黃賽帥

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

大跨超高門式剛架結(jié)構(gòu)在污泥處理工程中的應(yīng)用

黃賽帥

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

根據(jù)污泥處理工程的特點(diǎn)和對(duì)結(jié)構(gòu)的要求，現(xiàn)對(duì)大跨超高門式剛架結(jié)構(gòu)在該類工程中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行分析。首先，介紹了門式剛架在該類工程中的優(yōu)勢(shì)及難點(diǎn)。接著，探討了在大跨超高的情況下，門式剛架的受力體系和計(jì)算方法。最后，結(jié)合某已建污泥處理工程給出了工程算例，介紹了該計(jì)算方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

大跨；超高；門式剛架；整體空間剛架模型

0 引言

污泥處理廠房為污泥處理工程中的主要建筑物，其內(nèi)部大型設(shè)備及管道眾多，局部需設(shè)置重型設(shè)備夾層，屋面設(shè)有懸掛吊車。根據(jù)工藝流程及設(shè)備運(yùn)行需要，廠房?jī)?nèi)部無布置結(jié)構(gòu)柱可能，必須采用大跨結(jié)構(gòu)。廠房?jī)舾咭笤?4 m以上，單層高度達(dá)到了高層建筑的高度范圍。

常規(guī)的大跨高層結(jié)構(gòu)屋面可選用桁架、網(wǎng)架、門式剛架等多種空間體系。然而，相比于其他結(jié)構(gòu)形式，門式剛架有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：門式剛架構(gòu)件數(shù)量少，易于污泥處理運(yùn)行環(huán)境下的防腐維護(hù)；門式剛架的實(shí)腹梁柱占用平面及空間小，利于工藝在有限空間及限定高度內(nèi)集約化布置；門式剛架現(xiàn)場(chǎng)施工周期短，利于縮短寶貴的工期。

但相比于常規(guī)門式剛架，該類門式剛架主跨已接近《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“門剛規(guī)范”）中建議跨度的上限，結(jié)構(gòu)總高已超過了該規(guī)范的建議高度，局部混凝土夾層布置重型設(shè)備，帶來較大的地震作用，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需慎重對(duì)待。

本文結(jié)合某污泥處理廠房實(shí)例，分析探討該類大跨高層結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

1 門式剛架受力體系及計(jì)算方法

1.1 受力體系

門式剛架受力體系可以分為四大部分：主結(jié)構(gòu)（主剛架、吊車梁），次結(jié)構(gòu)（檁條、墻柱、抗風(fēng)柱、墻梁），支撐結(jié)構(gòu)（屋面支撐、柱間支撐、系桿），圍護(hù)結(jié)構(gòu)（屋面板、采光板、墻板、門、窗）。

1.2 大跨超高門式剛架計(jì)算方法

門式剛架結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行以下方面的計(jì)算：構(gòu)件強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算、節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度驗(yàn)算、正常使用狀態(tài)下的變形驗(yàn)算[1]。由于節(jié)點(diǎn)計(jì)算公式在相關(guān)規(guī)范中有明文可查，故本文主要探討結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算方法。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的荷載含永久荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、吊車荷載、地震作用等[2]，并需按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱“荷載規(guī)范”）及“門剛規(guī)范”組合。地震作用在一般門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不起控制作用，但在污泥處理工程中，夾層一般設(shè)置混凝土夾層并布置重載設(shè)備，故應(yīng)進(jìn)行抗震驗(yàn)算。2016年實(shí)施的“門剛規(guī)范”明確闡明高度大于18 m時(shí)，規(guī)范中的風(fēng)荷載取值不適用，而強(qiáng)度、穩(wěn)定性計(jì)算方法仍可參考該規(guī)范[3]。故構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性計(jì)算方法仍按“門剛規(guī)范”實(shí)施，而風(fēng)荷載取值則按“荷載規(guī)范”選用。

“門剛規(guī)范”規(guī)定，門式剛架可按平面結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力。由于大跨超高門式剛架已超出“門剛規(guī)范”的適用范圍，且夾層重荷載產(chǎn)生較大的地震力，整體空間剛架模型可以反映整個(gè)結(jié)構(gòu)的周期、地震作用最大方向、整體剛度等各種指標(biāo)及結(jié)構(gòu)特性。故除按一般的平面結(jié)構(gòu)模型分析內(nèi)力外，應(yīng)額外按整體空間剛架模型補(bǔ)充計(jì)算，獲知結(jié)構(gòu)體系的薄弱點(diǎn)，以有針對(duì)性地加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

國(guó)內(nèi)某城市污泥處理工程主廠房由高低兩類剛架組成，1～14軸為高剛架，15～19軸為低剛架，屋面布置一臺(tái)5 t懸掛起重機(jī)。高剛架跨度12.5 m+ 27.5 m，高度26.500 m。低剛架為帶毗屋剛架，主跨40 m，毗屋跨度24 m，主跨高14.500 m，毗屋高11 m。高剛架分別在標(biāo)高4.5 m、7.37 m、11.37 m處設(shè)置夾層，夾層均采用壓型鋼板現(xiàn)澆混凝土樓面。主體剛架平面布置見圖1所示。

圖1 剛架結(jié)構(gòu)平面布置圖

該結(jié)構(gòu)難點(diǎn)：（1）高剛架布置有三層鋼筋混凝土樓面夾層，使得此處平面外剛度較大，整體剛度不均勻。（2）夾層處布置數(shù)臺(tái)50 t重設(shè)備，平面上重荷載偏置。（3）主跨40 m，接近“門剛規(guī)范”中建議跨度的上限48 m，屬于大跨結(jié)構(gòu)。（4）高剛架高度25 m，超過了“門剛規(guī)范”中建議高度的上限18 m，屬于超高門剛結(jié)構(gòu)。（5）屋面布置一臺(tái)5 t電動(dòng)單梁懸掛起重機(jī)，超過了“門剛規(guī)范”中建議懸掛起重機(jī)起重量不超過3 t的上限。

圖2為某大跨超高門式剛架施工過程之實(shí)景。

圖2 某大跨超高門式剛架施工過程之實(shí)景

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)前述的計(jì)算方法，大跨超高門式剛架分別按平面結(jié)構(gòu)模型及整體空間模型分析。平面結(jié)構(gòu)模型采用PKPM的門式剛架模塊計(jì)算，整體空間模型采用SAP2000計(jì)算。

2.2.1 平面結(jié)構(gòu)模型

分別對(duì)高剛架、低剛架建立平面結(jié)構(gòu)模型，為減小基礎(chǔ)底部彎矩，柱底采用鉸接節(jié)點(diǎn)，平面結(jié)構(gòu)模型分別見圖3、圖4所示。

圖3 高剛架平面計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 低剛架平面計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

限于篇幅，平面結(jié)構(gòu)模型的各荷載組合彎矩圖、剪力圖、軸力圖不再贅述，其結(jié)果如下：各荷載組合下，高剛架最大彎矩788 kN·m，位置在左側(cè)夾層梁柱節(jié)點(diǎn)。高剛架最大剪力327 kN，位置在左側(cè)夾層梁端。高剛架最大軸力1 838 kN，位置在中柱柱底。由于高剛架帶有重載夾層，以上最大值均產(chǎn)生在樓面活荷載控制工況，故樓面活荷載是高剛架的控制荷載。

低剛架最大彎矩1 707 kN·m，位置在左側(cè)梁柱節(jié)點(diǎn)。最大剪力159 kN，位置在左柱柱底。最大軸力431 kN，位置在中柱柱底。由于低剛架跨度大，對(duì)風(fēng)荷載較敏感，以上最大值均產(chǎn)生在風(fēng)荷載控制工況，風(fēng)荷載是低剛架的控制荷載。

2.2.2 整體空間模型

整體計(jì)算空間模型見圖5所示，采用整體計(jì)算空間模型方法求得各振型自振周期及其形態(tài)，前9個(gè)振型的自振周期如表1所列。在各種荷載組合下，內(nèi)力包絡(luò)計(jì)算圖如圖6～圖8所示。

圖5 整體計(jì)算空間模型示意圖

表1 前9個(gè)振型自振周期表

圖6 各荷載組合下構(gòu)件軸力包絡(luò)圖

圖7 各荷載組合下構(gòu)件彎矩包絡(luò)圖

圖8 各荷載組合下構(gòu)件剪力包絡(luò)圖

整體計(jì)算最大彎矩為1 641 kN·m，產(chǎn)生在為風(fēng)荷載控制工況，位置在低剛架梁柱節(jié)點(diǎn)。最大剪力為298 kN，產(chǎn)生在為樓面活荷載控制工況，位置在高剛架夾層梁端。最大軸力為1 765 kN，產(chǎn)生在為樓面活荷載控制工況，位置在高剛架中柱柱底。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得：整體模型計(jì)算得最大內(nèi)力均較平面模型稍小，可知采用平面模型是偏安全的。

2.3 概念設(shè)計(jì)及構(gòu)造措施

概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算是相輔相成的，該大跨超高門式剛架在以下方面加強(qiáng)其構(gòu)造：（1）加強(qiáng)重要節(jié)點(diǎn)。為加強(qiáng)梁柱端板、梁梁端板、柱底節(jié)點(diǎn)，在螺栓計(jì)算時(shí)，乘以放大系數(shù)，同時(shí)采用摩擦型高強(qiáng)螺栓加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)剛度。（2）選用合適的屋面墻面板材，保證蒙皮效應(yīng)的發(fā)揮。屋面墻面圍護(hù)均采用100 mm厚巖棉夾芯彩鋼板，板的拼接采用咬邊連接，板與檁條連接采用密布自攻螺釘，在屋脊、檐口處額外加密螺釘。（3）提高瘦高型截面剛架梁柱的穩(wěn)定性，水平支撐、柱間支撐均采用雙層型鋼交叉支撐。（4）加密支撐間距至18 m以下，增強(qiáng)整體剛度。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)大跨超高門式剛架結(jié)構(gòu)的計(jì)算進(jìn)行了總結(jié)。限于篇幅，尚有以下問題有待進(jìn)一步探討：

（1）需考慮大跨超高門式剛架梁柱端板的半剛性連接對(duì)整體模型計(jì)算的影響。完全剛接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)假定會(huì)高估剛架的穩(wěn)定承載能力，在“門剛規(guī)范”所建議的高度和跨度范圍內(nèi)的門剛結(jié)構(gòu)，由于經(jīng)過大量研究和試驗(yàn)，其計(jì)算結(jié)果的安全性有一定保證。而超高門式剛架的梁柱線剛度較大，梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度對(duì)剛架穩(wěn)定承載力的影響程度變大，應(yīng)特別注意梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性對(duì)剛架穩(wěn)定承載力的影響[4]。

（2）大跨超高門式剛架需探索結(jié)合施工方案強(qiáng)化設(shè)計(jì)。該類結(jié)構(gòu)在施工過程中，支撐節(jié)點(diǎn)僅有安裝螺栓，拼接節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓未終擰，梁柱翼緣未對(duì)焊。且由于構(gòu)件超高超長(zhǎng)，施工過程中僅靠纜風(fēng)繩等常規(guī)手段容易出現(xiàn)施工事故。國(guó)內(nèi)在建門式剛架發(fā)生事故一般都集中在高度≥15m的項(xiàng)目。故該類結(jié)構(gòu)需探索結(jié)合施工方案強(qiáng)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)算平面外帶荷起吊、施工過程平面外穩(wěn)定計(jì)算等工況，以降低風(fēng)險(xiǎn)。

本文中所述工程已建成正常運(yùn)行三年多。綜合而言，本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)大跨超高門式剛架在污泥處理工程中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，分析了該類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、重點(diǎn)、難點(diǎn)，并提出了需進(jìn)一步探討的問題，可為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究提供參考。

[1]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

[3]GB51022-2015，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[4]楊翼賓.梁柱節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)門式剛架穩(wěn)定性的影響 [D].上海：交通大學(xué)，2010.

TU328

B

1009-7716（2017）08-0310-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.097

2017-04-20

黃賽帥（1985-），男，上海人，工程師，從事市政工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。