設多層平臺的鈾轉化廠房性能設計研究

王 榮 德

(中核新能核工業工程有限責任公司，山西 太原 030012)

設多層平臺的鈾轉化廠房性能設計研究

王 榮 德

(中核新能核工業工程有限責任公司，山西 太原 030012)

根據工程設計實例，論述了內部設置多層平臺結構高大廠房的結構方案選擇、優化設計方法及構造措施，通過對現有實際工程設計、施工過程中各種問題的討論，總結了類似建筑結構形式的理論分析、設計方法、參數控制等要點，為以后的結構設計尤其是鈾轉化工程主廠房的結構設計提供依據。

鈾轉化主廠房結構設計，豎向框排架，結構類型，計算參數

0 引言

隨著我國社會工業生產水平的發展，國家整體經濟實力有了較大的提高，核工業領域的國家建設項目的抗震設防水平也理應比之前的建設項目進行適當的提高。尤其是比較高大的鈾轉化主工藝廠房設施，依據其特殊性及我國屬于地震多發國家，結構設計中需要避免采取抗震不利的裝配式排架結構形式。由于這些廠房的共同特點：各種重要的設備、管道、電纜和儀表控制系統布置十分復雜、密集；工藝流程復雜，各個流程連接緊密，需要布置多層平臺結構。采用具有良好抗震性能的豎向框排架結構形式比較合理。本文針對兩個鈾轉化工程項目中此類結構形式的應用，結合對《構筑物抗震設計規范》中關于橫向框排架設計內容的理解，從結構理論分析論證，工程力學計算方法，工程模型參數選取，抗震構造措施處理等方面進行總結。力求提出科學可行的建議，以期提高此類特殊工業廠房的抗震防災水平，為此領域相關規程的建立提供參考。

1 工程概況

中核404鈾轉化工程氫氟化工藝廠房跨度21 m，長度36 m，高度29.7 m，軌頂標高26.5 m，柱距為一跨6 m、4跨7.5 m；設置一臺5 t(A5)橋式吊車；沿縱向一側貼建跨度3.6 m，高11.8 m的三層管廊?？偨ㄖ娣e2 522.46 m2。

抗震設防烈度為7度(0.15g)，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類場地；建筑物抗震設防類別為重點設防類(乙類)。設計使用年限為50年，建筑安全等級為一級。原設計方案廠房為預制裝配式單層排架結構，內部平臺與廠房脫開設置，貼建管廊脫開單獨按單跨框架結構設置。修正后結構形式為二層、三層豎向框排架結構。屋面采用鋼屋架+預制鋼框板；吊車梁采用預制鋼筋混凝土吊車梁；地面上及上部局部位置的小范圍平臺采用鋼結構平臺，并與主體結構脫開設置；廠房平面內滿布的平臺結構與廠房柱子合并設置形成底部框架結構，變單層廠房為多層廠房；頂部小平臺單獨設置為框架結構。

2 結構體系及設計參數

2.1 計算簡圖

計算簡圖見圖1。

根據以往的設計結果，對于需要設置多層平臺結構的工業廠房橫向大致可以劃分為以上五種不同計算簡圖的結構形式。

2.2 結構體系與受力分析

1)圖1a)為經典的單層排架結構，內部平臺與廠房柱脫開單獨布置，應用非常廣泛，適用于高度不太大的工業廠房中。優點是受力簡單、概念明確；構件主要采用工廠預制、現場裝配，質量容易保證、施工簡單方便。缺點是受施工條件的限制不能用于高大的廠房結構。

2)圖1b)屬于主、次結構形式，本質上還是排架結構，由于《建筑抗震設計規范》9.1.1第6條明確規定單層工業廠房內部平臺宜與廠房主體結構脫開，故這樣的結構形式其適用范圍規范沒有詳細規定。實際上采用時需要根據平臺結構的剛度大小區別對待，當平臺柱的總剛度與相連排架柱下柱的剛度比不大于0.05時，可只計入平臺傳給排架柱的豎向荷載，不計入平臺對廠房柱的作用；當平臺柱的總剛度與相連排架柱下柱的剛度比為0.05～20時，可將平臺作為排架的一個組成部分進行排架的內力分析；當平臺柱的總剛度與相連排架柱下柱的剛度比大于20時，可將平臺與排架柱的連接點作為排架柱的不動鉸支點進行計算。在輕型門式剛架結構中，出現這種情況一般把平臺柱子設計為搖擺柱，水平荷載全部由主結構承擔，盡量減小此結構的剛度。故對于這種受力復雜，概念不明確，柱子薄弱部位下移或存在多個薄弱部位，變形很難協調一致的結構形式，抗震性能很差，應避免使用。

3)圖1c)與圖1b)沒有本質的區別，僅可應用于剛度很小的次結構情況中或次結構為臨時性建筑需要隨時拆除的情況下。

4)圖1d)可以定義為豎向框排架結構形式，適用于滿布平臺的情況，當梁柱鉸接時為圖1b)所示的情況，當梁柱剛接時應按平臺與排架共同作用進行分析。類似于把很高的單層結構變換為各個適當高的多層結構形式，這樣其受力比較合理，概念清晰，采用現澆結構，整體性好，變形協調能力強，屬于抗震性能好的結構形式。廣泛應用于工業、民用建筑中。

5)圖1e)下部與圖1d)一樣，屋蓋剛接連接形成完全框架結構，一般會應用于大跨度的鋼框架結構或者預應力混凝土框架結構中。

2.3 柱子計算長度l0取值問題

柱子的計算長度l0取值是根據柱不同的側向約束條件及荷載情況，并考慮柱的二階效應(軸向力與柱的撓曲變形所引起的附加彎矩)對柱子截面設計的影響程度來確定的。單獨的懸臂柱計算長度l0=2.0H，排架柱子計算長度依據其側向約束及受荷情況的不同而不同，按照《混凝土設計規范》6.2.20條—1規定(見表1)。

表1 柱子計算長度(排架柱子)

另外，對于框架結構梁柱剛接的情況，按照《混凝土設計規范》6.2.20條—2規定(見表2)。

表2 柱子計算長度(框架結構梁柱)

對于特殊的框架結構(如不設樓板或樓板開大洞的多層鋼筋混凝土框架以及抗側力剛性墻的單跨鋼筋混凝土框架)應根據設計經驗或計算確定。

綜上所述，圖1a)結構中的計算長度按照表1取值，如圖1b)，圖1c)所示，當平臺的剛度很小可以忽略不計時按表1取值，否則進行截面設計時計算長度的取值缺乏適當的依據，造成不利隱患。圖1d)結構設計時可以在滿布平臺處設置類似于基礎嵌固部位的嵌固層，然后把豎向框排架結構分解為上、下兩個結構體系，按照表1、表2及規范分別對柱子計算長度系數進行取值，可以滿足設計要求。對于圖1e)純框架結構可以按照表2直接取值柱子的計算長度系數進行截面設計。

3 結構設計

3.1 結構規則性判定

參照《構筑物抗震設計規范》第3.4.6，3.4.7，3.4.8條之規定，結合廠房內工藝設備布置情況，本工程設計中把可以判別為符合平面規則的平臺層(滿布平臺)設置為現澆鋼筋混凝土樓面并與廠房柱子剛接連接，使其滿足豎向框排架結構上下分結構的可靠過渡層；對于可被判定為影響平面規則性的平臺結構，地面上的單獨布置，與主體結構完全脫開，樓面以上的平臺與上部子結構(排架結構)脫開布置，僅在過渡層統一匯聚，統一處理，過渡層樓板厚度200 mm，樓板配筋率取0.25%，雙層雙向通長設置。這樣主動地把主體結構設計為平面規則，豎向不規則的結構形式，有效降低結構的復雜程度，提高結構的安全性。

3.2 構件設計

3.2.1 柱截面尺寸選取

對于有吊車廠房柱上段柱截面高度Ht/14=(26.5-9.8)/14=1.2 mm,柱子寬度Hl/30=16.0/30=0.533 mm。選取柱截面為550 mm×1 200 mm，平臺柱截面取500 mm×500 mm，上柱截面取550 mm×400 mm，對于這種高大廠房不太合適，會造成柱子在吊車牛腿頂面形成薄弱部位，把排架柱子外偏軸線370 mm，原來的370墻改為250加氣混凝土砌塊墻，這樣上柱截面可以做到550 mm×770 mm，滿足了廠房柱彈塑性變形要求。

3.2.2 內部多層平臺結構的設計

高度較高的小范圍平臺采用鋼結構，自重較輕，施工難度低，使用方便。過渡層以上的范圍比較大的平臺仍然采用鋼筋混凝土框架結構，但與上部排架柱子脫開設計，形成內部框架。地面上平臺仍采用鋼結構形式。

3.3 模型建立

計算軟件采用PKPM系列軟件SATWE進行整體空間建模計算，采用PMSAP進行復核驗算。柱子各層的計算長度系數根據上述分析結果進行人為調整。上部平臺采用廣義層概念建立模型與廠房主體連接形成整體進行計算，有效的保證了計算模型與實際結構的基本一致性，提高了計算結果的準確性。最后彈性層間位移角限值取框架與排架結構的較小值1/550。

3.4 結構性能設計探討

依據GB 50223-2008建筑工程抗震設防分類標準之規定，對于按重要性劃分為重點設防類(乙類)的建筑物，其抗震設防目標不甚明確，尤其對于比較重要的核設施，應該參考《高層建筑混凝土結構技術規程》中關于抗震性能設計的內容，明確指定的地震地面運動下的結構抗震性能目標等級，以此進行抗震計算和采取相應的抗震措施，并滿足抗連續倒塌概念設計的要求。

在404U-2工程及272U-1工程主工藝廠房的結構抗震設計中對多遇地震水平地震影響系數增大0.25倍(相當于設計基準期為75年)進行計算和控制變形，并且按照提高1度采取相應的抗震措施。這樣既有效的保證了結構安全性，又區分了相同重要性等級的核設施與其他設施，從概念上是合適的。

采用現澆鋼筋混凝土豎向框排架結構，其結構整體性好，屬于多跨超靜定結構，具有多重傳遞重力荷載途徑，能夠滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》中關于抗連續倒塌概念設計的要求。對于相對薄弱的部位如上下柱節點處進行了特殊處理。

4 結語

通過對404U-2工程及272U-1工程主工藝廠房的結構設計，得出以下結論及設計建議：

1)對于設置滿布平臺結構的高大工業廠房(高度超過20 m)，采用豎向框排架結構形式，可以有效利用平臺結構對排架柱子的側向支撐作用，減小柱子的單層高度。從而可以減小構件截面尺寸，提高建筑物使用空間，節約造價，獲得不錯的經濟效益。

2)對于高大的廠房結構，由于采用預制裝配式其施工難度較大，可以考慮采用現澆結構形式，有效減小施工難度，縮短施工周期，同時采用適當的結構處理手段，可以提高結構整體的抗震性能，滿足工程建設的需要。

3)對于特定的工程實踐，要求設計人員深入理解規范基本概念，靈活應用各種結構類型，通過分析對比，糾正實際工作中存在的不足，逐步提高設計質量。

[1] GB 50191-2012,構筑物抗震設計規范[S].

[2] GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[3] GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[4] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[5] GB 50223-2008，建筑工程抗震設防分類標準[S].

[6] 建筑結構設計資料集3混凝土結構分冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2007.

[7] 陳紹蕃.鋼結構設計原理[M].第3版.北京:科學出版社，2005.

[8] 豐定國，王社良.抗震結構設計[M].武漢:武漢工業大學出版社，2001.

[9] 康谷貽.混凝土結構設計原理[M].北京:中國建筑工業出版社，2002.

Research on uranium conversion factory performance design of multi-layer platform

WANG Rong-de

(ChinaNuclearNewEnergyNuclearIndustryEngineeringLimitedLiabilityCompany,Taiyuan030012,China)

According to the engineering design example, this paper discussed the structure scheme selection, optimization design method and structural measures of inside arranged multi-layer platform structure tall factory, through the discussion on various problems in existing practical engineering design, construction process, summarized the theory analysis, design methods, parameter control and other key points of similar building structure types, provided basis for future structure design especially the structure design of uranium conversion engineering main factory.

uranium conversion main factory structure design, vertical bent frame, structure type, calculation parameter

1009-6825(2014)22-0038-03

2014-05-20

王榮德(1982- )，男，工程師

TU721.5

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