李 顯 峰

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引言

單層鋼結(jié)構(gòu)廠房廣泛應(yīng)用于冶金、電力、造船、機(jī)械制造等行業(yè)，為滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)更新，越來(lái)越多超高單層鋼結(jié)構(gòu)廠房出現(xiàn)。由于與普通單層廠房存在較大差別，給設(shè)計(jì)人員造成不少設(shè)計(jì)困擾?，F(xiàn)對(duì)廣西防城港市某冷軋廠的熱鍍鋅車(chē)間高跨廠房剛架設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)討論風(fēng)荷載的取值與計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)自振周期對(duì)風(fēng)和地震作用的不同影響，以期為以后類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

本工程所在地抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。特征周期Tg=0.35 s。本廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)。

本工程所在地屬于典型的海洋性季風(fēng)氣候，受臺(tái)風(fēng)影響明顯，年平均1.5個(gè)，歷年最大臺(tái)風(fēng)17級(jí)(登陸時(shí)15級(jí))?；撅L(fēng)壓：0.8 kN/m2(距地面10 m處)，地面粗糙度A類(lèi)?；狙海? kN/m2。

熱鍍鋅車(chē)間高跨廠房剛架為單跨結(jié)構(gòu)，跨度為50.0 m，剛架平均間距為15.0 m，檐口標(biāo)高為71.670 m。屋面及墻皮均采用單層壓型鋼板封閉。廠房?jī)?nèi)設(shè)雙層吊車(chē)，上層吊車(chē)軌面標(biāo)高為65.000 m，下層吊車(chē)軌面標(biāo)高為35.600 m。

2 結(jié)構(gòu)選型

廠房橫向采用剛接框架受力體系，縱向采用由柱、柱間支撐、系桿及吊車(chē)梁組成的鉸接排架受力體系。廠房柱采用雙階柱，在吊車(chē)梁標(biāo)高處變階。本工程下柱和中柱采用四肢鋼管混凝土格構(gòu)式柱，在下層吊車(chē)處設(shè)置肩梁將下柱分為兩段，上柱采用H型鋼柱，屋面梁采用變截面H型鋼梁。鋼管混凝土構(gòu)件具有承載力高、塑性和韌性好以及造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，能以較小直徑的柱肢取得較大的截面抗彎剛度。格構(gòu)柱柱肢以受軸壓力為主，充分發(fā)揮了鋼管混凝土受壓承載力高的特點(diǎn)，適用于荷載偏心率較大或長(zhǎng)細(xì)比較大的結(jié)構(gòu)中。

剛架立面如圖1所示。

3 剛架的設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1 風(fēng)荷載的取值與計(jì)算

根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范第8.1.1條第1款規(guī)定，在計(jì)算主要受力結(jié)構(gòu)時(shí)，垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計(jì)算：

wk=βzμsμzw0

(1)

式(1)中風(fēng)荷載體形系數(shù)μs和風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz分別由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表8.3.1和表8.2.1查得。

由以上工程概況知上式中基本風(fēng)壓w0=0.8 kN/m2。

對(duì)于風(fēng)振系數(shù)βz，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.4.1條正文規(guī)定：“對(duì)于高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋，以及基本自振周期T1>0.25 s的各種高聳結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順向風(fēng)振的影響?！?工業(yè)廠房一般高寬比不大于1.5，本工程廠房高寬比H/B=(71.67+0.8)/50=1.4，因此，單層工業(yè)廠房又不屬于高聳結(jié)構(gòu)。以此來(lái)判斷，工業(yè)廠房一般不用考慮風(fēng)振的影響。在進(jìn)行單層工業(yè)廠房設(shè)計(jì)時(shí)，通常均取風(fēng)振系數(shù)βz=1.0。

而本規(guī)范8.4.1條的條文說(shuō)明規(guī)定：“……當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期T≥0.25 s時(shí)，以及對(duì)于高度超過(guò)30 m且高寬比大于1.5的高柔房屋，由風(fēng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)比較明顯，而且隨著結(jié)構(gòu)自振周期的增長(zhǎng)，風(fēng)振也隨之增強(qiáng)。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮風(fēng)振的影響……”。單層工業(yè)廠房自振周期一般都大于0.25 s，并且很多都大于1 s，甚至有的大于2 s,由PKPM計(jì)算結(jié)果可知，本工程廠房剛架第一振型周期為1.3 s，遠(yuǎn)大于0.25 s。由此判斷，風(fēng)振對(duì)單層工業(yè)廠房的影響很大，不能忽略。

如何理解規(guī)范正文和條文說(shuō)明的歧義。本質(zhì)上講，風(fēng)振影響的大小與結(jié)構(gòu)高度以及高寬比是沒(méi)有直接關(guān)系的，同樣高度以及高寬比的房屋因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)剛度的不同(如多層框架結(jié)構(gòu)和單層排架結(jié)構(gòu))，結(jié)構(gòu)自振周期相差是很大的，甚至是幾倍的關(guān)系，風(fēng)振的影響相差也很大。規(guī)范正文中描述的“……高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋……”是個(gè)很粗略和寬泛的判斷，應(yīng)該是在無(wú)法知道結(jié)構(gòu)自振周期的情況下基于一般經(jīng)驗(yàn)的判斷，并且僅適用于多層框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)以及框架核心筒結(jié)構(gòu)等剛度相對(duì)較大而自振周期相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)。而單層工業(yè)廠房雖然高度或高寬比沒(méi)有超過(guò)規(guī)范正文中的判斷條件，但是因?yàn)閯偠群苄?，自振周期較長(zhǎng)，風(fēng)振的影響很明顯。所以單層工業(yè)廠房并不適合采用規(guī)范正文中高度和高寬比的條件來(lái)判斷是否計(jì)算風(fēng)振影響。另外，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究論文也認(rèn)為：對(duì)于單層工業(yè)廠房設(shè)計(jì)，在計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)振系數(shù)。并且基本風(fēng)壓越大、地面越粗糙、結(jié)構(gòu)自振周期越長(zhǎng)(一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)高寬比越大，跨度越大，構(gòu)件截面越小，結(jié)構(gòu)就越柔，自振周期也就越長(zhǎng))，風(fēng)振系數(shù)也越大。在以往設(shè)計(jì)時(shí)，一般僅根據(jù)廠房高度和高寬比來(lái)判斷是否考慮風(fēng)振的影響，這種處理方法是存在問(wèn)題的。特別是對(duì)于風(fēng)荷載起控制作用時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算不考慮風(fēng)振的影響是不安全的。

3.2 剛架截面選擇與計(jì)算

廠房剛架下柱和中柱采用四肢鋼管混凝土格構(gòu)式柱，上柱采用H型鋼，屋面梁采用變截面H型鋼。柱底剛接，屋面梁與上柱剛接。

橫向剛接框架的格構(gòu)柱應(yīng)選取合適的肢距，肢距過(guò)小，計(jì)算得的柱肢截面偏大，且難以滿(mǎn)足水平位移的限制要求，不經(jīng)濟(jì)，不合理；肢距過(guò)大，則會(huì)占用過(guò)多的空間，肩梁部位也浪費(fèi)，也不合理。實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)剛架高度、風(fēng)壓、地震作用進(jìn)行多次試算和比較，以此來(lái)確定格構(gòu)柱肢距合理尺寸。

另外，根據(jù)計(jì)算分析，風(fēng)荷載水平作用主要由邊柱承受，而地震作用主要根據(jù)柱剛度和受荷范圍來(lái)分擔(dān)。所以，對(duì)于兩跨及兩跨以上的廠房，在地震作用較小、風(fēng)荷載較大的地區(qū)，邊柱應(yīng)盡量采用較大的肢距，中柱可采用較小的肢距；在地震作用較大、風(fēng)荷載較小的地區(qū)中柱肢距應(yīng)大于邊柱肢距。

本工程為單跨結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果表明，由風(fēng)荷載引起的柱內(nèi)力為地震作用引起的柱內(nèi)力的20倍，風(fēng)荷載在剛架內(nèi)力組合中起絕對(duì)控制作用。經(jīng)過(guò)試算比較，最終確定的格構(gòu)柱肢距較大(5.50 m)，符合上述原則。

剛架計(jì)算中，鋼管混凝土格構(gòu)式柱的整體承載力和單肢承載力均應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》B.2.1條，將風(fēng)荷載作用下的柱頂位移控制在H/400以?xún)?nèi)。

4 剛架自振周期T對(duì)風(fēng)振和地震作用影響的比較

剛架自振周期T一般在1 s～20 s，風(fēng)荷載的卓越周期較長(zhǎng)，一般在20 s～60 s。剛架自振周期越長(zhǎng)，越接近風(fēng)荷載的卓越周期，風(fēng)振作用影響越明顯。而地震作用的特征周期Tg一般較短，例如，對(duì)于設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的Ⅱ類(lèi)建筑場(chǎng)地，在設(shè)計(jì)地震分組為第一組時(shí)Tg為0.35 s，第二組時(shí)Tg為0.40 s，第三組時(shí)Tg為0.45 s。一般來(lái)說(shuō)，地震作用的特征周期Tg小于剛架的自振周期T，根據(jù)地震影響系數(shù)曲線可知，自振周期越短地震作用越大，反之越小。

在滿(mǎn)足變形要求的前提下，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)壓、抗震烈度的大小采用合理的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)而獲得合理的結(jié)構(gòu)剛度，以減小水平荷載作用。對(duì)于本工程來(lái)說(shuō)，風(fēng)荷載作用較大，地震作用較小，風(fēng)荷載起控制作用，應(yīng)盡量增大剛架的剛度，減小剛架的自振周期；而對(duì)于風(fēng)荷載較小，地震作用較大，地震作用起控制作用的地區(qū)，應(yīng)盡量減小剛架的剛度，增大剛架的自振周期。

5 關(guān)于剛架柱下層吊車(chē)位置節(jié)點(diǎn)做法的思考

對(duì)于超高單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，由于廠房高度很大，在風(fēng)荷載作用下，柱底彎矩很大，格構(gòu)柱計(jì)算需要的柱底肢距很大。而由格構(gòu)柱彎矩分布圖可知，彎矩沿高度方向接近三角形分布，柱頂彎矩很小，計(jì)算需要的柱頂肢距較小。傳統(tǒng)做法是在下層吊車(chē)位置對(duì)下柱進(jìn)行變階，將其分成兩段，采用不同肢距。變階處要設(shè)置作為柱轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的肩梁，同時(shí)支承吊車(chē)梁。經(jīng)計(jì)算，本工程滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求的肩梁高度為2.90 m。

在以后的工程設(shè)計(jì)中，可以嘗試采用肢距沿高度均勻變化的梯形格構(gòu)柱，在下層吊車(chē)位置設(shè)置牛腿，支承吊車(chē)梁，剛架柱的這種做法既符合彎矩分布特點(diǎn)，又省掉了作為柱轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的肩梁。經(jīng)計(jì)算，本工程滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求的牛腿高度僅為1.50 m。

下層吊車(chē)位置兩種節(jié)點(diǎn)做法見(jiàn)圖2。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用兩種不同做法，節(jié)點(diǎn)耗鋼量對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 兩種節(jié)點(diǎn)做法耗鋼量對(duì)比表

由表1可知，下層吊車(chē)位置節(jié)點(diǎn)采用新做法，更為經(jīng)濟(jì)。另外，由圖2可知，采用新做法的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造更為簡(jiǎn)潔。

值得注意的是，新做法下柱肢距沿高度均勻變化，柱子外形有別于肢距固定的傳統(tǒng)做法，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該和工藝專(zhuān)業(yè)、甲方及施工單位充分溝通，以免造成不必要的麻煩。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于超高單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，風(fēng)荷載對(duì)剛架計(jì)算起控制作用。風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)振系數(shù)的影響，一般來(lái)說(shuō)，基本風(fēng)壓越大、地面越粗糙、結(jié)構(gòu)自振周期越長(zhǎng)，風(fēng)振系數(shù)也越大。對(duì)于剛架的鋼管混凝土格構(gòu)柱，在下層吊車(chē)位置，傳統(tǒng)做法設(shè)置肩梁進(jìn)行變階，耗鋼量很大；采用截面高度均勻變化的梯形格構(gòu)柱，在下層吊車(chē)位置設(shè)置牛腿取代肩梁，既符合剛架柱受力特點(diǎn)，又能大大節(jié)省鋼材。