胡長華

(中冶華天工程技術(shù)有限公司,安徽 馬鞍山243005)

0 前 言

大型轉(zhuǎn)爐煉鋼車間主廠房的高層區(qū)屬于復雜的框排架結(jié)構(gòu)體系,框架不規(guī)則,各層平臺荷載大、開孔多且大,廠房柱距大,縱向柱子少,廠房高度高,因此較其它廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)難度大得多。如何增強整體剛度和合理確定鋼框架柱穩(wěn)定驗算的計算長度一直是人們關(guān)注的問題。本文結(jié)合地震烈度8度地區(qū)的轉(zhuǎn)爐廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計,將《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中“強支撐框架”概念應用于結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中。強支撐概念的引用,不僅加強了廠房的整體剛度,同時也彌補了鋼柱穩(wěn)定計算時由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則,按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算的計算長度系數(shù)誤差過大的缺陷。

1 工程簡介

本工程為高層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房,廠房主要有轉(zhuǎn)爐跨、加料跨、鋼水接收跨組成,其中轉(zhuǎn)爐跨為高層框架結(jié)構(gòu),高層框架結(jié)構(gòu)由5層平臺組成,平臺標高分別為7.7 m、15.1 m、21.2 m、27.5 m、36.5 m,除 7.7 m平臺為鋼-混凝土組合平臺之外,其余均為鋼平臺,抗震設(shè)防烈度為8度,場地土類別為Ⅲ類,框架梁、柱鋼材為Q345B(fy=295 N/mm)?？蚣苤W(wǎng)平、立面布置圖見圖1。

圖1 框架柱網(wǎng)平、立面布置圖

2 設(shè)計方案

本工程高層框架部分高度比較高、寬度比較窄,框架不規(guī)則,工況比較復雜,重級工作制吊車噸位大,且該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度。綜合上述因素,為增強廠房的剛度,減小廠房的層間位移和總位移,降低廠房在使用過程中的振動,應優(yōu)先采用框架支撐體系。由于工藝及平臺的使用要求,只有邊框架可以設(shè)置支撐,中間框架不能設(shè)置支撐,故中間三榀框架側(cè)移剛度不能滿足設(shè)計使用要求,需采用腰桁架和剛性伸臂配合使用,此處剛性伸臂為帶支撐邊框架,腰桁架為高層框架的5層平臺。所以應將邊框架支撐設(shè)計為強支撐,以使整個高層框架設(shè)計為強支撐框架,提高5榀框架的空間協(xié)同工作性能,從而大大增強了結(jié)構(gòu)的整體剛度。另外《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中框架平面內(nèi)柱子計算長度系數(shù)計算的基本假定模型是理想、對稱、規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系,對于復雜不規(guī)則的結(jié)構(gòu),計算長度系數(shù)的計算比較復雜,且誤差很大。為避免這一設(shè)計缺陷,故將高層框架設(shè)計為強支撐框架,此時框架柱的計算系數(shù)u按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄D表D-1無側(cè)移框架柱的計算長度系數(shù)確定。

3 強支撐框架判別

如何判別強支撐框架,目前《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003已明確給出了計算公式,有支撐框架根據(jù)抗側(cè)移剛度的大小,分為強支撐框架和弱支撐框架[1～6]。

當支撐結(jié)構(gòu)(支撐桁架、剪力墻、電梯井等)的側(cè)移剛度(產(chǎn)生單位側(cè)傾角的水平力)Sbi滿足公式(1)的要求時,為強支撐框架,框架柱的計算長度系數(shù)u按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄D表D-1無側(cè)移框架柱的計算長度系數(shù)確定。

式中:∑Nbi、∑Noi為第i層層間所有框架柱用無側(cè)移框架和有側(cè)移框架柱計算長度系數(shù)算得的軸壓桿穩(wěn)定承載力之和。

4 強支撐框架計算簡圖和內(nèi)力分析

本工程設(shè)計為強支撐框架,其結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度較大,可忽略側(cè)移對內(nèi)力分析的影響,故可采用一階彈性分析法計算框架的內(nèi)力。本工程采用STS程序按平面桿系結(jié)構(gòu)進分析計算,STS內(nèi)力分析結(jié)果可靠,但計算復雜的框排架結(jié)構(gòu)平面內(nèi)計算長度系數(shù)時誤差較大。所以,單層排架結(jié)構(gòu)平面內(nèi)計算長度系數(shù)應根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中5.3.4條按有側(cè)移框架確定,高層框架平面內(nèi)的計算長度系數(shù)應根據(jù)上述強支撐框架規(guī)定的計算長度系數(shù)算法確定。

4.1 側(cè)移剛度計算

用STS程序計算出水平力(F=1 000 kN)作用下支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)移,如下圖2所示,然后求出支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度。側(cè)移剛度計算按下式(2)、(3)計算,KJ-1支撐結(jié)構(gòu)的每層側(cè)移剛度如表1所示。

式中:θi為彈性層間位移角;Δi為彈性層間位移;hi為計算樓層層高;Sbi為支撐結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度(產(chǎn)生單位側(cè)傾角的水平力)。

圖2 KJ-1側(cè)移剛度計算簡圖

表1 KJ-1支撐結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度

4.2 穩(wěn)定系數(shù)計算

每層所有框架柱分別用無側(cè)移框架和有側(cè)移框架柱計算長度系數(shù)算得軸壓桿穩(wěn)定承載力之和。計算中,對無側(cè)移框架結(jié)構(gòu),查《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》表附錄D-1,對有側(cè)移框架結(jié)構(gòu),查《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》表附錄D-2,截面特性見圖3。

4.2.1 框架KJ-1穩(wěn)定系數(shù)計算

框架KJ-1第5層柱分別用無側(cè)移框架和有側(cè)移框架柱計算長度系數(shù)算得軸心受壓柱穩(wěn)定系數(shù)。

4.2.2 框架KJ-2穩(wěn)定系數(shù)計算

框架KJ-2第5層柱分別用無側(cè)移框架和有側(cè)移框架柱計算長度系數(shù)算得軸心受壓柱穩(wěn)定系數(shù)。(注:對無側(cè)移框架,橫梁線剛度應乘以2;對有側(cè)移框架,橫梁線剛度應乘以2/3)。

圖3 剛架截面特性

表2 無側(cè)移框架KJ-1穩(wěn)定系數(shù)

表3 有側(cè)移框架KJ-1穩(wěn)定系數(shù)

表4 無側(cè)移框架KJ-2穩(wěn)定系數(shù)

表5 有側(cè)移框架KJ-2穩(wěn)定系數(shù)

4.3 強支撐框架判斷

由上表2～表5,根據(jù)公式(4)的要求判斷強支撐框架:

故第5層框架滿足強支撐框架的要求,其它樓層計算證明與此相同,從略。所以本工程高層框架為強支撐框架。

5 強支撐框架設(shè)計注意事項

本工程高層框架結(jié)構(gòu)平臺由于一些管道及除塵設(shè)備的使用要求,平臺開洞很多,而且開洞比較大,對樓面剛度削弱很大,為保證框架的空間作用,應增強樓面的剛度,所以高層框架平臺下應設(shè)置樓層水平支撐。同時應滿足如下規(guī)定[7,8]:當各榀框架側(cè)向剛度相差較大、柱間支撐布置又不規(guī)則時,應設(shè)樓層水平支撐;其它情況,樓層水平支撐的設(shè)置應按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》附錄G表G.0.1確定。廠房設(shè)置樓層水平支撐時,其構(gòu)造宜符合下列要求:

(1)水平支撐可設(shè)在次梁底部,但支撐桿端部應與樓層軸線上主梁的腹板和下翼緣相連。

(2)樓層水平支撐的布置應與柱間支撐的位置相協(xié)調(diào)。

(3)樓層軸線上的主梁可作為水平支撐的弦桿,斜桿與弦桿的夾角宜在30°～60°之間。

(4)在柱網(wǎng)區(qū)格內(nèi)次梁承受較大的設(shè)備荷載時,應增設(shè)剛性系桿,將設(shè)備重力的地震作用傳到水平支撐弦桿(軸線上的主梁)或節(jié)點上。

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