宋照樺，仝興俊

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300000）

0 引言

自20 世紀(jì)六七十年代開始，國外建筑鋼結(jié)構(gòu)材料發(fā)展有了非常大的技術(shù)突破，包括像H 型鋼、單層或雙層壓型鋼板、薄壁型鋼及冷彎型鋼等一批鋼結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)，極大地推進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，尤其是輕型鋼結(jié)構(gòu)；我國雖然從20 世紀(jì)五六十年代開始就已經(jīng)在部分地區(qū)進(jìn)行了冷彎型鋼的試驗研究和使用試點(diǎn)，但從整體上來說，與之相關(guān)的發(fā)展還是比較緩慢的[1]。從20 世紀(jì)80 年代開始，輕型屋面鋼結(jié)構(gòu)體系隨著國際鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展浪潮和提升鋼材自身防腐蝕涂料、防火涂料的不斷研發(fā)和出現(xiàn)，國內(nèi)的相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)不斷引進(jìn)國際的先進(jìn)技術(shù)，從而使相關(guān)產(chǎn)業(yè)工業(yè)化程度不斷提高，生產(chǎn)成本快速降低，具備了推廣鋼結(jié)構(gòu)的有利條件。門式剛架具備平面布置靈活、跨越能力強(qiáng)、施工作業(yè)方便快捷、外立面簡潔美觀、成本低性價比高等特點(diǎn)[2-3]，逐漸成為國內(nèi)大跨度廠房的首選結(jié)構(gòu)形式。隔壓換熱站由于其內(nèi)部功能比較復(fù)雜，有很長的設(shè)備管溝、大量設(shè)備支架及設(shè)備基礎(chǔ)，因而其廠房跨度都比較大，在這種情況下熱力場站工程都會首選性價比高的門式剛架結(jié)構(gòu)。本文將會以實際完成的工程為背景，系統(tǒng)地研究和討論隔壓換熱站工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括結(jié)構(gòu)建模建立，荷載取值、節(jié)點(diǎn)詳細(xì)構(gòu)造、設(shè)備和管溝的平面布置等問題，其討論分析和相關(guān)闡述能為類似工程提供一定的借鑒。

1 項目概況

鄭州航空港區(qū)某隔壓站項目，廠區(qū)內(nèi)主要由隔壓換熱站及110KV 變配電間、調(diào)度中心樓、檢維修車間、綜合水泵房等部分組成，其效果圖如圖1 所示。其中隔壓換熱站及110KV 變配電間是站內(nèi)最主要的生產(chǎn)廠房，該廠房采用了輕型門式剛架的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)檐口高度為15.0m，女兒墻高度1.5m，變配電間位置結(jié)構(gòu)檐口高度為6m，女兒墻高度0.9m；廠房總寬度為69m，長度為84m，跨度為三跨，間距不等，其中最大跨度為36m，整體為高低不等跨門式剛架體系，結(jié)構(gòu)布置圖如圖2 所示。廠房內(nèi)部設(shè)置兩臺吊車，吊車噸位分別為20t 和15t，地面布置總長度約400m 的設(shè)備管溝，管溝深度為4.2m。地面除了設(shè)備管溝外，就是大量與工藝設(shè)備有關(guān)的設(shè)備基礎(chǔ)和管道相關(guān)的支架，在地面基礎(chǔ)的布置過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)設(shè)備基礎(chǔ)、支架基礎(chǔ)、廠房鋼結(jié)構(gòu)柱基礎(chǔ)和管溝基礎(chǔ)相碰撞的問題，需要逐個分析基礎(chǔ)位置和計算方法。

圖1 廠區(qū)建筑效果圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 模型的建立和計算

2.1 截面布置及邊界條件

結(jié)構(gòu)整體分析和設(shè)計時采用了PKPM 軟件，主要使用了其中STS 模塊進(jìn)行平面建模，之后采用SATWE 進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。鋼結(jié)構(gòu)柱子采用了等截面H 型鋼，主要是因為有吊車的原因，一般情況下沒有吊車布置時采用變截面H 型鋼柱，這樣能節(jié)省工程造價，該工程中由于有兩臺重型吊車，因而建模時采用了等截面的H 型鋼，且柱截面應(yīng)設(shè)計得相對大一點(diǎn)，保證其在吊車運(yùn)行過程中具有足夠的剛度，減少廠房由于吊車引起的振動；大跨度的鋼梁采用了直線布置的形式，相鄰鋼柱之間鋼梁的連線基本能保證通過其截面的形式，通過這種非跨變結(jié)構(gòu)的布置方式，能夠保證鋼梁在豎向荷載的作用下其內(nèi)的軸力會比較小，可以有效地避免產(chǎn)生過大的水平力作用[6]。由于是門式剛架體系，因而梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛接節(jié)點(diǎn)，有些隔壓站換熱站廠房也會使用混凝土柱輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面的布置形式，此時應(yīng)注意混凝土柱與鋼梁之間采用鉸接節(jié)點(diǎn)的情況比較多，當(dāng)然也有特殊情況會采用混凝土柱與鋼梁剛接或半剛接節(jié)點(diǎn)；一般的輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的鋼柱底部與基礎(chǔ)的連接采用了會采用鉸接節(jié)點(diǎn)，根據(jù)不同的跨度采用雙螺栓或者四個螺栓，但是本工程由于有重型吊車的存在，根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[4]的相關(guān)要求，柱底部與基礎(chǔ)的連接采用了剛接節(jié)點(diǎn)。梁柱布置圖如圖3 所示。

圖3 梁柱布置圖

2.2 荷載取值

輕型門剛架的跨度比較大，這一特點(diǎn)決定了整個結(jié)構(gòu)體系相對是比較脆弱的，且通常門式剛架的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)是鉸接的，因而結(jié)構(gòu)的冗余度是比較少的，安全儲備稍顯不足。本工程設(shè)計荷載的取值主要是根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]，同時也根據(jù)本人多年的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計荷載取值如下：屋面恒荷載根據(jù)建筑要求采用的是帶保溫的雙層壓型鋼板，經(jīng)過材料的自重計算此荷載取值為0.35kN/m2，該荷載考慮了屋面檁條和拉條的自重，但是沒有考慮鋼梁上會懸掛電氣專業(yè)相關(guān)的吊燈和給排水專業(yè)布置的消防噴淋等荷載，因而綜合考慮恒荷載取值定為0.50kN/m2，本項目屋面根據(jù)業(yè)主要求需要布置太陽能光伏板，根據(jù)設(shè)備廠家提供資料和設(shè)計光伏支架的經(jīng)驗，按照均布荷載0.15kN/m2考慮，因而屋面最終的恒荷載為0.65kN/m2，該荷載參與結(jié)構(gòu)整體計算，包括鋼梁，鋼柱、屋面檁條的計算；屋面活荷載的取值根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的要求，不上人屋面取值為0.50kN/m2，但是《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的條文解釋和《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》都對輕鋼屋面的活荷載進(jìn)行了補(bǔ)充說明，當(dāng)屋面受荷面積大于60m2時，允許屋面活荷載取值減小，但不應(yīng)小于0.30kN/m2，本工程根據(jù)規(guī)范要求活荷載取值為0.30kN/m2，但是檁條計算時還是要按照0.50kN/m2取值，這點(diǎn)是應(yīng)該注意的。

雪荷載的取值對輕鋼結(jié)構(gòu)屋面是非常重要的，這是因為輕鋼結(jié)構(gòu)屋面對于風(fēng)荷載和雪荷載是非常敏感的，取值的差別對結(jié)構(gòu)的安全會造成非常大的影響。尤其是近些年來極端天氣的不斷增多，經(jīng)常會發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)廠房被大雪壓塌的事件發(fā)生，造成這種破壞的原因一方面是由于不可抗力因素，但另一方面也有設(shè)計師對風(fēng)雪荷載的取值沒有理解到位，從而導(dǎo)致了事故的發(fā)生。影響雪荷載數(shù)值的主要是兩個參數(shù)，一個是雪荷載的標(biāo)準(zhǔn)取值，另一個就是雪荷載的分布系數(shù)。首先對于雪荷載的標(biāo)準(zhǔn)取值，通常情況下是按照50 年一遇的情況取值，但對于雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中提出可以提高雪荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中明確了對于輕鋼屋面門式剛架結(jié)構(gòu)屋面雪荷載應(yīng)按照100 年一遇取值，因而在這里，根據(jù)該地區(qū)100 年一遇的荷載取值為0.45kN/m2；對于雪荷載分布系數(shù)，不同的屋面形式雪荷載的分布系數(shù)是不一樣的，這就要設(shè)計師對于屋面的雪荷載分布系數(shù)非常熟悉，能夠在前期和建筑商量方案時就把雪荷載的影響控制到最小，本項目是一個高低跨結(jié)構(gòu)，屋面雪荷載分布系數(shù)是比較復(fù)雜的，在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)雪荷載分布系數(shù)中沒有找到對應(yīng)的形式，因而采用了《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的高低跨屋面雪荷載分布系數(shù)，同時考慮女兒墻對邊部積雪荷載的影響，綜上可以保證在雪荷載工況下本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性。

風(fēng)荷載的取值原則和雪荷載的取值原則有相同的地方，但同時也有比較大的不同，主要是風(fēng)荷載的計算中有一個重要的參數(shù)，那就是風(fēng)荷載體型系數(shù)，它是指風(fēng)作用在建筑物表面一定面積范圍內(nèi)，所引起的平均壓力（或吸力），與來流風(fēng)的速度壓力的比值，這一系數(shù)主要與建筑物的體型和尺度有關(guān)，也與周圍的環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。目前在我國的現(xiàn)行規(guī)范中，能指導(dǎo)門式剛架結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值的主要是《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》這兩本規(guī)范，對于一些常見的屋面形式，在兩本規(guī)范中都能找到相應(yīng)的體型系數(shù)，但是兩個體型系數(shù)取值一般都會有所差別，同時一些復(fù)雜的屋面形式在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》有時候是找不到的，這時候就要參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》里邊的類似形式，同樣的情況有時候也會反過來，這就造成了設(shè)計中對于風(fēng)荷載體型系數(shù)取值的混亂，確實也是一個比較麻煩的問題。造成這種局面其實是因為體型系數(shù)是針對“非低矮房屋”，而《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》這本設(shè)計規(guī)范所考慮的體型系數(shù)是“低矮房屋”[7]，關(guān)于“非低矮房屋”和“低矮房屋”的區(qū)別，在國內(nèi)的規(guī)范中沒有找到特別明確的定義，這里參考一下美國的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，美國的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對于低矮房屋作出了三點(diǎn)定義：（1）結(jié)構(gòu)屋面的平均高度≤18m；（2）房屋檐口的高度與建筑平面最小尺寸的比值≤1；（3）房屋的平均高度與平均寬度的比值≤1。體型系數(shù)都是通過風(fēng)洞試驗測得，如非低矮房屋是通過航空風(fēng)洞反映平穩(wěn)流的影響作用，而低矮房屋則是通過邊界層風(fēng)洞反映湍流的影響作用[6]。除了以上分析兩本規(guī)范有關(guān)體型系數(shù)的不同外，還有一點(diǎn)是《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)荷載計算公式中還要單獨(dú)考慮陣風(fēng)系數(shù)，而《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中沒有單獨(dú)考慮陣風(fēng)系數(shù)，這是因為后者在體型系數(shù)中已經(jīng)考慮陣風(fēng)效應(yīng)，而前者規(guī)定的體型系數(shù)則沒有考慮陣風(fēng)效應(yīng)，這點(diǎn)在設(shè)計中要注意使用不同規(guī)范時進(jìn)行相關(guān)換算。針對本工程由于屋面形式比較復(fù)雜，在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中并沒有對應(yīng)的體型系數(shù)，因而參考的是《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，建模時單獨(dú)輸入了各個位置的體型系數(shù)，注意了以上的相關(guān)問題，輸入的體型系數(shù)相對比較準(zhǔn)確。風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值采用的是50 年一遇，這是與雪荷載不同的地方，該地區(qū)50 年一遇的荷載取值為0.45kN/m2。

2.3 模型計算

梁柱布置和相關(guān)荷載確定后，就可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)計算，在PKPM 中要定義好相關(guān)參數(shù)，這里邊涉及門式剛架中鋼梁的計算，通常鋼梁的承載能力是按照受彎構(gòu)件考慮的，但是對于平面內(nèi)的穩(wěn)定性，應(yīng)按照壓彎構(gòu)件進(jìn)行驗算。定義好相關(guān)參數(shù)后，要對結(jié)構(gòu)計算簡圖進(jìn)行檢查，保證輸入的準(zhǔn)確性，點(diǎn)擊計算后要對軟件計算的結(jié)果應(yīng)進(jìn)行復(fù)核，通?？刂葡嚓P(guān)應(yīng)力系數(shù)在0.9 范圍內(nèi)，同時還要注意構(gòu)件是否滿足正常使用狀態(tài)下的變形驗算，應(yīng)力計算結(jié)果和撓度計算如圖4、5 所示。

圖4 應(yīng)力計算結(jié)果

圖5 撓度計算結(jié)果

3 關(guān)鍵構(gòu)造和基礎(chǔ)設(shè)計

3.1 檁條和拉條構(gòu)造設(shè)計

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中墻面和屋面的設(shè)計章節(jié)中對檁條在何種條件下應(yīng)設(shè)置拉條和怎么設(shè)置拉條作出了詳細(xì)的規(guī)定：對于屋面和墻面的檁條跨度大于4m 時應(yīng)設(shè)置拉條，當(dāng)大于4m 而小于6m 時設(shè)置一根拉條，當(dāng)不小于6m 而不大于9m 時設(shè)置兩根拉條。通常情況下檁條的跨度很少會大于9m，針對拉條布置根數(shù)規(guī)范已經(jīng)明確了，但是對于拉條設(shè)置在檁條高度的哪個位置卻沒有明確規(guī)定。根據(jù)本人之前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，一般在恒荷載、活荷載作用下檁條主要是下部受彎而上部受壓時，拉條一般靠近檁條上部三分之一位置，如圖6a 所示，但是若是屋面板能保證檁條上翼緣的穩(wěn)定，則拉條的布置位置就無關(guān)緊要了；當(dāng)各種工況作用下，存在風(fēng)吸力為控制工況，此時檁條是下部受壓而上部受拉，拉條應(yīng)靠近下部三分之一位置布置，如圖6b 所示；但是隨著現(xiàn)在施工速度及施工便捷性的提高，大部分屋面板不再采用直接固定的方式，在設(shè)計中要充分考慮到這一變化，對于邊界條件的選取要慎重，尤其是屋面板能否保證檁條上翼緣的穩(wěn)定，當(dāng)無法滿足時，通過計算大部分情況下可能上、下翼緣的穩(wěn)定都需要拉條起作用，此時在設(shè)計就要采用雙層檁條，即檁條的上下三分之一位置都應(yīng)設(shè)置拉條，如圖6d 所示，本工程中大部分就是采用了雙層拉條的布置形式，確保檁條在各種工況下都能保證穩(wěn)定性；圖6c 所示的是之前常用的設(shè)計形式，對上下檁條的穩(wěn)定性都有一定的作用，但是對于現(xiàn)在廠房屋面荷載復(fù)雜的工況來說已經(jīng)不能起到很好的保證檁條穩(wěn)定的作用，現(xiàn)有工程中使用此種拉條的布置形式已經(jīng)越來越少了。

圖6 檁條上拉條布置圖

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計

本工程中地面上基礎(chǔ)類別較多，有廠房鋼柱的獨(dú)立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)，設(shè)備管溝底部的筏板基礎(chǔ)，工藝設(shè)備的基礎(chǔ)和管道支架的基礎(chǔ)，這些基礎(chǔ)在地面上不可避免地會出現(xiàn)交叉，這時就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計師通過概念設(shè)計和局部計算制定相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)計原則，本人在設(shè)計過程中主要通過以下幾個原則進(jìn)行設(shè)計：（1）廠房鋼柱基礎(chǔ)埋深與管溝基礎(chǔ)持平，保證管溝基礎(chǔ)不影響鋼柱的基礎(chǔ)；（2）管溝基礎(chǔ)與鋼柱獨(dú)立基礎(chǔ)發(fā)生交叉時，鋼柱基礎(chǔ)落到筏板基礎(chǔ)上，局部計算管溝筏板基礎(chǔ)，保證基礎(chǔ)的承載受力和地基變形滿足規(guī)范要求；（3）設(shè)備基礎(chǔ)和管道支架基礎(chǔ)盡量避讓，與工藝專業(yè)協(xié)商盡量保證基礎(chǔ)錯開布置，無法回避時考慮做成聯(lián)合基礎(chǔ)，同時應(yīng)局部計算基礎(chǔ)參數(shù)滿足規(guī)范要求；（4）設(shè)備基礎(chǔ)和管道支架基礎(chǔ)埋深較淺，一般都高于鋼柱基礎(chǔ)和管溝基礎(chǔ)底部，且下部基礎(chǔ)都在上部基礎(chǔ)基地壓力的影響范圍，因而在計算中要適當(dāng)考慮上部基礎(chǔ)的荷載對下部基礎(chǔ)的影響，保證鋼柱基礎(chǔ)和管溝基礎(chǔ)有足夠的富余量。

4 結(jié)論

隔壓換熱站結(jié)構(gòu)形式采用輕型屋面門式剛架結(jié)構(gòu)能保證具有大跨度的可操作性的同時又兼具很好的經(jīng)濟(jì)性，但在設(shè)計過程中應(yīng)著重注意以下幾點(diǎn)問題：（1）由于輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面對荷載比較敏感，因而設(shè)計該類結(jié)構(gòu)過程中要重點(diǎn)注意荷載取值的問題，要盡量減少屋面的恒荷載；（2）通過屋面造型布置減小風(fēng)荷載和雪荷載對結(jié)構(gòu)的影響；（3）重視鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計，對于重要的節(jié)點(diǎn)和構(gòu)造應(yīng)加強(qiáng)復(fù)核，必要時要用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行比較計算；（4）鋼梁和檁條這樣的水平構(gòu)件的撓度計算應(yīng)滿足規(guī)范要求，保證其滿足廠房正常使用的要求；（5）設(shè)備基礎(chǔ)、管溝、支架等構(gòu)筑物應(yīng)考慮其對建筑物基礎(chǔ)的不利影響，保證整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全儲備。