丁海方

(中煤天津設(shè)計工程有限責(zé)任公司,天津 300120)

1 工程概況

廠房建筑高度21.8 m，設(shè)置一臺20/5 t橋式起重機，下部各層布置有工藝設(shè)備，樓面板采用鋼格柵板。廠房三維空間布置如圖1所示。

圖1 廠房三維空間簡圖

2 計算模型建立

2.1 建模注意問題

(1) 計算分析模型建立的正確與否對后續(xù)的構(gòu)件設(shè)計非常關(guān)鍵，由于PKPM-SATWE模塊是基于層概念來進(jìn)行模型建立。其風(fēng)荷載倒算是搜索計算模型每一層的外圍輪廓然后按照其側(cè)向投影面進(jìn)行倒算。由于頂部帶坡屋面的存在，層高輸入時應(yīng)以屋脊處最高點作為層高輸入，檐口處的柱頂通過降低節(jié)點高度的辦法來建立坡屋面，這樣就能避免風(fēng)荷載倒算時的錯誤。

(2) 屋面結(jié)構(gòu)一般均采用的是輕質(zhì)的壓型鋼板或者彩鋼夾芯板屋面，在屋面恒載輸入時應(yīng)注意程序默認(rèn)的導(dǎo)荷方式為45°塑性角導(dǎo)荷，與實際的屋面板通過檁條向屋面梁的傳遞方式不一致，需要人工修改導(dǎo)荷方式為對邊傳導(dǎo)。

(3) 屋面系桿輸入時應(yīng)注意，屋面系桿如按照斜桿方式輸入，PKPM-SATWE程序無法識別屋面邊界,無法形成屋面封閉以致無法導(dǎo)算荷載，因此系桿應(yīng)按梁單元輸入，這樣程序才能正確識別并形成閉合的屋面板，才能正確地倒算傳遞屋面荷載[1]。

2.2 荷載輸入注意問題

(1)對于自定義的恒載屬性的設(shè)備荷載程序進(jìn)行計算時，當(dāng)考慮施工順序模擬時其是在整體結(jié)構(gòu)剛度矩陣形成后的一次性加載，與實際情況較為符合。如不自定義為恒載工況，按普通恒載且考慮施工模擬時，這時候是在結(jié)構(gòu)每一層形成剛度矩陣后加載荷載，這種模式一般適用于高層建筑或者層比較明顯的結(jié)構(gòu)，但對于選煤廠主廠房這種結(jié)構(gòu)則不適用。

(2) 對于風(fēng)荷載輸入問題，一般的結(jié)構(gòu)我們按照軟件默認(rèn)的參數(shù)風(fēng)計算即可，但是對于這種廠房結(jié)構(gòu)，由于頂部為門式剛架結(jié)構(gòu)存在坡屋面，需要考慮風(fēng)吸力作用，這種情況下普通的參數(shù)風(fēng)就不能完全適應(yīng)，需要對風(fēng)荷載進(jìn)行精細(xì)化處理。可以采用程序內(nèi)置的特殊風(fēng)荷載來考慮[2]。

(3)風(fēng)荷載倒算過程中應(yīng)注意程序提供了傳統(tǒng)方式和精細(xì)方式兩種風(fēng)荷載倒算方式，如圖2所示。

圖2 特殊風(fēng)計算時倒算的兩種方式

這兩種方式的主要區(qū)別是:傳統(tǒng)方式將結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面或者背面的風(fēng)壓或者風(fēng)吸力以節(jié)點荷載的方式倒算到結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的各個節(jié)點上，如有剛性板存在則直接施加到質(zhì)心上；精細(xì)方式是將結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面或者背面的風(fēng)壓或者風(fēng)吸力以均布荷載的方式倒算到結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件上。一般情況建議采用精細(xì)方式進(jìn)行風(fēng)荷載倒算，對于柱構(gòu)件來說這兩種導(dǎo)荷方式區(qū)別很大，以一個高L的單柱來說明這個問題。傳統(tǒng)方式倒算風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩作用為P×L，P基本風(fēng)壓×風(fēng)荷載導(dǎo)荷面積，L為柱高；精細(xì)方式倒算風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩作用為0.5×q×L2，q=基本風(fēng)壓×風(fēng)荷載導(dǎo)荷面積，L為柱高。可以看出,對于柱來說,不同的倒算方式產(chǎn)生的作用差別很大。

3 計算設(shè)計中需注意的要點

3.1 結(jié)構(gòu)類型的準(zhǔn)確定義

這種類型的鋼結(jié)構(gòu)廠房,嚴(yán)格來說在規(guī)范中并沒有嚴(yán)格符合的結(jié)構(gòu)類型，相對來說其與多層鋼結(jié)構(gòu)廠房符合度較高，如長細(xì)比控制、寬厚比、強柱弱梁調(diào)整這些指標(biāo)，因此在結(jié)構(gòu)類型選擇時應(yīng)注意按照多層鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行控制。

3.2 構(gòu)件類型的準(zhǔn)確定義

對于下部的框架結(jié)構(gòu)部分，一般情況下程序都能正確識別，無須人工干預(yù)，但是對于頂部的門式剛架部分，計算程序是無法正確識別的，需要設(shè)計人員進(jìn)行人工指定。特別是對于門式鋼梁一定要進(jìn)行人工指定，否則計算程序按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的純彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計驗算，將構(gòu)件中的軸力丟掉，只進(jìn)行受彎承載力驗算。應(yīng)當(dāng)指出，對于門式鋼梁，由于屋面存在一定坡度，梁構(gòu)件中往往存在軸力，這與普通平層結(jié)構(gòu)由于有樓板的約束一般梁構(gòu)件中的的軸力很小可忽略不計的情況不同，如果忽略，對于梁構(gòu)件的安全度降低太多，同時門式鋼梁一般為了考慮經(jīng)濟(jì)性都做成了變截面形式，這時候《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的受彎構(gòu)件穩(wěn)定驗算公式就不太適用了，應(yīng)按照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的變截面梁的穩(wěn)定承載力驗算公式進(jìn)行驗算[3]。

3.3 柱計算長度的準(zhǔn)確指定

下部框架部分計算程序根據(jù)梁、柱線剛度比(《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》附錄D)計算得到柱的計算長度系數(shù)，一般情況下無須人工干預(yù)。但頂部的門式剛架部分，計算程序仍然按照上述辦法進(jìn)行柱的計算長度系數(shù)倒算，就會產(chǎn)生很大問題。首先頂部鋼梁一般情況下為變截面鋼梁(《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》附錄D)，對于這種情況完全不適用，線剛度會按照取平均的辦法進(jìn)行計算，這樣得出的結(jié)果一般是錯誤的。同時，由于面外方向為兩端鉸接的系桿，鉸接桿件對柱面外方向的約束基本為0，這樣程序就會得出一個很大的計算長度系數(shù)，這與實際情況是不符合的。實際上，門式剛架的面外方向是通過剛性系桿加柱間支撐的桁架體系來傳遞面外方向的荷載并提供面外支撐剛度，而三維計算分析時計算程序是無法識別這種情況的，因此需要設(shè)計人員人工干預(yù)。一般采用的辦法是根據(jù)頂部門式剛架部分的梁柱斷面建立一榀二維門剛模型計算得到長度系數(shù)。

上述辦法僅僅適用于下部框架比較規(guī)則的情況，如果工藝布置的原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)中存在大量的躍層柱、大開洞、錯層等情況，實際上是不適用的。傳統(tǒng)的計算長度系數(shù)辦法，也就是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》附錄D提供的辦法只適合柱距規(guī)則、各個柱之間的荷載較為均勻的情況，當(dāng)柱距不規(guī)則、層不明顯、各個柱間荷載差距較大時，應(yīng)用梁柱線剛度比的辦法來模擬梁對柱的約束，或者各個柱之間互相提供約束的辦法來計算構(gòu)件的穩(wěn)定，以保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，已經(jīng)無法得出準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。

4 結(jié)束語

本文為筆者在實際工作中進(jìn)行此類結(jié)構(gòu)的建模分析設(shè)計時對于一些建模、計算、設(shè)計過程的疑惑或者注意要點的一些體會，可為其他設(shè)計人員使用軟件和理解規(guī)范提供一定的幫助，不當(dāng)之處和不足之處希望廣大同行予以批評指正。