用國(guó)內(nèi)軟件YJK建立；本文分析說明中以sap2000為主，YJK做輔助說明分析。

圖1 計(jì)量樓建筑BIM模型

圖2 計(jì)量樓結(jié)構(gòu)3D分析模型

表1 建筑各層信息

2 荷載工況

2.1 樓面與屋面恒荷載、活荷載

本結(jié)構(gòu)的恒荷載主要是各層樓面板、屋面板、梁、柱的自重，以及鋼結(jié)構(gòu)自重。各層樓面活荷載除二層電氣室房間取用10.0KN/m2外，其他樓面及屋面均為5.0KN/m2。

2.2 設(shè)備荷載

各層樓面、屋面與外部廊道銜接處的鋼支架荷載、管道支點(diǎn)荷載、兩個(gè)煤粉鋼倉(cāng)荷載等均考慮為設(shè)備荷載，分為恒荷載與活荷載。各層的設(shè)備荷載情況（見表2）。

表2 樓層主要設(shè)備荷載

2.3 風(fēng)荷載

考慮建筑體型系數(shù)（0.8和-0.5）、風(fēng)壓高度系數(shù)后，按照30km/h的基本風(fēng)速，本項(xiàng)目風(fēng)荷載按照90.0kg/m2考慮，分X、Y兩個(gè)方向，按照封閉墻體和敞開框架迎風(fēng)面積不同，將風(fēng)荷載分配到相應(yīng)框架柱上。如圖3、圖4所示。

2.4 地震荷載

本項(xiàng)目位置在北非埃及地區(qū)，所以國(guó)家參數(shù)選擇“其他”（非歐洲本土）。按業(yè)主要求，場(chǎng)地類別為B類，反應(yīng)譜類型1類，場(chǎng)地加速度0.15g。具體地震參數(shù)見表3。

圖3 +x方向風(fēng)荷載

圖4 +y方向風(fēng)荷載

表3 地震荷載參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

3.1 混凝土主框架分析及設(shè)計(jì)

3.1.1 質(zhì)量與周期

表4顯示了應(yīng)用兩款軟件得到的建筑物的總質(zhì)量和周期的差值總體小于3%，表明分析結(jié)果可靠。第一周期對(duì)應(yīng)為X方向一階平動(dòng)，第二周期對(duì)應(yīng)振型為Y方向一階平動(dòng)，第三周期為第一扭轉(zhuǎn)振型。

經(jīng)分析該模型周期比約為0.46，結(jié)構(gòu)總體抗側(cè)構(gòu)件分布較均勻。

表4 質(zhì)量與周期對(duì)比

3.1.2 柱底剪力與彎矩

以1軸與A軸相交處的框架柱為例，對(duì)比該柱的風(fēng)荷載、地震荷載作用下的柱底剪力和彎矩。由表5可知，柱底剪力值總體相差在5%以內(nèi)；由于sap2000按要求建模為柱底鉸接，而YJK為常規(guī)柱底剛接，所以sap2000結(jié)果為0，因此柱底彎矩不作對(duì)比，僅顯示YJK結(jié)果。

表5 柱底剪力與彎矩

鑒于以上對(duì)比結(jié)果，兩款軟件的對(duì)比結(jié)果基本具有一致性，具有一定的可靠度。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)

3.2.1 柱頂位移

仍以1軸與A軸交接處的鋼柱為例，分析頂層鋼框架的柱頂位移，如表6所示。

表6 鋼柱底剪力與彎矩

經(jīng)分析，該鋼框柱的柱側(cè)層間位移角均很小，小于1/800，層間位移可靠，符合規(guī)范要求。

3.2.2 桿件應(yīng)力比

圖5 頂層鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比

Sap2000對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)桿件的分析和設(shè)計(jì)相比混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)勢(shì)，包括桿件的長(zhǎng)細(xì)比、強(qiáng)度計(jì)算、整體穩(wěn)定性、平面內(nèi)穩(wěn)定性、平面外穩(wěn)定性均能直觀地計(jì)算并輸出結(jié)果，而且能根據(jù)已知?jiǎng)澏ǖ臈U件截面庫(kù)進(jìn)行優(yōu)化篩選設(shè)計(jì)。從圖5看出，本模型中的桿件應(yīng)力比基本小于0.7。

3.2.3 鋼樓梯間設(shè)計(jì)

本車間因儲(chǔ)存煤粉，從防爆及防火角度考慮，設(shè)置單獨(dú)上下貫通式樓梯間。采用新穎的單榀鋼支架結(jié)構(gòu)，輕巧簡(jiǎn)約；為保證結(jié)構(gòu)平面內(nèi)穩(wěn)定性，采用雙角鋼L100*10作為豎向支撐，與樓梯平臺(tái)同步上升；同時(shí)為保證結(jié)構(gòu)平面外穩(wěn)定性，采用雙角鋼L60*5作為水平支撐在每一層樓面下方與主體結(jié)構(gòu)相連接。

4 中歐規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)異同

中歐規(guī)范設(shè)計(jì)，大到各行各業(yè)，小到各個(gè)項(xiàng)目，目前仍有很大空間進(jìn)行對(duì)比和研究，本文僅對(duì)本車間，從以下幾個(gè)方向，結(jié)合設(shè)計(jì)中遇到的一些實(shí)際進(jìn)行有側(cè)重的說明。

4.1 一般荷載取值偏大

本項(xiàng)目荷載取值按歐標(biāo)取值，除設(shè)備荷載按工藝要求外，其他常見的樓面活荷載取值相對(duì)于國(guó)標(biāo)普遍偏大，其安全可靠度更高。如工業(yè)建筑普通樓面活荷載國(guó)內(nèi)取4.0kN/m2，歐標(biāo)取5.0kN/m2；普通鋼平臺(tái)上人檢修荷載，國(guó)內(nèi)常見值為2.0-3.0kN/m2，本項(xiàng)目取值為5.0kN/m2；鋼通廊走道板活荷載，國(guó)內(nèi)常見取值為2.0kN/m2，本項(xiàng)目取值為3.5kN/m2。

4.2 荷載組合及分項(xiàng)系數(shù)不同

4.2.1 中國(guó)規(guī)范

按中國(guó)結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 5009—2012）規(guī)定，對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，按荷載的基本組合計(jì)算荷載組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值按公式（1）計(jì)算：

由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值應(yīng)按公式（2）計(jì)算：

其中永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.2，對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.35；當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，取值不應(yīng)大于1.0。

對(duì)可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)可變荷載對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載應(yīng)取1.3，其他情況應(yīng)取1.4；當(dāng)可變荷載對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)應(yīng)取0。

4.2.2 歐洲規(guī)范

歐洲設(shè)計(jì)規(guī)范（EN 1990： 2002）規(guī)定，在承載能力極限狀態(tài)下，持久或短暫設(shè)計(jì)的基本組合的通用公式：

其中，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)應(yīng)取1.35；當(dāng)永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)應(yīng)取1.0?？勺兒奢d分項(xiàng)系數(shù)，當(dāng)可變荷載對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)應(yīng)取1.5，當(dāng)可變荷載對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)應(yīng)取0。

4.3 結(jié)構(gòu)分析異同

由于混凝土結(jié)構(gòu)不同于力學(xué)計(jì)算中的理想結(jié)構(gòu)，如由鋼筋和混凝土兩種材料組成，混凝土開裂后剛度降低，構(gòu)件的塑性會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生重分布，不能直接采用經(jīng)典力學(xué)方法，而是根據(jù)混凝土的特點(diǎn)進(jìn)行修改，我國(guó)規(guī)范和歐標(biāo)均可按線彈性方法、考慮內(nèi)力重分布的分析方法和塑性分析方法。

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的二階效應(yīng)，國(guó)標(biāo)只考慮有側(cè)移的情況，歐標(biāo)設(shè)計(jì)按無側(cè)移和有側(cè)移兩種情況考慮。國(guó)標(biāo)和歐標(biāo)均可直接通過考慮幾何非線性效應(yīng)的分析方法計(jì)算，也可在一階分析基礎(chǔ)上，考慮彎矩增大系數(shù)；但國(guó)標(biāo)彎矩增大系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)便，歐標(biāo)計(jì)算較復(fù)雜，計(jì)算中與鋼筋的面積有關(guān)。

4.4 基礎(chǔ)設(shè)置不同

以本模型為例，國(guó)標(biāo)的獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，往往基礎(chǔ)設(shè)置在-2.0米標(biāo)高，地梁設(shè)置在室外地坪處即-0.2米處，兩者有一定的高差；歐標(biāo)設(shè)計(jì)中，往往將地梁底標(biāo)高設(shè)置在與基底平齊的高度，兩者無高差。前者地梁屬于框架梁的概念，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮箍筋加密等情況；后者地梁屬于基礎(chǔ)拉梁的概念，不考慮箍筋加密。在柱底設(shè)計(jì)時(shí)，前者的柱底往往置為柱與獨(dú)基剛接，而后者的柱底在sap2000中設(shè)置為柱與獨(dú)基鉸接。前者混凝土和鋼筋用量大于后者，但如果一層為封閉建筑，則前者砌塊使用量少于后者。

5 結(jié)語(yǔ)

歐洲規(guī)范作為國(guó)際上出現(xiàn)較早、影響很深的規(guī)范，在世界上相當(dāng)一部分地區(qū)得到了很廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用；中國(guó)的工程公司作為“一帶一路”的執(zhí)行者和受益者，應(yīng)加快研究、使用歐洲規(guī)范的步伐，在提升工程人員自身素質(zhì)的同時(shí)，為企業(yè)和國(guó)家創(chuàng)造更多效益。