九牧永春智慧產(chǎn)業(yè)園輸送線通廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周平

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥230601）

1 工程概況

九牧永春智慧制造產(chǎn)業(yè)園位于泉州市永春縣輕工基地。園區(qū)內(nèi)規(guī)劃建設(shè)一條連接103 廠房與107 廠房的通廊， 通廊內(nèi)設(shè)置兩條輸送線，并在107 廠房外設(shè)置3 臺(tái)提升機(jī)。

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 場(chǎng)地條件和荷載取值

場(chǎng)地土自上而下分別為：填土、殘積砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，其中填土厚度為8.50～20.30 m。 103 與107 廠房的±0 m 黃海高程分別為139.00 m 和130.00 m。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[1-2]，本工程抗震設(shè)防烈度為7 度（0.10 g），場(chǎng)地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。 由于通廊兩側(cè)高差9 m， 應(yīng)估計(jì)不利地段對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生的放大作用，故水平地震影響系數(shù)最大值取為0.088。

應(yīng)業(yè)主要求，輸送線沿途的活載標(biāo)準(zhǔn)值為10 kN/m2，其他荷載根據(jù)實(shí)際情況和GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]取值?；撅L(fēng)壓為0.55 kN/m2，風(fēng)載體型系數(shù)采用文獻(xiàn)的結(jié)論，通廊迎風(fēng)面、背風(fēng)面、上表面、下表面的體型系數(shù)取值分別為+0.80、-0.80、-0.89、-0.79[4]。 溫度荷載按±20℃取值。

2.2 工藝要求

應(yīng)工藝要求，貨物從103 廠房出發(fā)，沿輸送線經(jīng)通廊至提升機(jī)前，通過橫向輸送線分別送入3 臺(tái)提升機(jī)內(nèi)，提升機(jī)將貨物降至107 廠房的地面（130.00 m），再由地面輸送線送入廠房?jī)?nèi)。每條輸送線寬1.9 m，并預(yù)留檢修通道。因此通廊凈寬不少于7.2 m，提升機(jī)塔架頂層需要6 m（井道3 m＋橫向輸送線3 m）的凈寬。

2.3 制約因素

通廊橫跨擋土墻、市政道路、10 kV 輸電線以及消防車道。通廊的支座必須避開上述地段，形成最大跨度34 m 的桁架結(jié)構(gòu)。 通廊下方凈空高度不小于5 m，保證市政道路和消防車道的通行。

提升機(jī)塔架（以下簡(jiǎn)稱塔架）位于107 廠房與消防車道間的綠化帶上， 消防車道寬6 m， 綠化帶寬3.7 m。 根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018 年版），環(huán)形消防車道不能被阻斷，其最小寬度為4 m[5]，這使得塔架的底部寬度受到很大限制，總寬度不能超過4.5 m，其中占用消防車道部分不能超過2 m。

3 結(jié)構(gòu)選型

3.1 通廊

通廊的跨間承重結(jié)構(gòu)采用兩跨鋼桁架結(jié)構(gòu)， 跨度分別為21 m 和34 m，共3 榀桁架，高度為4.9 m。 桁架一端與103 廠房脫開，另一端支承在塔架上。 桁架弦桿為200 mm×300 mm矩形管，斜腹桿為φ194 mm×16 mm 圓管。次梁截面為H250 mm×200 mm×6 mm×10 mm，樓面鋪設(shè)帶肋花紋鋼板，供檢修人員通行。

3.2 塔架

塔架采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)，高度為19.6 m，共4 層，頂層作為輸送線進(jìn)入提升機(jī)的平臺(tái)。 前文提及，塔架頂層平臺(tái)所需凈寬6 m，而底部寬度受限，因此塔架頂部采用懸挑結(jié)構(gòu)，將第3 層整體向外挑出2 m，形成巨型牛腿，桁架支承在牛腿末端，搭接長(zhǎng)度為1 m。 塔架結(jié)構(gòu)寬度為4.2 m，長(zhǎng)度為15.75 m，東側(cè)距107 廠房外墻1.4 m，西側(cè)占用部分消防車道。 由于塔架寬度較小，且承受偏心荷載，因此，在X 向設(shè)置較多支撐，除中間框架的頂層為給橫向輸送線提供空間外， 其他框架均全高設(shè)有支撐；Y 向考慮到地面輸送線的凈空要求，僅在檢修電梯處設(shè)一道支撐。

3.3 基礎(chǔ)

根據(jù)地勘報(bào)告，本工程采用旋挖鉆孔灌注樁，以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為持力層。V 形柱下基礎(chǔ)樁徑800 mm，其中第二道基礎(chǔ)靠近擋土墻，為防止樁基破壞擋土墻，樁距離擋土墻邊緣不小于5 m，且荷載直接傳至巖層，不會(huì)對(duì)擋土墻產(chǎn)生額外的土壓力。

塔架采用樁筏基礎(chǔ)，因塔架緊鄰107 廠房，只適合小型旋挖設(shè)備施工，因此塔架樁徑d 采用600 mm，原107 廠房亦采用樁基礎(chǔ)。 塔架基樁屬于非擠土樁，根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》， 基樁與原有管樁的中心距不應(yīng)小于3.0d（1.8 m）[6]。 因此本工程通過調(diào)整樁間距，在保證樁最小中心距的前提下，使樁位盡可能貼近107 廠房，既提高塔架基礎(chǔ)的抗傾覆能力，也避免擠土效應(yīng)對(duì)廠房造成不利影響。

4 滑動(dòng)支座的運(yùn)用

考慮到桁架縱向剛度很大，橫向剛度和支架剛度較小，在最初的結(jié)構(gòu)方案中，桁架弦桿與塔架頂層之間采用剛性連接，試圖借助塔架的側(cè)向剛度彌補(bǔ)桁架剛度的不足。

本工程采用PMSAP 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)以下問題。

1）塔架承受較大傾覆力矩，在最小軸力的荷載組合下，塔架所有柱底均產(chǎn)生1 100 kN 以上的拉力，最大值達(dá)2 632.3 kN。經(jīng)核算，基礎(chǔ)能通過抗拔樁承受傾覆力矩，共計(jì)設(shè)置28 根抗拔樁，但由此造成造價(jià)偏高，基礎(chǔ)造價(jià)估算為100 萬元。

2）桁架與塔架連接處附近有較多構(gòu)件應(yīng)力比超限。 若簡(jiǎn)單地加大構(gòu)件截面，將造成材料浪費(fèi)。

通過分析得知，產(chǎn)生以上問題的主要原因有以下幾方面。

1）荷載主要集中于桁架，且塔架的側(cè)向剛度遠(yuǎn)大于桁架支承鋼柱，在縱向水平地震作用下，桁架產(chǎn)生的慣性力多數(shù)通過剛性連接傳遞到塔架頂層，導(dǎo)致連接處構(gòu)件受力過大，并產(chǎn)生較大的傾覆力矩。

2）本工程縱向溫度區(qū)段為64.1 m，溫度變形產(chǎn)生的內(nèi)力亦會(huì)對(duì)塔架產(chǎn)生傾覆力矩。

3）桁架支承在塔架懸挑結(jié)構(gòu)上形成偏心荷載，并產(chǎn)生傾覆力矩。

由此可知，解決問題的關(guān)鍵在于減小桁架水平力的傳遞。為降低造價(jià)，本工程將桁架上弦與塔架屋面脫開，并在桁架與塔架支承處采用滑動(dòng)支座。根據(jù)PMSAP 對(duì)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，塔架柱底拉力大幅度減小，最大值為947.0 kN，顯示傾覆力矩過大的問題已顯著改善。 同時(shí)，滑動(dòng)支座附近構(gòu)件的內(nèi)力均明顯減小。

采用滑動(dòng)支座后，原結(jié)構(gòu)尚須做進(jìn)一步優(yōu)化和補(bǔ)充，具體內(nèi)容如下。

1）由于設(shè)置滑動(dòng)支座和桁架上弦脫離塔架，塔架對(duì)桁架的水平約束被極大地削弱， 因此應(yīng)加強(qiáng)桁架上下弦的平面內(nèi)剛度，既限制桁架在滑動(dòng)支座處的Y 向水平位移，也避免上弦產(chǎn)生局部振動(dòng)。 具體做法為增大屋面水平支撐的截面，并修改通廊主跨的樓面次梁布置，形成水平支撐。

2）桁架支承結(jié)構(gòu)由單排柱修改為V 形柱。 一方面加強(qiáng)支承結(jié)構(gòu)縱向剛度，限制通廊在滑動(dòng)支座處的X 向水平位移；另一方面減小了桁架跨度，對(duì)減小撓度、提高樓面舒適性均有一定幫助。 此外，V 形柱位于綠化帶和停車場(chǎng)內(nèi)，不影響廠區(qū)道路交通。

3）腹桿連接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化加強(qiáng)，在節(jié)點(diǎn)板上增設(shè)加勁肋，從構(gòu)造上加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)在桁架平面外轉(zhuǎn)動(dòng)剛度， 從而加強(qiáng)通廊的橫向剛度，減小屋面在地震作用下的變形。

4）經(jīng)過上述優(yōu)化后，再用PMSAP 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，考察結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的位移反應(yīng)，特別是滑動(dòng)支座處的位移是否滿足要求。 選用3 條地震波，分別察看滑動(dòng)支座頂部和底部節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程響應(yīng)曲線，結(jié)果表明，滑動(dòng)支座各向位移變形均小于規(guī)范限值（見表1）。

表1 罕遇地震下滑動(dòng)支座最大響應(yīng)位移mm

5）由于傾覆力矩減小，塔架基礎(chǔ)可做優(yōu)化。 結(jié)合增加基礎(chǔ)自重等措施，基樁已不承受拉力，樁數(shù)減少25%，基礎(chǔ)造價(jià)減少約15 萬元。

5 結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)

當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇極端情況時(shí)，其荷載作用難以精確預(yù)估，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生超出預(yù)期的破壞，因此，應(yīng)合理增加冗余約束，布置備用傳力路徑，防止發(fā)生嚴(yán)重的后果。

5.1 V形柱在防止結(jié)構(gòu)整體坍塌中的作用

在最初的方案中， 桁架在103 廠房外的支承結(jié)構(gòu)采用單排鋼管柱，依靠塔架提供縱向剛度，然而當(dāng)設(shè)置滑動(dòng)支座后，其縱向剛度大幅削弱。 在大震作用下，鋼管柱的柱頂和柱腳勢(shì)必最先產(chǎn)生塑性鉸。 分析此時(shí)體系的幾何構(gòu)造（見圖1），擴(kuò)大基礎(chǔ)至支座C，剛片Ⅰ、Ⅱ由3 根相互平行但不等長(zhǎng)的鏈桿相連，體系是瞬變的。 若桁架的水平位移過大，超出滑動(dòng)支座的位移限值，可能產(chǎn)生整體坍塌的嚴(yán)重后果。 因此，本工程在柱兩側(cè)各增加一根斜撐，形成V 形柱，增強(qiáng)桁架結(jié)構(gòu)底層的縱向抗側(cè)力剛度。 斜撐可以承受全部縱向水平力，使鋼柱柱頂不產(chǎn)生塑性鉸。 同時(shí)，由于斜撐對(duì)柱變形的約束，斜撐、柱與桁架可視為一個(gè)剛片，即使柱腳形成塑性鉸，剛片Ⅰ、Ⅱ仍通過兩個(gè)鉸和一根鏈桿相連，體系幾何不變且有多余約束，從而避免通廊的整體坍塌。

圖1 通廊的幾何構(gòu)造分析

5.2 塔架抗傾覆設(shè)計(jì)

由于塔架兼作通廊的支承結(jié)構(gòu)，且承受較大傾覆力矩，一旦發(fā)生傾覆后果十分嚴(yán)重，因此，必須采取針對(duì)性措施使其有足夠的抗傾覆冗余度。

1）樁基按抗拔樁設(shè)計(jì)，單樁抗拔極限承載力Tuk＝600 kN?？拱螛兜淖饔糜袃煞矫妫阂皇钱?dāng)傾覆力矩超出塔架的抗傾覆能力時(shí)， 抗拔樁可作為第二道防線， 提供額外的抗傾覆力矩； 二是抗拔樁的破壞形式主要是樁身混凝土被拉斷或樁被整體拔出，這兩種破壞均會(huì)引起較大變形，給人以明顯的破壞預(yù)兆，可以及時(shí)采取堆載等加固措施，阻止嚴(yán)重后果的發(fā)生。

2）筏板偏心布置。 塔架懸挑結(jié)構(gòu)位于西側(cè)，因此筏板亦向西延伸，令桁架重力荷載的作用點(diǎn)落在筏板范圍內(nèi)，使其不會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生傾覆力矩。

3）增加筏板及其覆土的自重。 塔架筏板尺寸為16.35 m×6.9 m×1.35 m，覆土厚度為1 m，基礎(chǔ)自重約5 800 kN。適當(dāng)增大筏板的厚度，既增加自重，也提高了筏板剛性，同時(shí)，由于筏板加寬，抗傾覆力的力臂得以加大，進(jìn)一步提高抗傾覆能力。

4）加強(qiáng)柱腳節(jié)點(diǎn)。 塔架柱腳采用外包式柱腳，并加強(qiáng)短柱縱筋和箍筋的配置，防止柱腳先于上部結(jié)構(gòu)破壞。

6 結(jié)論

1）桁架結(jié)構(gòu)支承在建（構(gòu)）筑物時(shí)，合理地設(shè)置滑動(dòng)支座可以有效減小水平力的傳遞，避免對(duì)建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生不利影響。 同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)桁架的剛度和整體性，減小結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的位移變形，防止桁架從支座上滑落。

2）V 形柱的設(shè)置可以避免桁架在大震作用下形成瞬變體系，從構(gòu)造上加強(qiáng)桁架結(jié)構(gòu)的防倒塌能力，且對(duì)于加強(qiáng)桁架支承結(jié)構(gòu)縱向剛度、減小撓度等也有積極作用。

3）提升機(jī)塔架兼作通廊的支承結(jié)構(gòu)時(shí)，加強(qiáng)其抗傾覆能力很有必要。 合理設(shè)置筏板和抗拔樁可形成抗傾覆的兩道防線，使結(jié)構(gòu)可靠性有足夠的冗余度。