余震安

某廠區(qū)出入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

余震安

Mou chang qu chu ru kou jie gou she ji yu fen xi

本文基于實(shí)際工程中同時遇到的鋼筋混凝土-鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、大跨組合鋼結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)各個分區(qū)分別采用Midas和SATWE進(jìn)行了受力分析，并介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中采用的提高結(jié)構(gòu)受力性能的構(gòu)造措施。

一、工程概況及結(jié)構(gòu)形式

工程位于某抗震設(shè)防烈度為7度的城市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，周邊用地分別為工廠、學(xué)校、高爾夫球場及高速公路。主體建筑地上一層，局部四層。主體建筑高度18.30m，建筑基底面積：103.9m2。總建筑面積：390.3m2；另有無維護(hù)結(jié)構(gòu)飄板面積：940m2。建筑可分為三部分：兩端側(cè)翼、左右門衛(wèi)室、中部組合大跨結(jié)構(gòu)。兩端側(cè)翼為下部混凝土柱，柱頂采用鋼管支撐起輕鋼屋面，屋面為雙向H型鋼配合檁條，直立鎖邊鋁鎂錳屋面板；左右門衛(wèi)室為四層普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但需考慮與兩側(cè)翼及中間組合大跨結(jié)構(gòu)的連接；中部組合大跨結(jié)構(gòu)采用三層弦桿組合桁架，上弦、中弦及腹桿為圓鋼管，下弦為H型鋼，屋面層為下弦層所在標(biāo)高，屋面板采用直立鎖邊鋁鎂錳屋面板。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制點(diǎn)

1.大懸挑

側(cè)翼懸挑較大建筑懸挑長度為8m，懸挑根部矢高為僅為400，控制撓度較難；柱頂鋼管支撐的穩(wěn)定性較難控制。

2.結(jié)構(gòu)復(fù)雜

中部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的門衛(wèi)室面積較小，而兩側(cè)鋼筋尺度較大，需將鋼結(jié)構(gòu)的支座設(shè)置于門衛(wèi)室鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，占用尺寸較大，減少了門衛(wèi)室的使用面積；另外門衛(wèi)室造型復(fù)雜，含弧型造型梁、挑檐、下掛折板等局部造型需求。

3.大跨度

中部組合大跨結(jié)構(gòu)跨度大，跨度為45m，矢高僅為3m，且平面為弧型，需要著重控制結(jié)構(gòu)的撓度及扭轉(zhuǎn)。

4.溫度應(yīng)力

結(jié)構(gòu)總長度為180m，在正常使用條件下，會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，應(yīng)采取措施控制溫度應(yīng)力，以免對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害位移。

三、結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析

考慮到本程的復(fù)雜性，采用分區(qū)計(jì)算的方式，對兩側(cè)翼及中部組合大跨結(jié)構(gòu)采用Midas Gen 計(jì)算；對左右門衛(wèi)室采用多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE計(jì)算。主要的荷載及控制參數(shù)為：

抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震基本加速度0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地土類別為a類。場地特征周期0.4s，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05，多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值：0.12；砼屋面面層荷載（建筑找坡）：3.5kN/m2；室外屋面板材（鋁單板及直立鎖邊鋁鎂錳合金板）重量不超過0.15 kN/m2。

1.側(cè)翼計(jì)算分析

重點(diǎn)關(guān)注大懸挑位置的梁，計(jì)算結(jié)果如下：H型鋼型號為：H400x300x10x18，材料：Q235；截面內(nèi)力：軸力Fxx=0.042kN，彎矩My=-155.23kN. m，Mz=-0.373kN.m，剪力Fyy=-3.84kN，F(xiàn)zz=-42.4kN；自由長度：L=6.39；計(jì)算長度系數(shù)：1.00；等效彎矩系數(shù)：1.00；長細(xì)比：KL/r=85.7<123.8；軸向應(yīng)力驗(yàn)算：N/Nrt=0.04/4302.6=0.00<1.000；彎曲應(yīng)力驗(yàn)算：My/Mry=155.23/647.72=0.240<1.000；Mz/Mrz=0.373/159.38=0.002<1.000；整體穩(wěn)定

驗(yàn)算：Rmax=0.230<1.000；剪切強(qiáng)度驗(yàn)算：Vy/ Vry=0.002<1.000；Vz/Vrz=0.068<1.000；撓度驗(yàn)算：W/ Wmax=24.8/25.6=0.97<1.000。由以上計(jì)算結(jié)果可知此懸挑梁的控制點(diǎn)為撓度，當(dāng)撓度滿足規(guī)范要求時，強(qiáng)度及穩(wěn)定性亦可滿足要求。

2.左右門衛(wèi)室計(jì)算分析

位移計(jì)算結(jié)果為：X方向地震作用下的樓層最大層間位移角為1/612；Y方向地震作用下的樓層最大層間位移角為1/569；X方向風(fēng)荷載作用下樓層最大層間位移角為1/1328；Y方向風(fēng)荷載作用下樓層最大層間位移角為1/4053；X方向最大位移與層平均位移的比值：1.06；X方向最大層間位移與平均層間位移的比值：1.08；Y方向最大位移與層平均位移的比值：1.01；Y方向最大層間位移與平均層間位移的比值：1.03。均滿足規(guī)范要求。

3.中部大跨結(jié)構(gòu)計(jì)算分析：

（1）上弦計(jì)算結(jié)果為：截面為圓鋼管，直徑325mm，壁厚16mm；材料：Q345；截面內(nèi)力：軸力Fxx=-1613.7kN，彎矩My=10.78kN.m，Mz=0.00kN.m，剪力Fyy=2.06kN，F(xiàn)zz=-2.67kN；自由長度：L=3.03；計(jì)算長度系數(shù)：1.00；等效彎矩系數(shù)：1.00；長細(xì)比：KL/r=27.7<123.8；軸向應(yīng)力驗(yàn)算：N/Nrt=1613.7/4600.18=0.351<1.000；彎曲應(yīng)力驗(yàn)算：My/Mry=10.78/354.59=0.03<1.000；Mz/Mrz=0.00/354.59=0.000<1.000；整體穩(wěn)定驗(yàn)算：Rmax=0.378<1.000；剪切強(qiáng)度驗(yàn)算：Vy/ Vry=0.001<1.000，Vz/Vrz=0.002<1.000。

（2）中弦計(jì)算結(jié)果為：截面為圓鋼管，直徑219mm，壁厚12mm；材料：Q345；截面內(nèi)力：軸力Fxx=69.42kN，彎矩My=18.33kN.m，Mz=0.00kN. m，剪力Fyy=-0.41kN，F(xiàn)zz=-12.50kN；自由長度：L=2.88；計(jì)算長度系數(shù)：1.00；等效彎矩系數(shù)：1.00；長細(xì)比：KL/r=42<123.8；軸向應(yīng)力驗(yàn)算：N/Nrt=69.42/2419.24=0.029<1.00；彎曲應(yīng)力驗(yàn)算：My/Mry=18.33/118.73=0.154<1.000；Mz/Mrz=0.00/118.73=0.000<1.000；整體穩(wěn)定驗(yàn)算：Rmax=0.163<1.000；剪切強(qiáng)度驗(yàn)算：Vy/ Vry=0.001<1.000，Vz/Vrz=0.018<1.000。

（3）下弦計(jì)算結(jié)果為：截面為H型鋼，型號為：H400x300x10x18；材料：Q345；截面內(nèi)力：軸力Fxx=0.29kN，彎矩My=5.31kN.m，Mz=40.77kN. m，剪力Fyy=41.91kN，F(xiàn)zz=-6.21kN；自由長度：L=1.20；計(jì)算長度系數(shù)：1.00；等效彎矩系數(shù)：1.00。長細(xì)比：KL/r=40.2<123.8；軸向應(yīng)力驗(yàn)算：N/Nrt=0.29/4302.6=0.000<1.000；彎曲應(yīng)力驗(yàn)算：My/Mry=5.31/647.72=0.008<1.000；Mz/Mrz=40.77/159.38=0.256<1.000；整體穩(wěn)定驗(yàn)算：Rmax=0.221<1.000；剪切強(qiáng)度驗(yàn)算：Vy/ Vry=0.034<1.000，Vz/Vrz=0.010<1.000；

（4）整體撓度驗(yàn)算：W/Wmax=143.6/180=0.80<1.000。

四、結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施

1.鋼管支撐頂部設(shè)加勁肋及斜撐

側(cè)翼混凝土柱頂為鋼管支撐，支撐整個屋面結(jié)構(gòu)，鋼管底與混凝土柱若做成固定支座，較難控制質(zhì)量，故而采用可轉(zhuǎn)鉸支座，同時在一個方向做斜支撐來控制豎向支撐不產(chǎn)生本方向的彎矩，另一個方向在鋼管和屋面鋼梁節(jié)點(diǎn)處設(shè)-12x450x600加勁肋來保證本方向的抗彎剛性。

2.樓板加厚

左右門衛(wèi)室一側(cè)連接側(cè)翼鋼梁，一側(cè)連接中部組合大跨結(jié)構(gòu)，各層樓板的受力較為復(fù)雜，特別是標(biāo)高11.050處的樓板直接連接鋼結(jié)構(gòu)，除采用雙層雙向配筋措施外，對重要樓層樓板加厚至150mm，對次要樓層樓板加厚至120，采用此種方式不僅能提高結(jié)構(gòu)的整體性能，同時，還可以提高樓板在兩側(cè)鋼結(jié)構(gòu)相互作用下的受力性能。

3.采用抗震支座

側(cè)翼鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置抗震球形支座，此支座設(shè)置為不承受彎矩且水平方向設(shè)置長螺栓孔可釋放溫度應(yīng)力，僅提供向上的支撐力；在中部大跨結(jié)構(gòu)兩端亦設(shè)置抗震球形支座，兩端均不承受彎矩，其中一端設(shè)置為普通鉸接，另一端設(shè)長螺栓孔釋放溫度應(yīng)力。支座的設(shè)置可在保證可靠連接的前提下盡量減少各部分之間的相互作用，結(jié)構(gòu)受力更明確。

4.梁局部加寬

由于中部組合大跨結(jié)構(gòu)受力較大，采用的支座亦較大，但深入混凝土結(jié)構(gòu)后受力點(diǎn)為樓板，存在撕裂樓板的可能性，故局部把框架梁加寬至600mm寬用來放置支座，這樣可以保證支座深入混凝土結(jié)構(gòu)的深度，又可以消除樓板撕裂的隱患。

5.加強(qiáng)組合大跨結(jié)構(gòu)處腹桿連接

中部組合大跨結(jié)構(gòu)平面為弧型，結(jié)構(gòu)整體會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，因此需要增加整體的扭轉(zhuǎn)剛度，采取的措施為每個弦層都設(shè)置平面的斜腹桿，先保證每個弦層自身的穩(wěn)定性；在斷面方向，上、中、下弦層用腹桿相互連接為桁架形式，可保證每一榀桁架的扭轉(zhuǎn)剛性；在每一榀桁架之間設(shè)置腹桿，來保證整體組合大跨結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭性能。

（作者單位：湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司）