玻璃廠“一層混凝土框架二層門式剛架”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

陳榮欣

（中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，深圳518054）

玻璃廠壓延生產(chǎn)主線的熔化、成形退火、切裁工段多為二層方案，其工藝布置方便合理，綜合指標(biāo)也較為經(jīng)濟(jì)，目前被眾多玻璃廠所采用。這類廠房其結(jié)構(gòu)形式多為一層采用鋼筋混凝土框架，二層采用輕型門式剛架。以往這種廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，多是上下兩層分開計(jì)算，將二層門式剛架的柱底內(nèi)力，分別選擇若干組合，以外加荷載的方式傳給一層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱這種計(jì)算模式為“分層計(jì)算”）。近些年，隨著結(jié)構(gòu)計(jì)算程序的不斷發(fā)展，對(duì)此類混合結(jié)構(gòu)采用整體建模，三維分析的計(jì)算方法（以下簡(jiǎn)稱這種計(jì)算模式為“整體計(jì)算”）也得到了逐步應(yīng)用。后者在一定程度上體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上下剛度的相互影響，同時(shí)可以較為完整的將上部剛架的柱底內(nèi)力傳至下部混凝土結(jié)構(gòu)，比分層設(shè)計(jì)有了一些改進(jìn)。目前國(guó)家還沒有對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式制定規(guī)范或規(guī)程，實(shí)際工作中，如何參照相關(guān)規(guī)范，進(jìn)行這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是一個(gè)值得探討的課題。下面結(jié)合工程實(shí)例，以目前常用的，中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（以下簡(jiǎn)稱為PKPM）為平臺(tái)，介紹此類結(jié)構(gòu)整體建模的設(shè)計(jì)流程及技巧和一些特殊問題的處理方法，并對(duì)不同阻尼比下，不同模型的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行對(duì)比分析，供設(shè)計(jì)人員參考。

1 三維整體設(shè)計(jì)流程及建模技巧

對(duì)于廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員而言，利用PKPM進(jìn)行混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常方便和熟練的。兩層混合結(jié)構(gòu)的三維整體建模過程及方法與前者略有不同，現(xiàn)分別介紹如下：

1.1 設(shè)計(jì)流程及建模路徑

首先應(yīng)明確此時(shí)建模要在PKPM的“鋼結(jié)構(gòu)STS模塊”下進(jìn)行。依次選擇：鋼結(jié)構(gòu)→框架→“①三維建模與荷載輸入”，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)與混凝土系列中PMCAD完全相同的菜單界面。在這個(gè)菜單下進(jìn)行軸網(wǎng)布置、構(gòu)件及荷載輸入等項(xiàng)工作，即可完成兩層混合結(jié)構(gòu)整體模型的建立；然后進(jìn)入“結(jié)構(gòu)SATWE模塊”，進(jìn)行三維計(jì)算及分析，并完成首層混凝土部分的施工圖設(shè)計(jì)；最后再返回“鋼結(jié)構(gòu)STS模塊”，進(jìn)行二層鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)及施工圖設(shè)計(jì)。

1.2 建模技巧

對(duì)于一層混凝土框架的建模，大家早已是輕車熟路了。下面以圖1二層門式剛架網(wǎng)格布置為例，介紹一些二層門式剛架建模中的技巧。

1）門式剛架坡屋面輸入

二層輕型門式剛架坡屋面的輸入，有很多種方法。筆者認(rèn)為先將整個(gè)屋面的網(wǎng)格線標(biāo)高調(diào)整到與實(shí)際工程坡度一致的情況，再輸入屋面構(gòu)件是比較方便的。圖1中（雙坡屋面，坡度1∶12，屋脊線節(jié)點(diǎn)5、6處的相對(duì)高度為15 000／12＝560mm），按通常方法輸入剛架網(wǎng)格線后，進(jìn)入“網(wǎng)格生成”菜單，依次進(jìn)行如下操作：點(diǎn)開“上節(jié)點(diǎn)高”→屏幕會(huì)出現(xiàn)“設(shè)置上節(jié)點(diǎn)高”這個(gè)活動(dòng)菜單，在“上節(jié)點(diǎn)高值”處輸入560，點(diǎn)取屋脊處節(jié)點(diǎn)5（這樣節(jié)點(diǎn)5處的上節(jié)點(diǎn)標(biāo)高就變到了560mm）→選擇“先指定三個(gè)點(diǎn)確定一個(gè)平面，然后選擇要將上節(jié)點(diǎn)高調(diào)整到改平面上的節(jié)點(diǎn)”和“使用選擇點(diǎn)的上節(jié)點(diǎn)高”兩項(xiàng)內(nèi)容，再在網(wǎng)格布置圖中，分別選擇節(jié)點(diǎn)1、2、5，再窗選節(jié)點(diǎn)1、2、5。這時(shí)此范圍內(nèi)各節(jié)點(diǎn)、各網(wǎng)格線的標(biāo)高，都調(diào)整到了坡屋面的相應(yīng)位置，另一面也做相同操作；再在網(wǎng)格線上布置屋面梁、剛性系桿、屋面支撐等構(gòu)件，就可以完成坡屋面模型的建立了。

2）屋面支撐系統(tǒng)與柱間支撐的輸入

首先要說的是，屋面檁條不作為空間結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件輸入，只提供將屋面板上的荷載傳至屋面梁的作用。屋面縱向水平系桿按梁定義并輸入，同時(shí)在后面的SATWE中要定義為兩端鉸接。屋面水平支撐及柱間支撐均應(yīng)以斜桿定義和輸入，此時(shí)輸入的斜桿兩端默認(rèn)為鉸接。如圖1，在A網(wǎng)格線處，直接布置斜桿，即屋面水平支撐；在B網(wǎng)格線的柱間支撐處，分別從節(jié)點(diǎn)a到b，再?gòu)墓?jié)點(diǎn)b到a，布置兩次斜桿，同時(shí)要根據(jù)提示，分別給出桿件的上下節(jié)點(diǎn)相對(duì)標(biāo)高，這樣就可將柱間支撐布置完成。

按照常用的建模方法，再結(jié)合上述技巧，就可以順利的建立一個(gè)“一層混凝土框架＋二層門式剛架”廠房的三維計(jì)算模型。

2 風(fēng)荷載輸入及剛架柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的確定

整體三維計(jì)算建模時(shí)，風(fēng)荷載輸入和剛架柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度的確定，與通常使用的方法有所不同。

2.1 風(fēng)荷載輸入

此類結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載輸入，首先是在“①三維建模與荷載輸入→設(shè)計(jì)參數(shù)→風(fēng)荷載信息”中，給出了修正后的基本風(fēng)壓。由于二層門式剛架要考慮斜屋面風(fēng)的吸力，就需要在“SATWE→①接PM生成SATWE數(shù)據(jù)→分析與設(shè)計(jì)參數(shù)補(bǔ)充定義→總信息”中，將風(fēng)荷載計(jì)算信息由常用的“計(jì)算水平風(fēng)荷載”，改為“計(jì)算特殊風(fēng)荷載”，并在風(fēng)荷載信息中輸入正確的特殊風(fēng)體型系數(shù)。再在“①接PM生成SATWE數(shù)據(jù)→特殊風(fēng)荷載定義”中，分別輸入剛架柱在＋X、－X、＋Y、－Y四個(gè)方向的風(fēng)荷載及屋面梁上的風(fēng)吸力。

2.2 剛架柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的確定

底層混凝土框架桿件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，采用SATWE程序給出的結(jié)果即可。二層門式剛架柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，要抽出一榀剛架形成PK，進(jìn)入“門式剛架二維設(shè)計(jì)”中進(jìn)行計(jì)算，按照此計(jì)算結(jié)果所確定的柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度，在SATWE的“修改構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)”中做相應(yīng)修改。特別值得一提的是，完成這項(xiàng)工作后，必須執(zhí)行“生成SATWE數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)檢查”，并選擇“保留用戶自定義的柱、梁、支撐長(zhǎng)度系數(shù)”，這樣修改后的數(shù)據(jù)才能得到保存和應(yīng)用。

3 不同阻尼比、不同模型計(jì)算結(jié)果的分析比較

目前，這類結(jié)構(gòu)“分層計(jì)算”和“整體計(jì)算”的受力分析方法都不是十分完善。分層計(jì)算時(shí)，應(yīng)將各種工況下柱底處的相應(yīng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，分別加在一層的框架上。即要分別計(jì)算出二層剛架恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、吊車荷載等等，在柱底產(chǎn)生的軸力、剪力、彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，再按工況分別布置到混凝土框架上，這是非常復(fù)雜繁瑣的，實(shí)際工作中，幾乎很少這樣做。一般考慮二層剛架荷載較一層混凝土樓面荷載（包括結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備重和約20～30kN／m2的活荷載）小很多，所以都是根據(jù)門式剛架柱底內(nèi)力的包絡(luò)圖，綜合給出剛架柱底荷載，這樣傳遞到一層框架的荷載就不太準(zhǔn)確，再在二層門式剛架的受力分析時(shí)，也未考慮一層混凝土框架變形的影響。整體計(jì)算兩種混合結(jié)構(gòu)時(shí)，兩種不同材料、不同結(jié)構(gòu)體系的阻尼比不好確定；同時(shí)用三維空間模型，分析上部以橫向排架受力模式為主的門式剛架是否合理，這些都是有待研究商榷的問題。下面僅以某玻璃廠切裁工段（地震設(shè)防烈度7度，0.1g，第一組；Ⅱ類場(chǎng)地土；X方向長(zhǎng)105.75m，Y方向?qū)?3m，柱距約8m×7.5m，柱底標(biāo)高－0.600，一層混凝土框架頂標(biāo)高6.200，二層門式剛架檐口標(biāo)高10.700）為例，對(duì)兩種計(jì)算模型不同阻尼比下的一些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

3.1 阻尼比對(duì)位移的影響

阻尼比是阻尼常數(shù)與臨界阻尼常數(shù)的比值，表示了結(jié)構(gòu)在受激振后振動(dòng)的衰減形式。可以通過實(shí)測(cè)得到，是結(jié)構(gòu)的地震作用和風(fēng)荷載作用計(jì)算時(shí)必須考慮的影響參數(shù)（一般多層結(jié)構(gòu)僅考慮地震作用的阻尼比影響）。國(guó)家在一些相關(guān)規(guī)范中分別給出了各類結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算時(shí)的阻尼比取值方法。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010），8.2.2條，“鋼結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的阻尼比宜符合下列規(guī)定：1、多遇地震下的計(jì)算，高度不大于50m時(shí)可取0.04；……3、在罕遇地震下的彈塑性分析，阻尼比可取0.05”；9.2.5條，“……單層（鋼結(jié)構(gòu)）廠房的阻尼比，可依據(jù)屋蓋和圍護(hù)墻的類型，取0.045～0.05”；現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（2012年版）（CECS 102：2002）3.1.6條，“門式剛架輕鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)可采用底部剪力法分析確定。抗震驗(yàn)算時(shí)，結(jié)構(gòu)的阻尼比可取0.05”。但對(duì)于這種混合結(jié)構(gòu)的綜合阻尼比，目前國(guó)內(nèi)規(guī)范還沒有給出具體規(guī)定，各設(shè)計(jì)院取值基本在0.03～0.04之間。表1是上述結(jié)構(gòu)在不同阻尼比下，一層鋼筋混凝土框架，地震作用下的最大層間位移角。它們均是結(jié)構(gòu)的同一個(gè)點(diǎn)（左下角）。

表1

對(duì)比表格中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：1）“分層計(jì)算”模型與“整體計(jì)算”模型計(jì)算出的最大層間位移角不同，且X向、Y向變化趨勢(shì)不一致，但均能滿足規(guī)范1／550限值的要求；2）“整體計(jì)算”模型中，隨著阻尼比的增大，一層混凝土框架的最大層間位移角越來越小，這與用阻尼比的概念分析是完全吻合的。

3.2 不同模型各阻尼比下一層框架配筋比較

如上所述，兩種模型上部門式剛架的柱底傳力計(jì)算方式是不同的，勢(shì)必會(huì)影響到一層混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力分析結(jié)果。下面選擇Y方向兩根軸線上的兩跨，對(duì)一層混凝土框架配筋計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。圖2是“分層計(jì)算”模型的配筋結(jié)果，圖3是“整體計(jì)算”模型不同阻尼比下的配筋結(jié)果（柱箍筋、柱角筋及中間非框架梁配筋，兩種計(jì)算模型結(jié)果幾乎一致，圖中均未給出）。

從圖2、圖3對(duì)比可知：1）兩種計(jì)算模型邊柱縱筋相差較多，框架梁除邊跨梁端箍筋略有差別（約10%左右）外，其余幾乎沒有差別；2）圖3整體計(jì)算模型不同阻尼比下，只有邊柱縱筋有略微的不同，其余配筋均未變化，說明阻尼比對(duì)一層混凝土框架配筋影響很小。

這里需要說明的是，兩種計(jì)算模型在基礎(chǔ)和二層門式剛架的計(jì)算結(jié)果中也有一些差異，這里不再詳述。還有，以往這類工程采用“分層計(jì)算”時(shí)，考慮到上部荷載取值的不準(zhǔn)確，并根據(jù)“強(qiáng)柱弱梁”的概念設(shè)計(jì)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，均對(duì)一層框架柱的截面和配筋進(jìn)行了一定的加強(qiáng)處理。

4 結(jié) 語

一層鋼筋混凝土框架二層輕型門式剛架，這種結(jié)構(gòu)由兩種材料組成，上下兩層受力體系不同且剛度突變，對(duì)抗震不利，但由于能較好的適應(yīng)工藝布置，造價(jià)較低，且二層門式剛架自重輕、延性好，具有良好的抗震性能，因此工業(yè)建筑中時(shí)常可見。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中“分層計(jì)算”和“整體計(jì)算”兩種方法均有使用。首先在計(jì)算時(shí)，前者要多選擇幾組門式剛架柱底荷載的工況，分別作為一層框架上的荷載進(jìn)行輸入，綜合使用各個(gè)計(jì)算結(jié)果；后者要掌握好二層門式剛架風(fēng)荷載和鋼柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度的確定方法，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性；其次更要結(jié)合概念設(shè)計(jì)和以往所做的類似工程實(shí)例，對(duì)所做設(shè)計(jì)進(jìn)行合理調(diào)整和適當(dāng)加強(qiáng)，尤其是一層框架柱截面尺寸和配筋不能太小。最后建議在以后設(shè)計(jì)中，大家多對(duì)同一工程用以上兩種計(jì)算方法分別計(jì)算，進(jìn)行對(duì)比研究，為這類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范化積累經(jīng)驗(yàn)和資料。

［1］ 龍馭球，包世華，龍馭球，等.結(jié)構(gòu)力學(xué)I—基本教程［M］.2版.北京：北京高等教育出版社，2006.

［2］ GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ CECS 102：2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.