黃建兵

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031)

橫向荷載作用下配料倉(cāng)廠房結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃建兵

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031)

傳統(tǒng)配料倉(cāng)廠房,根據(jù)工藝配置方案、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)確定廠房結(jié)構(gòu)體系?？紤]配料倉(cāng)倉(cāng)體自重及物料重等豎向荷載,均采用多層鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)。某海外工程配料倉(cāng)廠房因還要承受較大地震荷載、風(fēng)荷載中的橫向荷載作用,選擇了更優(yōu)的框架-支撐結(jié)構(gòu)體系,不但結(jié)構(gòu)整體工程量?jī)?yōu)化了30%,還能使結(jié)構(gòu)安全度及舒適度得到大大提高。

橫向荷載作用；配料倉(cāng)廠房；結(jié)構(gòu)體系；優(yōu)化設(shè)計(jì)

配料倉(cāng)廠房是冶煉項(xiàng)目中物料分配及運(yùn)輸?shù)闹匾粋€(gè)環(huán)節(jié),單個(gè)配料倉(cāng)倉(cāng)體加物料自重約幾百噸,傳統(tǒng)廠房考慮配料倉(cāng)倉(cāng)體自重及物料自重等豎向荷載作用,均采用多層鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)。但在地震烈度較高或風(fēng)荷載較大地區(qū),橫向荷載作用起控制作用,選擇即能抗豎向荷載又抗橫向荷載的結(jié)構(gòu)體系,是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)。本文根據(jù)某海外工程實(shí)例,簡(jiǎn)述結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化的方法及所產(chǎn)生作用與效果。

1 設(shè)計(jì)基本條件

1.1 建筑平面尺寸及工藝配置

建筑寬度10 m,長(zhǎng)度根據(jù)配料倉(cāng)體個(gè)數(shù)確定,本次結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)縱向支撐布置間距,取4個(gè)倉(cāng)體,即 4×4.6 m=18.4 m;建筑高度約20.5 m。建筑平面布置見圖1,廠房剖面見圖2。

圖1 建筑平面布置

1.2 自然條件

基本風(fēng)壓為0.95 kN/m2[1],地面粗糙類別為A類;地震烈度按中國(guó)規(guī)范取 8度(0.2g)[2],場(chǎng)地類別?、蝾?特征周期為0.35 s;屋面活荷載為0.5 kN/m2,不考慮雪荷載,其他樓層荷載根據(jù)工藝提供條件輸入。

2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)工藝配置及結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系中,結(jié)構(gòu)橫向通常采用框架結(jié)構(gòu),縱向通常采用框架-支撐結(jié)構(gòu)?？蚣茌S線計(jì)算見圖3,框架空間計(jì)算3D模型見圖4。

圖3 框架軸線計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖4 框架空間計(jì)算3D模型

2.2 計(jì)算分析及計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)分析軟件采用YJK-A,橫向框架-縱向支撐框架結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如下：

1)周期振型。周期振型(取前三振型)見表1。

表1 框架結(jié)構(gòu)周期振型

2)位移輸出結(jié)果。位移輸出結(jié)果見表2。

表2 框架結(jié)構(gòu)位移輸出結(jié)果

3)主要應(yīng)力比。第二標(biāo)準(zhǔn)層中間兩根鋼柱應(yīng)力比0.67、0.63(均由強(qiáng)度應(yīng)力控制),中間鋼梁強(qiáng)度應(yīng)力比0.71。

4)鋼柱平面布置及柱底內(nèi)力?？蚣芙Y(jié)構(gòu)鋼柱平面布置及柱底內(nèi)力見圖5。

圖5 框架結(jié)構(gòu)鋼柱平面布置及柱底內(nèi)力

2.3 小結(jié)

通過以上計(jì)算可知,為了保證結(jié)構(gòu)在地震荷載、風(fēng)荷載中的橫向荷載作用下結(jié)構(gòu)位移[3]滿足規(guī)范要求,框架結(jié)構(gòu)中鋼柱與鋼梁均采用較大截面,而鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)力比及穩(wěn)定應(yīng)力比均比較低,材料強(qiáng)度得不到充分利用,結(jié)構(gòu)總用鋼量達(dá)到為85.35 t。此時(shí)鋼柱柱底產(chǎn)生較大柱底彎矩,鋼柱柱腳及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)考慮彎矩影響。

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

由于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系剛度太柔,結(jié)構(gòu)側(cè)向位移過大,且通常結(jié)構(gòu)分析軟件尚未考慮幾何變形的二次效應(yīng),這樣不僅造成材料浪費(fèi),且不能確保安全。經(jīng)與工藝專業(yè)協(xié)調(diào),結(jié)構(gòu)專業(yè)在5.20 m,標(biāo)高以下采用人字撐,5.20～8.20 m根據(jù)配料倉(cāng)形狀采用倒人字撐, 8.20 m以上平臺(tái)也采用人字撐,15.50 m以上平臺(tái)根據(jù)工藝使用要求,采用框架形式。結(jié)構(gòu)橫向布置[4]進(jìn)行優(yōu)化處理后,結(jié)構(gòu)縱橫向均采用采用框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，支撐框架計(jì)算見圖6,支撐框架空間計(jì)算3D模型見圖7。

圖6 支撐框架軸線架計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖7 支撐框架空間計(jì)算3D模型

3.2 計(jì)算分析及計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)分析軟件采用YJK-A,縱橫向支撐框架結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如下。

1)周期振型。周期振型(取前三振型)見表3。

表3 支撐框架結(jié)構(gòu)周期振型

2)位移輸出結(jié)果。位移輸出結(jié)果見表4。

表4 支撐框架結(jié)構(gòu)位移輸出結(jié)果

3)主要應(yīng)力比。第二標(biāo)準(zhǔn)層中間兩根鋼柱應(yīng)力比0.85、0.73(均由強(qiáng)度應(yīng)力控制),中間鋼梁強(qiáng)度應(yīng)力比0.86。

4)鋼柱平面布置及柱底內(nèi)力。支撐框架結(jié)構(gòu)鋼柱平面布置及柱底內(nèi)力見圖8。

圖8 支撐框架結(jié)構(gòu)鋼柱平面布置及柱底內(nèi)力

3.3 小結(jié)

通過以上位移輸出結(jié)果及應(yīng)力比可知,結(jié)構(gòu)在地震力作用下,結(jié)構(gòu)1～4層最大位移約6 mm;在風(fēng)荷載作用下,結(jié)構(gòu)1～4層最大位移均約8 mm。位移值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于框架結(jié)構(gòu)體系中所產(chǎn)生的位移,均滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)總用鋼量?jī)H為57.03 t,比框架結(jié)構(gòu)總用鋼量減少約30%,鋼材結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力比也均滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)安全度及舒適度得到大大提高。通過柱底內(nèi)力比較可知,框架-支撐結(jié)構(gòu)體系中,柱底僅產(chǎn)生軸力,基礎(chǔ)及柱腳設(shè)計(jì)類似鉸接柱腳。筆者通過此工程比較,采用優(yōu)化后柱底內(nèi)力進(jìn)行鋼柱柱腳錨栓及基礎(chǔ)設(shè)計(jì),減少約30%土建工程量。通過以上數(shù)據(jù)可知,選擇合理結(jié)構(gòu)體系,不但更能保證結(jié)構(gòu)安全可靠性,還可減少土建工程量。此工程整體優(yōu)化工程量達(dá)30%,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

土建專業(yè)在工業(yè)設(shè)計(jì)中起著舉足輕重的地位,如何利用傳統(tǒng)工藝與土建配置方案,結(jié)合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),選擇即能滿足工藝配置要求,又更加合理的結(jié)構(gòu)體系是土建優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵及重中之重。本文所述設(shè)計(jì)采用支撐框架結(jié)構(gòu)體系,利用傳統(tǒng)工藝配置柱網(wǎng),不但考慮工藝荷載,還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)所受自然條件的荷載,并結(jié)合工藝要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的配置,既滿足工藝生產(chǎn)使用要求,又做到結(jié)構(gòu)受力合理,安全可靠,經(jīng)濟(jì)適用,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)體系不但可以做到安全可靠,能起到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] GB50009-2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] GB50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 王亞勇,戴國(guó)瑩.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范算例[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[4] 唐興榮.特殊和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

Structural System Optimization Design of Blending Bin Plant with Transverse Load Effect

HUANG Jianbing

(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

For traditional blending bin plant,it determines mill construction system according to process configuration scheme, structure loading effect.Considering vertical load of blending bin weight itself and materials,adopt multilayer reinforced concrete or steel frame structure without exception.Due to a huge transverse load bearing of earthquake load and wind load in an abroad blending bin plant,a superior frame-support structure system are adopted.Not only the entire work amount of structure has been optimized 30%,but also safety and comfort level of structure have been greatly improved.

transverse load effect;blending bin plant;structure system;optimization design

TU391-04

B

1004-4345(2014)05-0065-04

2014-08-18

黃建兵(1982—),男,工程師,主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作。