許 怡

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著城市污水處理廠大規(guī)模的建設運行，污泥產生量大幅增加。為使污泥處理達到減量化、無害化、穩(wěn)定化、資源化的目標，在污泥處理廠房的設計中一般設置污泥干化系統(tǒng)、污泥焚燒系統(tǒng)、煙氣除塵系統(tǒng)、除臭系統(tǒng)等。污泥處理廠房的跨度一般在20～30 m，高度在15～20 m。工業(yè)廠房的結構選型時，可考慮門式剛架或混凝土柱鋼梁結構。門式剛架跨越能力強、平面布置靈活、外形簡潔優(yōu)美、施工方便，在工業(yè)廠房的設計中應用廣泛。由于污泥具有一定的腐蝕性，采用門剛結構時需對鋼結構進行防腐及防火處理。隨著防火涂料和后續(xù)維護成本的上升，不少業(yè)主要求采用混凝土柱鋼梁結構?；炷林摿航Y構在現(xiàn)行規(guī)范中沒有明確其設計方法和構造要求，本文將結合工程實例，探討此類結構的分析要點、關鍵構造，并從經(jīng)濟性角度評價此類結構的適用性，為類似工程提供借鑒。

1 結構分析要點

1.1 荷載取值

目前我國關于荷載取值的規(guī)范有《建筑結構荷載規(guī)范》（GB5009-2012）和《門式剛架輕型房屋技術規(guī)程（2012年版）》（CECS102:2002），由于這兩本規(guī)范在荷載取值、計算方式上存在個別差異，導致了設計、審圖及一些設計軟件中的某些參數(shù)取值出現(xiàn)混亂。

1.1.1 風荷載取值

在《門剛規(guī)范》的風荷載計算中，基本風壓的取值需按《荷載規(guī)范》的規(guī)定值乘以1.05采用，而且風荷載的體型系數(shù)已包含了陣風效應，僅適用于屋面平均高度不大于18 m的門式剛架輕型房屋。對于污泥處理廠房而言，其高度可能超過18 m，應按《荷載規(guī)范》進行取值計算。

1.1.2 雪荷載取值

在污泥處理廠房設計時，建筑專業(yè)應盡可能避免多坡屋面，以避免中間V型谷形成滑雪效應。同時，應降低女兒墻高度，以減小堆雪效應。雪荷載計算時，應注意屋面積雪不均勻分布系數(shù)的影響，特別是女兒墻較高時，積雪不均勻分布系數(shù)會達到1.4，同時還應注意雙坡屋面半坡積雪不均勻分布系數(shù)差別較大的影響，防止出現(xiàn)計算不安全的誤差隱患。在寒冷地區(qū)也可以考慮在雪荷載取值時適當增大安全儲備。

1.1.3 屋面恒、活載取值

屋面恒荷載計算時，鋼梁自重另行計算，單層彩色壓型鋼板加保溫棉取0.20 kN/m2，雙層彩色壓型鋼板加保溫棉取0.25 kN/m2，檁條、水平支撐系統(tǒng)取0.1 kN/m2，吊掛電器設備、消防水噴灑管道等懸掛荷載取0.1 kN/m2。

屋面活荷載的取值按《荷載規(guī)范》規(guī)定不上人屋面活荷載為0.5 kN/m2，在《門剛規(guī)范》中對受荷水平投影面積超過60 m2的剛架構件，活荷載可取為0.3 kN/m2。在污泥處理廠房的活荷載取值時，考慮到設備安裝時存在增設風管及支架的可能性，需提高安全儲備，故一般采用0.5 kN/m2。

1.2 鋼梁撓度

混凝土柱鋼梁結構中鋼梁正常使用狀況下的撓度取值是目前爭議比較大的問題?！朵摻Y構設計規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)定樓（屋）蓋主梁受彎構件撓度限值［Vt］為1/400?！堕T剛規(guī)范》則規(guī)定支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條的門式剛架斜梁，構件撓度限值為L/180。嚴格來說，混凝土柱鋼梁結構的撓度控制應按照《鋼規(guī)》控制，但撓度限值1/400必然會導致增大鋼梁截面，造價上升。而直接套用《門剛規(guī)范》的撓度限值1/180，可能導致?lián)隙冗^大，排水不順暢，還給人不安全的感覺。在污泥處理廠房的設計中，對于屋面設置懸掛起重機的屋面鋼梁，撓度限值按1/400計算。對于無懸掛起重機的屋面鋼梁，可控制撓度限制在1/250左右，再適當考慮施工預起拱值，這樣經(jīng)濟性比較好，一般也能滿足《鋼規(guī)》1/400的撓度限值。

1.3 模型計算

在此類結構的設計中，主要采用PKPM進行系列軟件進行整體計算和單榀復算。在進行整體建模時，平面外柱軸線（除抗風柱外）可布置混凝土梁。由于污泥處理廠房層高較高，為滿足抗震要求的柱頂位移的限值，可布置多道混凝土梁（即連系梁），位置高度宜結合外立面門窗高度進行布置。這樣在平面外能使混凝土柱梁形成平面框架，在無重級起重機吊車梁的情況下，縱向水平力由混凝土梁承擔，不布置柱間支撐也能滿足規(guī)范要求。

在進行整體計算時，采用SATWE程序。程序會根據(jù)整體分析得出的結果按照混凝土結構設計規(guī)范進行混凝土柱和混凝土連系梁的配筋計算，按選定的鋼梁構件給出鋼梁的應力比。同時根據(jù)整體分析計算的柱底內力完成基礎設計。

對于混凝土柱鋼梁結構還應進行單榀復算，即采用STS鋼結構程序中的PK進行建模計算。這是因為考慮到SATWE與PK的差異，鋼梁（一般為雙坡屋面）軸力對柱的推力、混凝土柱頂位移過大、鋼梁撓度過大等影響。一般來說PK的計算結果，鋼梁是能采用的，而混凝土柱應與整體計算結果作比較后，取大值。

2 關鍵構造

2.1 屋面鋼梁與柱頂?shù)倪B接

梁與柱的連接一般可分為剛性、半剛性及鉸接連接。在門式剛架結構中，鋼梁與鋼柱采用剛接連接。在混凝土鋼梁結構中，由于混凝土與鋼材的材料差異，節(jié)點抗拉、抗沖切性能很差。而且剛接節(jié)點的設計和施工均較復雜，一旦連接松動，鋼梁將會受到比設計內力大很多的彎矩?；谝陨显颍谖勰嗵幚韽S房的設計中，柱頂與鋼梁一般采用鉸接連接。采用鉸接連接，柱可不受彎矩影響，柱的斷面配筋較鋼筋混凝土框架柱小很多。

鋼梁兩端鉸接于柱，水平推力較大，目前處理方式主要有三種。一種是柱頂增設抗剪件來承受水平推力產生的剪力，見圖1所示。第二種是一端支座錨固螺栓孔開成橢圓孔，水平力靠橢圓孔釋放，見圖2所示。第三種是在鋼梁下增設拉桿來承受水平推力。第二種方式雖然能有效地減小水平力，但長孔的大小必須根據(jù)結構分析確定的最大滑動位移確定，而且必須留有余量，在工程設計中較為復雜。第三種方式在構件制作時增設拉桿，減小了廠房的凈高，不利于室內管道的鋪設，故業(yè)主一般也不太愿意采用此方式。故在污泥處理廠房的設計中，通常采用第一種方式，通過增設抗剪件來承受水平力。

圖1 支座采用抗剪件示意圖

圖2 支座采用橢圓孔示意圖

2.2 支撐系統(tǒng)

鋼結構屋面的橫向水平支撐和柱間支撐的布置可按照《門剛規(guī)范》進行布置?！堕T剛規(guī)范》中規(guī)定支撐可采用帶張緊裝置的十字交叉圓鋼支撐。《鋼結構規(guī)范》中則要求采用角鋼剛性支撐。在污泥處理廠房的設計中，對于滿足《門剛規(guī)范》適用條件的廠房，可采用圓鋼支撐，否則應采用角鋼支撐。

3 經(jīng)濟性比較

某污泥處理廠房平面尺寸為24 m×72 m，單跨建筑，跨度24 m，柱網(wǎng)間距6 m，高度為15 m，屋面設2 t電動單梁起重機。基礎均采用預應力混凝土管樁。

方案一采用門式剛架結構形式，剛架柱截面H(1000～300)×320×10×14，梁截面 H(1000～800)×300×8×12。墻面圍護采用彩鋼板。

方案二采用混凝土柱鋼梁結構，混凝土柱截面500 mm×800 mm，梁截面 H900×300×8×12。在柱高范圍內設置三道鋼筋混凝土梁，梁截面350 mm×600 mm。墻面圍護采用蒸壓加氣混凝土砌塊。

表1為方案一與方案二的各項費用比值統(tǒng)計表。

表1 費用比值統(tǒng)計表

從表1可以看出，混凝土鋼梁結構與門式剛架結構土建成本相差不大，但在后期維護成本方面具有明顯優(yōu)勢。

4 結語

混凝土鋼梁結構既具有門式剛架跨越能力強的優(yōu)點，又能彌補門式剛架防腐防火等方面成本高的缺點，特別適用于大跨度的污泥處理廠房。在結構設計時，荷載取值應按規(guī)范最不利，鋼梁與柱頂采用鉸接連接方式，結構分析時應進行整體和單榀計算。只有在設計中考慮全面，才能消除此類結構的不安全隱患。

[1]CECS102:2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程（2012年版）[S].

[2]GB50009-2012，建筑結構荷載規(guī)范[S].

[3]GB50017-2003，鋼結構設計規(guī)范[S].