于澎濤

（上海環(huán)境工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200072）

1 引言

目前，我國大部分建筑裝潢垃圾的處理方式是郊外堆放，這樣處理會對水體、大氣及土壤產(chǎn)生污染，造成用地緊張的困境，并嚴(yán)重影響市容和環(huán)境衛(wèi)生。裝潢垃圾的綜合利用是循環(huán)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。本項(xiàng)目為常州市某建筑裝潢垃圾綜合利用項(xiàng)目，總規(guī)模3×105t/a。本文結(jié)合項(xiàng)目案例對主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

2 工程概況

本工程位于常州市新北區(qū)魏化路以南，濱江一路以西。主廠房總建筑面積9 578.44 m2，軸線尺寸71.8 m×127.5 m。結(jié)構(gòu)形式為門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)，雙坡屋面（坡度5%），檐口高度17.700 m（室內(nèi)外高差300 mm）。剛架對稱雙跨布置，單跨跨度35.900 m，兩跨分別布置50 kN（5 t）地操式檢修吊車各1 臺，工作級別A3。典型剛架立面圖如圖1 所示。主廠房內(nèi)設(shè)備平臺使用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。主廠房建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計地震加速度為0.10g；設(shè)計地震分組為第一組；場地類別為Ⅲ類；特征周期Tg=0.45 s，阻尼比為0.05[1]。屋面活荷載（剛架計算）0.30 kN/m2；屋面活荷載（檁條計算）0.50 kN/m2；基本風(fēng)壓0.4 kN/m2，地面粗糙度為B 類；重現(xiàn)期100 a 雪壓0.4 kN/m2[2]。本工程審圖時間為2021 年6 月，結(jié)構(gòu)計算軟件版本為PKPMV5.2。

圖1 典型剛架立面圖

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱《門規(guī)》）和GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，鋼構(gòu)件應(yīng)力比限值取0.90；屋面鋼梁撓跨比限值取1/180；剛架柱頂位移限值h/180；由柱頂位移和構(gòu)件撓度產(chǎn)生的屋面坡度改變值不大于坡度設(shè)計值的1/3。剛架梁、柱材質(zhì)為Q355B，邊柱截面為H650 mm×350 mm×8 mm×16 mm；中柱截面為H450 mm×420 mm×8 mm×18 mm；檐口變截面鋼梁截面為H（1 200~700）mm×250 mm×8 mm×12 mm；屋脊變截面鋼梁截面為H（700~1 550~700）mm×400 mm×10 mm×18 mm；跨中鋼梁截面為H700 mm×280 mm×8 mm×14 mm。計算結(jié)果見表1。

表1 計算結(jié)果

3.1 房屋高度

根據(jù)工藝專業(yè)吊車軌頂標(biāo)高提資，綜合考慮吊車頂部安全距離、檐口鋼梁高度等因素，房屋高度定為18.000 m?！堕T規(guī)》的適用范圍是房屋高度不大于18 m，高寬比小于1.0，此適用范圍主要是針對風(fēng)荷載系數(shù)的要求而規(guī)定的[3]。主廠房高度18 m，處在《門規(guī)》適用范圍的上限，使用《門規(guī)》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計并按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（以下簡稱《荷規(guī)》）中封閉式雙坡屋面體形系數(shù)進(jìn)行安全校核。對比兩規(guī)范風(fēng)荷載取值，《門規(guī)》鋼梁風(fēng)吸力取值較大，而鋼柱風(fēng)荷載取值偏小。屋面鋼梁的應(yīng)力比由《門規(guī)》風(fēng)荷載控制；邊柱上階柱應(yīng)力比由《門規(guī)》風(fēng)荷載控制，而邊柱下節(jié)柱及中柱上、下節(jié)柱的應(yīng)力比均由《荷規(guī)》風(fēng)荷載控制。在《門規(guī)》和《荷規(guī)》風(fēng)荷載作用下，柱頂位移分別為H/391 和H/260。

3.2 雪荷載取值

《門規(guī)》第4.3.1 條規(guī)定，剛架雪荷載計算采用100 年重現(xiàn)期的雪壓。剛架跨度較大，屋面雪荷載分3 種工況：

1）全跨積雪的均勻分布；

2）不均勻分布；

3）半跨積雪的均勻分布

對于全跨積雪的均勻分布工況，根據(jù)《荷規(guī)》按“有女兒墻及其他突起物的屋面”情況的積雪分布系數(shù)μr取值，對檐口積雪不利位置進(jìn)行荷載調(diào)整。雪荷載3 種工況及屋面活荷載均按互斥活荷載方式輸入。

檁條計算時，活荷載和雪荷載分別輸入，一般位置檁條活荷載值大于雪荷載值，而女兒墻附近檁條則相反，此處按有女兒墻及其他突起物的屋面情況的積雪分布系數(shù)進(jìn)行雪荷載計算，且考慮此處雙坡屋面邊區(qū)風(fēng)荷載的不利因素，檐口位置檁條做局部加密處理。

3.3 鋼梁的平面外計算長度

《門規(guī)》實(shí)施前，門式剛架鋼梁的平面外計算長度取隅撐的間距，即檁條間距的2 倍，一般為3 m。現(xiàn)行《門規(guī)》第7.1.6條條文說明明確規(guī)定：“……，隅撐不能作為梁的側(cè)向支撐，不能充分地給梁提供側(cè)向支撐，而僅僅是彈性支座。……，隅撐支撐的梁的計算長度不小于兩倍的隅撐間距?！爆F(xiàn)行《門規(guī)》規(guī)定隅撐僅作為梁的平面外彈性支座，鋼梁的平面外計算長度根據(jù)梁下翼緣和隅撐的相對剛度確定。鋼結(jié)構(gòu)CAD 軟件STS依據(jù)規(guī)范，為鋼梁平面外計算長度計算提供3 種方法：

1）按支撐計算；

2）按隅撐作為支撐點(diǎn)計算；

3）取支撐與隅撐計算的較小值。

其中，方法（2）要求設(shè)置隅撐相關(guān)信息，并將隅撐信息布置到鋼梁構(gòu)件，隅撐作為彈性支座確定鋼梁平面外計算長度。主廠房屋面在各抗風(fēng)柱頂節(jié)點(diǎn)位置，沿廠房縱向在各榀剛架間均設(shè)置剛性系桿。當(dāng)剛架跨度較大時，鋼梁翼緣厚度和寬度計算值均較大，由程序計算確定的平面外計算長度會出現(xiàn)大于屋面水平支撐節(jié)點(diǎn)間距的情況，這樣處理不合理。

本工程選用第3 種方法，平面外計算長度取支撐和隅撐計算的較小值。

3.4 鋼柱平面外計算長度和柱間支撐計算

邊柱上階柱布置單片雙角鋼人字形支撐（2- 110 mm×8 mm），下階柱設(shè)雙層雙片角鋼交叉支撐（2- 110 mm×70 mm×6 mm），在檐口、牛腿及下階柱中心標(biāo)高位置沿廠房縱向設(shè)置通長水平剛性系桿，邊柱柱間支撐立面圖詳見圖2；中柱上階柱布置單片雙角鋼交叉支撐（2- 90 mm×6 mm），下階柱設(shè)雙層雙片角鋼交叉支撐（2- 125 mm×80 mm×8 mm），在屋脊和牛腿位置沿廠房縱向設(shè)置通長水平剛性系桿，中柱柱間支撐立面圖詳如圖3 所示。柱間支撐均按拉桿進(jìn)行設(shè)計?？紤]到主廠房高度為《門規(guī)》適用范圍的上限值，邊柱沿廠房高度布置間距3 m 的墻面隅撐，邊柱平面外計算長度取柱間支撐節(jié)點(diǎn)間距和兩倍隅撐間距的較小值；中柱平面外計算長度取柱間支撐節(jié)點(diǎn)間距。

圖2 邊柱柱間支撐立面圖

圖3 中柱柱間支撐立面圖

主廠房設(shè)計時對邊柱、中柱縱向柱列（包含柱間支撐和水平系桿）分別建立二維計算模型，并按下列方式進(jìn)行模型輸入：

1）柱底按鉸接處理；

2）柱頂分別輸入鋼梁導(dǎo)算至柱頂?shù)暮?、活?jié)點(diǎn)荷載；

3）鋼柱平面外計算長度取剛架計算的平面內(nèi)計算長度，平面內(nèi)計算長度取柱間支撐節(jié)點(diǎn)間距；

4）風(fēng)荷載以柱頂水平節(jié)點(diǎn)荷載方式輸入；

5）吊車的縱向水平力以水平節(jié)點(diǎn)荷載方式輸入；

6)交叉支撐平面外計算長度取整長，平面內(nèi)計算長度取整長的1/2；

7）雙片支撐截面按角鋼組合截面輸入，根據(jù)角鋼中性軸位置相同原則確定組合截面的肢背間距；

8）柱間支撐范圍內(nèi)雙片水平系桿按壓桿設(shè)計，根據(jù)構(gòu)件軸壓力包絡(luò)值驗(yàn)算分肢的局部穩(wěn)定。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)吊裝要求

鋼結(jié)構(gòu)吊裝安全事故頻發(fā)，為避免類似事故發(fā)生，設(shè)計文件應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范條款對鋼結(jié)構(gòu)安裝提出指導(dǎo)意見?！堕T規(guī)》第14.2.6 條對鋼結(jié)構(gòu)主構(gòu)件的安裝要求做了詳細(xì)規(guī)定，內(nèi)容包括構(gòu)件安裝順序、基礎(chǔ)頂面二次灌漿要求、關(guān)鍵構(gòu)件吊裝前的穩(wěn)定驗(yàn)算、施工臨時措施及大型構(gòu)件吊點(diǎn)安裝驗(yàn)算等內(nèi)容。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計說明中增加《門規(guī)》第14.2.6 條的相關(guān)內(nèi)容，以便鋼結(jié)構(gòu)安裝安全有序進(jìn)行。

4 基礎(chǔ)設(shè)計

4.1 基礎(chǔ)計算及樁選型

部分設(shè)計師使用PKPMV5.2 及之前版本做門剛樁基計算時，把PK 模型導(dǎo)入門剛?cè)S設(shè)計模塊，上部結(jié)構(gòu)計算后接力JCCAD 模塊進(jìn)行樁基設(shè)計，此方法計算結(jié)果有誤。PK 模型中的工況，如左風(fēng)1 和右風(fēng)1 等，是剛架平面內(nèi)的二維荷載工況。接力JCCAD 模塊后，左風(fēng)2 和右風(fēng)2 兩種工況會丟失，左風(fēng)1 和右風(fēng)1 被轉(zhuǎn)為風(fēng)X和風(fēng)Y兩種三維荷載工況，直接反號后得到風(fēng)X-和風(fēng)Y-工況。使用上述計算方式會丟失兩種平面荷載工況，并增加兩種非必要的荷載組合，從而導(dǎo)致計算結(jié)果錯誤。Morgain 提供二維模型的基礎(chǔ)計算方法，導(dǎo)入PK基礎(chǔ)計算文件JCdata.out，讀入所有標(biāo)準(zhǔn)組合和基本組合并確定各目標(biāo)組合，據(jù)此進(jìn)行樁基設(shè)計，按此方法進(jìn)行門剛樁基設(shè)計相對準(zhǔn)確可行。

計算分析表明，柱底彎矩Mmax 工況對邊柱樁基設(shè)計起控制作用，最大樁拔力為260 kN，中柱豎向荷載大，未出現(xiàn)樁拔力。樁長20 m，單樁豎向抗壓、抗拔承載力特征值分別為700 kN 和300 kN。預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁具有良好的樁身抗拔性能，從經(jīng)濟(jì)性和接樁方式等方面綜合考慮，選用建華建材企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/321183 JH001—2020《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁》中的300 mm×300 mm 預(yù)應(yīng)力實(shí)心方樁[4]。

4.2 共柱承臺計算

主廠房設(shè)備平臺為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架柱布置在主廠房雙向軸網(wǎng)相交位置。在鋼柱附近，框架柱的定位避開鋼柱柱腳底板，與鋼柱之間設(shè)抗震縫，鋼柱柱腳底板以下框架柱和鋼柱共用基礎(chǔ)短柱。框架結(jié)構(gòu)和門剛分別按三維和二維方式計算，基礎(chǔ)計算方式也不相同。設(shè)備平臺框架模型增加地梁層，基礎(chǔ)短柱在鋼柱節(jié)點(diǎn)位置通過自定義荷載工況，添加+X風(fēng)、-X風(fēng)、+Y風(fēng)和-Y風(fēng)等工況并以節(jié)點(diǎn)荷載方式輸入相應(yīng)工況下的鋼柱柱底反力。JCCAD 模塊進(jìn)行荷載組合時，把自定義工況和普通工況，根據(jù)工況的類型和方向進(jìn)行疊加，然后進(jìn)行共柱承臺計算。

5 結(jié)語

本文對常州市某建筑裝潢垃圾綜合利用項(xiàng)目主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行總結(jié)，分別對上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計的要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹，為類似的工程提供借鑒。