大跨度重載超長(zhǎng)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

賀星新 余 露 朱金坤 劉 斌

（南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)車間建筑結(jié)構(gòu)具有大跨度、超長(zhǎng)、重荷載、層高高、工藝要求高等特點(diǎn)，本文根據(jù)工程項(xiàng)目特點(diǎn)結(jié)合規(guī)范要求，通過(guò)合理設(shè)置結(jié)構(gòu)抗震縫、比選樓蓋結(jié)構(gòu)布置方案、樓蓋結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算，提出針對(duì)性的構(gòu)造設(shè)計(jì)和措施，以實(shí)現(xiàn)建筑使用性能優(yōu)、結(jié)構(gòu)整體經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠的目標(biāo)。

1 建筑結(jié)構(gòu)概況

現(xiàn)代工業(yè)廠房受設(shè)備工藝及生產(chǎn)流程等因素影響，尤其是信息電子生產(chǎn)組裝、汽車生產(chǎn)車間等建筑，因功能布局要求，具有柱網(wǎng)跨度大、空間廣、不設(shè)縫、荷載大且樓面振動(dòng)（微振）控制要求高等特點(diǎn)。此類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般均采用大跨度、承重荷載性能優(yōu)的超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)（見圖1）。本文分析研究的結(jié)構(gòu)為某汽車產(chǎn)業(yè)園建設(shè)項(xiàng)目中的汽車生產(chǎn)車間，項(xiàng)目總建筑面積約16萬(wàn)平方米，包含7個(gè)單體，其中辦公樓一棟，其余為汽車配件生產(chǎn)工業(yè)建筑。本文以其中一棟大型零件生產(chǎn)車間為例，車間無(wú)地下室共3層，總高21.450 m，建筑平面尺寸為120m×120m，一至三層為工業(yè)生產(chǎn)車間，屋面為停車場(chǎng)。建筑北側(cè)設(shè)計(jì)有兩個(gè)配合生產(chǎn)及屋面配套使用的汽車坡道。

圖1 生產(chǎn)車間結(jié)構(gòu)分析三維模型示意圖

由圖1可知，該生產(chǎn)車間結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)柱跨距為20m，整體平面柱網(wǎng)尺寸X向?yàn)?×20m，Y向?yàn)?×20m，建筑平面尺寸約120m，屬于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。建筑層高從下而上分別為9.450m、6.0m、6.0m；樓面荷載根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，活載不小于10kN/m2，遠(yuǎn)大于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）中一般工業(yè)廠房樓面荷載4.0kN/m2的要求，屋面按照單層停車場(chǎng)要求活載取值4.0 kN/m2設(shè)計(jì)；根據(jù)建筑面層做法樓面及屋面附加恒載取值2.5 kN/m2及5.0 kN/m2。工程所在地區(qū)地震設(shè)防烈度為7度（0.1g），地震分組為一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35s。結(jié)構(gòu)具有跨度大、樓面活載大，平面尺寸超長(zhǎng)等特點(diǎn)，且生產(chǎn)工藝要求較高，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了一定的要求。

2 結(jié)構(gòu)布置及樓蓋結(jié)構(gòu)布置方案比選

為提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，考慮生產(chǎn)設(shè)備存在循環(huán)振動(dòng)荷載，樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇采用普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。樓蓋混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，平面柱網(wǎng)較為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)尺寸為20m×9m，由于柱網(wǎng)兩方向尺寸相差較大，對(duì)樓板傳力接近于單向板受力，為優(yōu)化樓面布置，對(duì)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)進(jìn)行兩種結(jié)構(gòu)布置方案比選：方案一，單向雙次梁結(jié)構(gòu)；方案二，單向單次梁結(jié)構(gòu)；樓蓋方案示意圖見圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)樓蓋比選方案示意

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大跨度結(jié)構(gòu)的豎向荷載一般為控制工況，高強(qiáng)鋼筋對(duì)控制結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量及減少梁截面鋼筋量有較好的效果，目前市場(chǎng)中HRB500強(qiáng)度以上的鋼筋供貨緊張且單價(jià)較高，故另增加進(jìn)行梁縱向受力鋼筋等級(jí)分別采用HRB400及HRB500方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行用鋼量比較分析。采用PKPM-SATWE軟件，對(duì)兩種次梁布置方案在相同實(shí)際樓面恒活載作用下的截面及配筋設(shè)計(jì)，主要梁板構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸及單位面積用鋼量比較結(jié)果如表1所示。

表1 不同樓蓋方案主要構(gòu)件尺寸及用鋼量結(jié)果表

通過(guò)比較樓蓋布置方案的鋼筋及混凝土用量，方案一：?jiǎn)慰珉p次梁方案的綜合用鋼量及混凝土用量更優(yōu)，經(jīng)濟(jì)性更好，且大跨梁高相對(duì)較小，增大了生產(chǎn)空間的凈高，故工程實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)單跨雙次梁方案布置。

基于結(jié)構(gòu)梁縱向受力鋼筋采用不同強(qiáng)度等級(jí)鋼筋設(shè)計(jì)的分析結(jié)果對(duì)比，梁縱向受力鋼筋采用高強(qiáng)鋼筋HRB500，能較為明顯地控制結(jié)構(gòu)用鋼量，減小縱筋配筋數(shù)量，便于現(xiàn)場(chǎng)混凝土施工質(zhì)量的控制，但由于高強(qiáng)鋼筋HRB500價(jià)格略高于HRB400，對(duì)于非縱向受力鋼筋：如梁箍筋、樓板鋼筋及梁構(gòu)造架立鋼筋等鋼筋采用HRB400有效的控制成本，結(jié)果表明，對(duì)梁縱向受力鋼筋直徑18mm及以上鋼筋采用HRB500鋼筋，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)且便于現(xiàn)場(chǎng)施工管理控制。

3 結(jié)構(gòu)布置及結(jié)構(gòu)縫布置分析

建筑功能需要在建筑平面北側(cè)布置有兩個(gè)汽車坡道，結(jié)構(gòu)布置平面示意詳圖3，由于北側(cè)汽車坡道布置采用梁板式結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)時(shí)須考慮斜撐構(gòu)件或樓梯構(gòu)件等對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。針對(duì)坡道結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)是否設(shè)置結(jié)構(gòu)縫進(jìn)行兩種方案對(duì)比：方案A，坡道結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)不分縫；方案B，坡道結(jié)構(gòu)形成單獨(dú)結(jié)構(gòu)體與主體結(jié)構(gòu)脫開；結(jié)構(gòu)縫示意詳圖3中虛線。采用PKPM-SATWE軟件對(duì)兩種結(jié)構(gòu)布置方案進(jìn)行整體對(duì)比分析，兩種方案計(jì)算指標(biāo)結(jié)果的結(jié)構(gòu)質(zhì)量比、最小剪重比、剛重比、層剛度比及層受剪承載力比等均滿足規(guī)范要求，其他主要整體指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表2。

圖3 車間結(jié)構(gòu)平面示意圖

表2 坡道分縫與不分縫結(jié)構(gòu)方案計(jì)算整體指標(biāo)對(duì)比表

主體結(jié)構(gòu)下無(wú)地下室結(jié)構(gòu)，首層不設(shè)置結(jié)構(gòu)板，在原狀土上分層壓實(shí)后澆筑適當(dāng)厚度的建筑地坪，以滿足首層設(shè)備安裝及使用要求?；A(chǔ)頂面標(biāo)高設(shè)置在首層地面下800mm處，豎向結(jié)構(gòu)層高分布分別為10.25m、6.0m、6.0m，豎向?qū)痈咦兓^大，首層容易形成薄弱層或軟弱層，設(shè)計(jì)時(shí)將首層框架柱加大至1100mm×1100mm，二層樓面以上框架柱截面尺寸為800mm×800mm及700mm×700mm，有效控制首層剛度比及受剪承載力比等指標(biāo)，使得單體結(jié)構(gòu)剛度和受剪承載力沿高度防線均勻變化，層間剛度比及受剪承載力比滿足《抗規(guī)》要求。

基于不同結(jié)構(gòu)分縫方案的結(jié)果分析，坡道與主體結(jié)構(gòu)不分縫時(shí)，由于坡道梁對(duì)結(jié)構(gòu)整體的斜撐剛度貢獻(xiàn)，結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)中最大層間位移比與最大位移比均大于1.40，接近規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，且對(duì)主體結(jié)構(gòu)框架梁柱配筋影響較大，主體結(jié)構(gòu)與坡道交界處的豎向構(gòu)件形成錯(cuò)層，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。而結(jié)構(gòu)設(shè)縫方案計(jì)算結(jié)果中，整體指標(biāo)均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010(2016年版)的要求，結(jié)構(gòu)不存在不規(guī)則項(xiàng)情況。分析結(jié)果表明：坡道結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)設(shè)置抗震縫，形成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，豎向剛度變化均勻，平面規(guī)則且對(duì)稱，滿足相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠，布置合理，具有一定的結(jié)構(gòu)剛度及承載力。

4 裂縫控制及溫度應(yīng)力計(jì)算分析

本工程由于工藝要求生產(chǎn)車間內(nèi)不得設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，結(jié)構(gòu)平面尺寸約120m×120m，遠(yuǎn)大于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB500010-2010(2015年版)中框架結(jié)構(gòu)設(shè)伸縮縫最大長(zhǎng)度55m的限值。超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)收縮裂縫及溫度裂縫主要受施工過(guò)程中混凝土構(gòu)件收縮變形及使用階段建筑內(nèi)整體升降溫工況及室內(nèi)外溫度差等不利情況影響。因此設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合實(shí)際工程情況，為減小施工階段混凝收縮變形對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，設(shè)計(jì)時(shí)主要采取以下施工或設(shè)計(jì)構(gòu)造措施：

（1）設(shè)置施工溫度后澆帶，結(jié)構(gòu)平面兩個(gè)方向分別設(shè)置兩道寬度為800mm的后澆帶；

（2）采用補(bǔ)償收縮混凝土，在混凝土中加摻入合適比例的膨脹外加劑或聚丙烯纖維等；

（3）適當(dāng)加強(qiáng)樓板及框架梁的拉通鋼筋配筋率等。

本工程采用PMSAP軟件對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在用階段整體升降溫度應(yīng)力分析，樓板采用彈性模定義，升降溫差采用±25℃，混凝土構(gòu)件效應(yīng)折減系數(shù)為0.30，彈性模量折減系數(shù)為0.80，并考慮溫度工況荷載組合下的樓板溫度應(yīng)力分析，樓板設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)樓板溫度分析結(jié)果及非溫度組合工況包絡(luò)配筋，樓板應(yīng)力控制目標(biāo)為樓板溫度作用下的主應(yīng)力不大于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.57MPa。

分析結(jié)果表明，支座負(fù)筋配筋以豎向荷載組合控制工況，而溫度應(yīng)力主要影響跨中區(qū)域及單向板的長(zhǎng)跨方向樓板鋼筋配筋，為抵抗溫度應(yīng)力，適當(dāng)加大單向板分布及拉通鋼筋配筋率，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)按照板頂拉通鋼筋及分布鋼筋配筋率為0.2%進(jìn)行樓板設(shè)計(jì)，并考慮實(shí)際建筑開窗面積較大，近外墻結(jié)構(gòu)柱跨內(nèi)的樓板溫差變化比建筑中部樓板明顯，周邊柱網(wǎng)樓板、樓電梯洞口周邊樓板配筋率相應(yīng)加大至0.25%～0.30%雙層雙向拉通配筋[1-2]。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合本文對(duì)大跨度、重荷載、超長(zhǎng)生產(chǎn)車間的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)大跨結(jié)構(gòu)合理選用高強(qiáng)鋼筋，并控制高強(qiáng)鋼筋比例，能有效控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及項(xiàng)目成本。

（2）在此類功能單一的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合理的結(jié)構(gòu)布置及結(jié)構(gòu)縫設(shè)置，平面結(jié)構(gòu)布置宜簡(jiǎn)單、均勻?qū)ΨQ。

（3）超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)采用分區(qū)域澆筑施工，采用補(bǔ)償收縮混凝土，結(jié)構(gòu)平面分區(qū)域、分方向配置樓板拉通鋼筋等措施，可有效控制樓板溫度應(yīng)力并減小混凝土收縮應(yīng)力。