玻璃廠碎玻璃鋼框架轉運樓結構設計

劉啟剛，陳榮欣

（中國建材國際工程集團有限公司，深圳 518054）

碎玻璃系統是浮法玻璃生產線聯合車間的一個重要組成部分，該系統的主要功能是將聯合車間冷端產生的碎玻璃輸送至窯頭碎玻璃倉，一般由3～4個轉運樓和若干段皮帶廊組成。近些年，隨著鋼結構房屋的興起，鋼結構的設計水平和施工技術逐步提高，鋼結構房屋的造價大幅下降，一些工程的綜合效益較傳統的鋼筋混凝土結構房屋有了明顯優勢。例如玻璃廠的很多轉運樓，都由原來的鋼筋混凝土框架結構改為了鋼框架結構，其具有工業化程度高、現場建設工期較短、工程造價省等優點，又符合鋼材可回收再利用、綠色環保節能的發展方向。該文根據工程實例，分別從鋼框架轉運樓的平面布置、計算方法、節點設計等方面作一簡要介紹。

1 結構方案及平面布置

根據工藝要求，玻璃廠碎玻璃轉運樓柱網尺寸一般為6～9m，沿皮帶廊方向多為一跨，垂直方向為一至三跨不等。目前，鋼結構轉運樓多為焊接H型梁柱組成的多層框架結構。設計中應根據不同的建筑平面，進行合理的構件布置，現分別介紹如下：

1.1 鋼柱布置方向及柱腳節點

由于H型截面鋼柱在強弱軸方向截面抵抗矩相差很多，因此，鋼柱的布置方向對結構的整體分析結果有很大的影響。設計中通常將H型截面鋼柱的弱軸布置在多跨方向，如圖1。這樣多跨弱軸的一列柱子較單跨弱軸柱子剛度大，容易滿足結構整體位移和截面強度的要求。而對于兩個方向均為單跨的平面，一般可將弱軸布置在平行于皮帶廊方向，如圖2。這樣可以通過在弱軸方向設置柱間支撐，來加強結構在此方向的剛度，避免了在皮帶廊通過處不宜設置柱間支撐的問題。

一般鋼框架轉運樓總高度在20m左右，層數3～5層，單跨方向比較細柔，剛度較小。通過多個工程的試算比較，建議鋼柱采用剛接柱腳，這樣在同條件下結構整體位移容易滿足規范要求。

1.2 柱間支撐布置

由焊接H型鋼梁柱截面組成的框架結構，由于鋼柱弱軸方向的抗彎性能及抗側移性能較差，往往滿足不了規范的要求。為此應盡可能的在弱軸方向設置柱間支撐，以增加整體結構在鋼柱弱軸方向的剛度。若該方向由于工藝等原因無法設置柱間支撐，則可采用箱型柱或十字型柱的方案。常見的支撐形式有十字交叉支撐和人字形支撐，如圖3。特別值得一提的是，有些設計為了滿足工藝通行的要求，將支撐布置成圖4的形式。這樣會在柱中部產生水平剪力，對柱子非常不利，應盡量避免。

1.3 平面布置

轉運樓在各樓層平面中，分別布置有帶式輸送機的頭輪和尾輪、碎玻璃電子稱、碎玻璃稱量鋼倉、輸送皮帶支腿和除塵設備等。結構設計時，應遵循將平面荷載通過次梁盡快傳至鋼架主軸方向框架梁上的原則。首先根據工藝、暖通等專業提出的配置條件，在各個設備支承點處布置鋼梁，再根據花紋鋼板的允許跨度要求，布置間距800mm左右的小鋼梁，同時還應注意梁要避開樓板上的預留孔洞，如圖1、圖2。需要指出的是，圖1、圖2中GL1這些支承花紋鋼板和部分設備荷載的小梁，在計算建模時一般不用逐一輸入，其自重和上面支承的荷載應根據實際情況倒算至主梁。

2 結構計算

鋼框架轉運樓的結構計算，以目前常用的中國建筑科學研究院PKPM CAD系列結構設計軟件（以下簡稱為PKPM）即可完成。首先應在PKPM的“鋼結構STS模塊（框架）”下完成鋼框架建模；然后進入“結構SATWE模塊”，進行內力分析；最后再返回“鋼結構STS模塊（框架）”，進行鋼結構的節點及施工圖設計?，F就設計中常見的一些問題做如下簡述：

2.1 荷載取值

樓面恒載：模型中輸入的梁柱構件自重PKPM計算軟件會自動考慮，這樣只需輸入樓板重量和模型輸入時簡化掉的構件（如1.3中所述GL1）。一般樓板是梁上鋪設6mm厚花紋鋼板，再考慮1.3中所提到GL1（多為熱軋槽鋼［8、［10、［12.6）等的自重，通常樓面恒載取0.8～1kN／m2。樓面活載：按照工藝要求和《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）5.2.1、5.2.2條，除設備固定荷載外，考慮操作荷載、一般工具、零星原料等，樓面均布活荷載取值為2.5～3.5kN／m2。值得一提的是，由于計算模型在平面布置時，對一些小梁進行了簡化，此時樓面荷載的導荷方式要根據實際平面布置進行調整。

對于設備荷載、皮帶廊支座荷載、墻體荷載等，均應按實際情況分別輸入，這里不再詳述。

2.2 參數選取

對于廣大結構設計人員而言，“SATWE”前處理中的各個參數的合理確定是非常容易的，這里僅就幾個需注意的問題進行探討。首先是阻尼比，不能盲目的套用“SATWE”的默認值0.05。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）8.2.2條，“鋼結構抗震計算……多遇地震下的計算，高度不大于50m時可取0.04；……在罕遇地震下的彈塑性分析，阻尼比可取0.05”。因此，在鋼框架轉運樓設計時阻尼比一般取0.04。還有“分析與設計參數補充定義→設計信息”中，“鋼柱計算長度系數按有側移計算”選項是否勾選，會對柱的長細比產生較為明顯的影響。《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）5.3.3條，對鋼柱計算長度系數按有無側移計算，給出了明確規定。但判斷公式5.3.3－1比較復雜，目前PKPM軟件也不能實現這個判斷。實際工程中，有些設計者，對于加了柱間支撐的鋼框架均按無側移計算，筆者認為這樣不太合理，缺乏定量的控制指標。設計中，我們根據一些資料并參考了《高層民用建筑鋼結構技術規程》（JGJ 99—98）5.2.11條，首先按有側移計算鋼框架，如層間位移角均小于1／1000時，再按無側移計算。就目前所做十多個鋼框架轉運樓而言，其位移角均大于1／1000，鋼柱計算長度系數均按有側移計算。

2.3 位移控制

鋼框架各項計算結果的控制思路和常用的混凝土框架結構基本一致，只是鋼框架的位移角，在風荷載和地震作用下有不同的限值?！朵摻Y構設計規范》（GB 50017—2003）3.5.1條和附錄A.2中規定，在風荷載作用下多層鋼框架的柱頂位移H／500，層間相對位移h／400?！督ㄖ拐鹪O計規范》（GB 50011—2010）5.5.1條規定，多、高層鋼結構在多遇地震作用下的彈性層間位移角限制為1／250，彈塑性層間位移角限制為1／50。為此，我們在設計中應注意分別驗算控制。

3 節點設計

鋼結構的連接節點計算與構造是十分重要的一個環節，連接節點是保證梁與柱協同工作，形成整體結構的關鍵部件。設計時首先要考慮節點處內力傳遞途徑簡捷明確、安全可靠，確保連接節點有足夠的強度和剛度，并應保證節點的承載力應按有關規定大于桿件（梁、柱、斜桿）的承載力，即滿足“強節點弱構件”的抗震概念設計的要求；同時還要求所設計的節點，加工簡單、安裝方便、現場施工容易實現；并且實際節點構造應與計算模型假定基本一致。鋼框架梁柱節點通常為剛接，常用連接方法有：全焊節點連接、栓焊混合連接和高強度螺栓連接三種形式，前兩種是鋼轉運樓設計中常用的連接方式，主次梁連接一般采用鉸接。實際工作中，在完成“SATWE”的結構整體計算分析后，應返回“鋼結構→框架→全樓節點連接設計”菜單，對整個結構的節點連接進行量化的分析計算，再根據構造要求畫出節點設計圖紙。除焊縫長度和高度、螺栓直徑和個數等均應滿足計算要求外，節點域腹板抗剪強度也要滿足規范要求，切忌根據構件尺寸和構造要求繪制節點施工圖的做法。在這里需要特別強調一點的是，為保證罕遇地震作用下，框架節點塑性區的整體性，《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）8.3.6條（強制性條文）要求：“梁與柱剛性連接時，柱在梁翼緣上下各500mm的范圍內，柱翼緣與柱腹板間或箱型柱壁板間的連接焊縫應采用全熔透坡口焊縫。”這點在設計圖紙中必須明確表示。

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）8.3.8條：“鋼框架的剛接柱腳宜采用埋入式，也可采用外包式；6、7度且高度不超過50m時也可采用外露式?！睂嶋H工程中，由于外露式柱腳傳力路徑清晰、易于加工制作、便于施工，被廣泛應用。但外露式柱腳很難滿足《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）8.2.8條第5款，柱腳與基礎的連接極限承載力要求。為此我們在實際工程設計中，盡量按照規范要求或通過一些加強措施，來避免這條限制。玻璃廠轉運樓高度均在50m以下，對于6度區的轉運樓，根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）8.1.3條文說明：“對于6度高度不超過50m的鋼結構，其‘作用效應調整系數’和‘抗震構造措施’可按非抗震設計執行?！睂τ?度區的轉運樓，參照《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）表8.1.3注2：“當某個部位各構件的承載力均滿足2倍地震作用組合下的內力要求時，7～9度的構件抗震等級應允許按降低一度確定。”對于7度（0.1g）和7度（0.15g）的結構，分別用8度（0.2g）和8度（0.3g）的地震作用下的柱腳內力進行柱腳設計，這樣可以將柱腳設計的抗震等級從四級降至五級，即柱腳按不設防設計。綜上所述，對于6、7度區的轉運樓，均可不再執行《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）8.2.8條第5款的規定。但對于8、9度的轉運樓柱腳還應采用埋入式或外包式。

4 結 語

綜合考慮施工工期要求、季節溫度影響、整體造價和綠色環保各個方面，鋼框架轉運樓現正在逐步應用于各玻璃廠的碎玻璃系統中。設計中要充分考慮鋼結構構件強弱軸方向、構件的整體和局部穩定、節點設計和細部構造等各項因素，認真做好概念設計、結構計算和施工圖繪制等工作，確保所做工程安全可靠、經濟合理、切實可行。

［1］陳紹蕃.房屋建筑鋼結構設計［M］.2版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

［2］GB 50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

［3］GB 50017—2003，鋼結構設計規范［S］.

［4］JGJ 99—98，高層民用建筑鋼結構技術規程［S］.

［5］GB 50009—2012，建筑結構荷載規范［S］.

［6］李星榮，魏才昂，丁峙崐，等.鋼結構連接節點設計手冊［M］.2版.北京：中國建筑工業出版社，2005.