李明濤

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 車輛基地廠房結(jié)構(gòu)形式選擇

根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]，截止2016年底，中國大陸地區(qū)已有30個城市開通城市軌道交通運營，隨著公共交通出行需求的增長，還會有越來越多的城市修建軌道交通。作為軌道交通重要組成部分的車輛基地，其工程費用占全線工程費用的6%～12%[2]，廠房的造價約占基地工程費用的一半，廠房結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量將直接影響到車輛基地工程造價的高低。因此，為合理地控制成本、節(jié)約投資，科學(xué)、經(jīng)濟、合理地開展實際工程設(shè)計，對廠房的屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進行總結(jié)分析便顯得十分必要。

根據(jù)工藝使用要求，車輛基地廠房(運用庫、檢修庫等)常用的結(jié)構(gòu)形式有以下幾種：現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架、混凝土柱支撐輕鋼屋架或預(yù)應(yīng)力混凝土屋架、門式剛架、混凝土柱支撐網(wǎng)架屋蓋等[3-7]，如圖1～圖4所示。

圖1 現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)

圖2 混凝土柱支撐鋼屋架結(jié)構(gòu)

如表1所示，對上述結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點進行對比分析可知，現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)一般適用于進行上蓋物業(yè)開發(fā)或屋頂綠化的車輛基地，由于抗震性能、采光及建筑外觀、施工等因素，實際工程中混凝土柱支撐輕鋼屋架或預(yù)應(yīng)力混凝土屋架已較少應(yīng)用，門式剛架及混凝土柱支撐網(wǎng)架屋蓋應(yīng)用較多，其中網(wǎng)架屋蓋在廣州、西安、昆明、武漢[8-12]等地均有應(yīng)用。本文結(jié)合車輛基地的工藝特點，從兩方面對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點進行了總結(jié)分析，一是對影響網(wǎng)架用鋼量的結(jié)構(gòu)方案進行了對比分析，二是對混凝土柱支撐網(wǎng)架屋蓋的結(jié)構(gòu)計算模型選擇進行了對比分析，并結(jié)合具體分析給出了工程設(shè)計建議。

圖3 門式剛架結(jié)構(gòu)

圖4 混凝土柱支撐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

表1 車輛基地廠房結(jié)構(gòu)方案比較

2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計要點

網(wǎng)架屋蓋占廠房整體投資比例比重較大，下面從支撐柱距、網(wǎng)格尺寸、結(jié)構(gòu)端部高度、連續(xù)或簡支網(wǎng)架的選擇、結(jié)構(gòu)起坡方面(圖5～圖8)著手分析其對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)用鋼量的影響，以選擇經(jīng)濟合理的網(wǎng)架方案。

圖5 兩跨連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意

圖6 兩跨連續(xù)起坡網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意

圖7 三跨連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意

圖8 三跨連續(xù)起坡網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意

2.1 支撐柱距選擇

支撐柱距會影響水平桿及腹桿的長細比、節(jié)點的數(shù)量，對于采用彩鋼板或夾芯板屋面的屋蓋，還會影響檁條的跨度，對網(wǎng)架經(jīng)濟性影響較大。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件為二力桿，其控制指標(biāo)為應(yīng)力值與長細比，一般跨度方向桿件受應(yīng)力值控制，垂直跨度方向桿規(guī)格受長細比控制，腹桿同時受應(yīng)力值和長細比控制。當(dāng)網(wǎng)架屋蓋尺寸和荷載一致時，柱距越大，桿件規(guī)格越大，桿件數(shù)量越小，檁條或屋面板規(guī)格也越大，檁條及節(jié)點數(shù)量越??；反之，柱距越小，桿件規(guī)格越小，桿件數(shù)量越大，檁條或屋面板規(guī)格也越小，節(jié)點及檁條數(shù)量越大。因此網(wǎng)架支撐柱距不是越大越好，也不是越小越好，以跨5條停車列檢線的單跨簡支網(wǎng)架為例，跨度為25.4 m，分別采用6、7、7.5、8、8.5、9、10 m柱距進行對比分析，如圖9所示，在荷載一致條件下，最佳柱距在8 m左右，考慮建筑模數(shù)、基礎(chǔ)工程及吊車的影響，一般選擇9 m柱距。

圖9 不同柱距下網(wǎng)架用鋼量

2.2 網(wǎng)格尺寸選擇

以25.3 m跨度、高度1.5 m的網(wǎng)架為例，對典型網(wǎng)格尺寸對比分析發(fā)現(xiàn)，如圖10所示，網(wǎng)格尺寸越大網(wǎng)架用鋼量小，目前與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)配套使用的鋼框架輕型屋面板規(guī)格主要為3 m×3 m、3.3 m×3.3 m、3.6 m×3.6 m、3.9 m×3.9 m、4.0 m×4.0 m，因此實際工程中網(wǎng)架宜結(jié)合縱橫向柱距選用較大的網(wǎng)格尺寸。

圖10 不同網(wǎng)格尺寸下網(wǎng)架用鋼量

2.3 簡支或連續(xù)網(wǎng)架

圖11 不同跨度簡支/連續(xù)網(wǎng)架用鋼量

分別對跨度為20.8、25.3、30、34.6、39.2、43.8、48.4 m的網(wǎng)架按單跨簡支、兩跨連續(xù)、三跨連續(xù)條件進行計算，用鋼量對比分析如圖11所示。由圖11可知，連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)本身在經(jīng)濟性方面優(yōu)于單跨簡支，可節(jié)省用鋼量10%～17%。因此，地質(zhì)條件較好時，宜結(jié)合工藝布置優(yōu)先選用連續(xù)網(wǎng)架。

2.4 結(jié)構(gòu)起坡或不起坡

屋面排水需要進行找坡，找坡方案有兩種，一種是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)找坡，一種是在網(wǎng)架上弦球上加小立柱找坡。對于單跨簡支網(wǎng)架，兩種找坡方案結(jié)構(gòu)用鋼量差別不大。對于連續(xù)網(wǎng)架，以48.4 m跨度的兩跨、三跨連續(xù)網(wǎng)架為例進行對比分析，如圖12所示(圖中不起坡方案未含小立柱用鋼量)，從圖12可以看出，不起坡方案用鋼量更節(jié)省，但考慮小立柱用鋼量后，二者用鋼量接近。因此實際工程中，考慮屋面排水需求，同時避免出現(xiàn)小立柱穩(wěn)定問題，網(wǎng)架屋蓋建議采用結(jié)構(gòu)找坡排水方案。

圖12 連續(xù)網(wǎng)架起坡和不起坡時用鋼量

2.5 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)端部高度選擇

為了得出網(wǎng)架用鋼量隨網(wǎng)架端部高度的變化關(guān)系，以48.4 m跨度的網(wǎng)架為例，分析單跨簡支、兩跨連續(xù)、三跨連續(xù)網(wǎng)架用鋼量隨端部矢高變化情況，如圖13所示。從圖13可以看出，單跨簡支、兩跨連續(xù)、三跨連續(xù)情況下網(wǎng)架用鋼量隨端部高度的變化關(guān)系，端部高度取值為2.7～3.0 m時用鋼量最節(jié)省。因此，實際工程中建議網(wǎng)架端部高度取其跨度的1/15～1/20。

圖13 不同端部高度的網(wǎng)架用鋼量

3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計算模型選擇

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體計算分析在工程實踐中存在多種方法，如何選擇值得思考。以前由于工程設(shè)計軟件在復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)建模和混合材料結(jié)構(gòu)的整體計算分析方面具有局限性，無法進行整體建模分析，實際工程中常采用分離式的設(shè)計方法，上部網(wǎng)架和下部混凝土支撐結(jié)構(gòu)分別采用兩個不同軟件進行分析計算，如下部結(jié)構(gòu)常采用PKPM軟件進行設(shè)計、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用3D3S/MST軟件進行設(shè)計。而為了考慮結(jié)構(gòu)的整體性，結(jié)構(gòu)設(shè)計時采取不同的方法來近似考慮二者的協(xié)同作用，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用固定鉸支座或彈性支座來模擬下部支撐結(jié)構(gòu)的剛度影響，下部混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計一般采取下述方法[13-18]來模擬網(wǎng)架對下部結(jié)構(gòu)的作用。

方法1：假設(shè)網(wǎng)架平面內(nèi)剛度無窮大，采用剛性板來模擬網(wǎng)架；

方法2：忽略網(wǎng)架的剛度，下部混凝土結(jié)構(gòu)計算時按屋蓋全開洞處理；

方法3：將網(wǎng)架部分的剛度按照一定的規(guī)則等代為交叉鋼梁或彈性板進行整體分析；

方法4：連接下部混凝土結(jié)構(gòu)與網(wǎng)架屋蓋，建立整體計算模型。

以跨度30 m的單跨簡支網(wǎng)架為例，采用上述4種方法分別建立模型進行計算，模型如圖14～圖17所示，以方法4建立的整體計算模型分析結(jié)果為基準(zhǔn)值，對上述模型的部分計算結(jié)果進行對比，如表2所示。

圖14 模型1-采用剛性板模擬網(wǎng)架

圖15 模型2-屋蓋全開洞

圖16 模型3-采用彈性膜模擬網(wǎng)架

圖17 模型4-整體計算模型

由表2可知：

(1)全開洞模型的柱構(gòu)件約束條件失真，其周期遠大于整體計算模型的周期值，地震作用計算失真；將網(wǎng)架用剛性板來代替，則過高估計整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度；用等代梁或彈性膜代替網(wǎng)架的模型分析結(jié)果與整體模型較為接近，但需要準(zhǔn)確確定等代梁和等代彈性板的尺寸；

(2)剛性樓板假定和全開洞口假定條件下的位移與基準(zhǔn)值差別較大，全開洞模型忽略了網(wǎng)架的平面內(nèi)剛度，形成了懸臂柱，而剛性樓板假定過高估計了網(wǎng)架的面內(nèi)剛度，地震作用及位移計算均與實際不符。

表2 不同模型計算結(jié)果對比分析

(3)全開洞模型的柱內(nèi)力的分布和大小同基準(zhǔn)模型差距最大，而且內(nèi)力分布極不均勻，忽略了網(wǎng)架對下部結(jié)構(gòu)與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)作用；

(4)方法1～方法3中的簡化模型均忽略了橡膠支座的抗側(cè)作用，不能準(zhǔn)確模擬橡膠支座的彈性剛度，對大跨及超長網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在地震作用及溫度作用計算方面存在偏差。

4 結(jié)語

綜上所述，通過網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方案及整體計算模型的選擇進行對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)考慮建筑模數(shù)、基礎(chǔ)工程及吊車的影響，車輛基地網(wǎng)架的下部支撐結(jié)構(gòu)建議優(yōu)先選用9 m柱距；

(2)實際工程中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)宜結(jié)合縱橫向柱距、屋面板尺寸等選用較大的網(wǎng)格尺寸；

(3)在地質(zhì)較好且沉降可控的情況下，建議結(jié)合工藝布置優(yōu)先選用連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；

(4)考慮不起坡方案的小立柱用鋼量后，起坡與不起坡網(wǎng)架的用鋼量接近，考慮屋面排水需求，同時避免出現(xiàn)小立柱穩(wěn)定問題，網(wǎng)架屋蓋建議采用結(jié)構(gòu)找坡坡排水；

(5)對于簡支或連續(xù)網(wǎng)架，結(jié)構(gòu)端部高度取其跨度的1/15～1/20時用鋼量最省；

(6)相比全開洞方式及剛性板假定，等代梁或等效彈性板方法建立的模型更符合工程實際，另外目前常用工程設(shè)計軟件如PKPMYJK已有條件建立混凝土結(jié)構(gòu)與網(wǎng)架的整體模型，此模型可準(zhǔn)確反映網(wǎng)架與下部支撐結(jié)構(gòu)的整體協(xié)同作用，計算結(jié)果更符合工程實際，建議推廣使用。

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