煤廠鋼結(jié)構(gòu)主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

丁海方

(中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司,天津 300120)

1 工程概況

廠房建筑高度21.8 m，設(shè)置一臺(tái)20/5 t橋式起重機(jī)，下部各層布置有工藝設(shè)備，樓面板采用鋼格柵板。廠房三維空間布置如圖1所示。

圖1 廠房三維空間簡(jiǎn)圖

2 計(jì)算模型建立

2.1 建模注意問(wèn)題

(1) 計(jì)算分析模型建立的正確與否對(duì)后續(xù)的構(gòu)件設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，由于PKPM-SATWE模塊是基于層概念來(lái)進(jìn)行模型建立。其風(fēng)荷載倒算是搜索計(jì)算模型每一層的外圍輪廓然后按照其側(cè)向投影面進(jìn)行倒算。由于頂部帶坡屋面的存在，層高輸入時(shí)應(yīng)以屋脊處最高點(diǎn)作為層高輸入，檐口處的柱頂通過(guò)降低節(jié)點(diǎn)高度的辦法來(lái)建立坡屋面，這樣就能避免風(fēng)荷載倒算時(shí)的錯(cuò)誤。

(2) 屋面結(jié)構(gòu)一般均采用的是輕質(zhì)的壓型鋼板或者彩鋼夾芯板屋面，在屋面恒載輸入時(shí)應(yīng)注意程序默認(rèn)的導(dǎo)荷方式為45°塑性角導(dǎo)荷，與實(shí)際的屋面板通過(guò)檁條向屋面梁的傳遞方式不一致，需要人工修改導(dǎo)荷方式為對(duì)邊傳導(dǎo)。

(3) 屋面系桿輸入時(shí)應(yīng)注意，屋面系桿如按照斜桿方式輸入，PKPM-SATWE程序無(wú)法識(shí)別屋面邊界,無(wú)法形成屋面封閉以致無(wú)法導(dǎo)算荷載，因此系桿應(yīng)按梁?jiǎn)卧斎?，這樣程序才能正確識(shí)別并形成閉合的屋面板，才能正確地倒算傳遞屋面荷載[1]。

2.2 荷載輸入注意問(wèn)題

(1)對(duì)于自定義的恒載屬性的設(shè)備荷載程序進(jìn)行計(jì)算時(shí)，當(dāng)考慮施工順序模擬時(shí)其是在整體結(jié)構(gòu)剛度矩陣形成后的一次性加載，與實(shí)際情況較為符合。如不自定義為恒載工況，按普通恒載且考慮施工模擬時(shí)，這時(shí)候是在結(jié)構(gòu)每一層形成剛度矩陣后加載荷載，這種模式一般適用于高層建筑或者層比較明顯的結(jié)構(gòu)，但對(duì)于選煤廠主廠房這種結(jié)構(gòu)則不適用。

(2) 對(duì)于風(fēng)荷載輸入問(wèn)題，一般的結(jié)構(gòu)我們按照軟件默認(rèn)的參數(shù)風(fēng)計(jì)算即可，但是對(duì)于這種廠房結(jié)構(gòu)，由于頂部為門式剛架結(jié)構(gòu)存在坡屋面，需要考慮風(fēng)吸力作用，這種情況下普通的參數(shù)風(fēng)就不能完全適應(yīng)，需要對(duì)風(fēng)荷載進(jìn)行精細(xì)化處理?？梢圆捎贸绦騼?nèi)置的特殊風(fēng)荷載來(lái)考慮[2]。

(3)風(fēng)荷載倒算過(guò)程中應(yīng)注意程序提供了傳統(tǒng)方式和精細(xì)方式兩種風(fēng)荷載倒算方式，如圖2所示。

圖2 特殊風(fēng)計(jì)算時(shí)倒算的兩種方式

這兩種方式的主要區(qū)別是:傳統(tǒng)方式將結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面或者背面的風(fēng)壓或者風(fēng)吸力以節(jié)點(diǎn)荷載的方式倒算到結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，如有剛性板存在則直接施加到質(zhì)心上；精細(xì)方式是將結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面或者背面的風(fēng)壓或者風(fēng)吸力以均布荷載的方式倒算到結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件上。一般情況建議采用精細(xì)方式進(jìn)行風(fēng)荷載倒算，對(duì)于柱構(gòu)件來(lái)說(shuō)這兩種導(dǎo)荷方式區(qū)別很大，以一個(gè)高L的單柱來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。傳統(tǒng)方式倒算風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩作用為P×L，P基本風(fēng)壓×風(fēng)荷載導(dǎo)荷面積，L為柱高；精細(xì)方式倒算風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩作用為0.5×q×L2，q=基本風(fēng)壓×風(fēng)荷載導(dǎo)荷面積，L為柱高?？梢钥闯?對(duì)于柱來(lái)說(shuō),不同的倒算方式產(chǎn)生的作用差別很大。

3 計(jì)算設(shè)計(jì)中需注意的要點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)類型的準(zhǔn)確定義

這種類型的鋼結(jié)構(gòu)廠房,嚴(yán)格來(lái)說(shuō)在規(guī)范中并沒(méi)有嚴(yán)格符合的結(jié)構(gòu)類型，相對(duì)來(lái)說(shuō)其與多層鋼結(jié)構(gòu)廠房符合度較高，如長(zhǎng)細(xì)比控制、寬厚比、強(qiáng)柱弱梁調(diào)整這些指標(biāo)，因此在結(jié)構(gòu)類型選擇時(shí)應(yīng)注意按照多層鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行控制。

3.2 構(gòu)件類型的準(zhǔn)確定義

對(duì)于下部的框架結(jié)構(gòu)部分，一般情況下程序都能正確識(shí)別，無(wú)須人工干預(yù)，但是對(duì)于頂部的門式剛架部分，計(jì)算程序是無(wú)法正確識(shí)別的，需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行人工指定。特別是對(duì)于門式鋼梁一定要進(jìn)行人工指定，否則計(jì)算程序按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的純彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，將構(gòu)件中的軸力丟掉，只進(jìn)行受彎承載力驗(yàn)算。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于門式鋼梁，由于屋面存在一定坡度，梁構(gòu)件中往往存在軸力，這與普通平層結(jié)構(gòu)由于有樓板的約束一般梁構(gòu)件中的的軸力很小可忽略不計(jì)的情況不同，如果忽略，對(duì)于梁構(gòu)件的安全度降低太多，同時(shí)門式鋼梁一般為了考慮經(jīng)濟(jì)性都做成了變截面形式，這時(shí)候《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的受彎構(gòu)件穩(wěn)定驗(yàn)算公式就不太適用了，應(yīng)按照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的變截面梁的穩(wěn)定承載力驗(yàn)算公式進(jìn)行驗(yàn)算[3]。

3.3 柱計(jì)算長(zhǎng)度的準(zhǔn)確指定

下部框架部分計(jì)算程序根據(jù)梁、柱線剛度比(《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄D)計(jì)算得到柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，一般情況下無(wú)須人工干預(yù)。但頂部的門式剛架部分，計(jì)算程序仍然按照上述辦法進(jìn)行柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)倒算，就會(huì)產(chǎn)生很大問(wèn)題。首先頂部鋼梁一般情況下為變截面鋼梁(《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄D)，對(duì)于這種情況完全不適用，線剛度會(huì)按照取平均的辦法進(jìn)行計(jì)算，這樣得出的結(jié)果一般是錯(cuò)誤的。同時(shí)，由于面外方向?yàn)閮啥算q接的系桿，鉸接桿件對(duì)柱面外方向的約束基本為0，這樣程序就會(huì)得出一個(gè)很大的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，這與實(shí)際情況是不符合的。實(shí)際上，門式剛架的面外方向是通過(guò)剛性系桿加柱間支撐的桁架體系來(lái)傳遞面外方向的荷載并提供面外支撐剛度，而三維計(jì)算分析時(shí)計(jì)算程序是無(wú)法識(shí)別這種情況的，因此需要設(shè)計(jì)人員人工干預(yù)。一般采用的辦法是根據(jù)頂部門式剛架部分的梁柱斷面建立一榀二維門剛模型計(jì)算得到長(zhǎng)度系數(shù)。

上述辦法僅僅適用于下部框架比較規(guī)則的情況，如果工藝布置的原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)中存在大量的躍層柱、大開(kāi)洞、錯(cuò)層等情況，實(shí)際上是不適用的。傳統(tǒng)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)辦法，也就是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄D提供的辦法只適合柱距規(guī)則、各個(gè)柱之間的荷載較為均勻的情況，當(dāng)柱距不規(guī)則、層不明顯、各個(gè)柱間荷載差距較大時(shí)，應(yīng)用梁柱線剛度比的辦法來(lái)模擬梁對(duì)柱的約束，或者各個(gè)柱之間互相提供約束的辦法來(lái)計(jì)算構(gòu)件的穩(wěn)定，以保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，已經(jīng)無(wú)法得出準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文為筆者在實(shí)際工作中進(jìn)行此類結(jié)構(gòu)的建模分析設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于一些建模、計(jì)算、設(shè)計(jì)過(guò)程的疑惑或者注意要點(diǎn)的一些體會(huì)，可為其他設(shè)計(jì)人員使用軟件和理解規(guī)范提供一定的幫助，不當(dāng)之處和不足之處希望廣大同行予以批評(píng)指正。