單層超高大跨鋼結(jié)構(gòu)廠房概述

徐凡 吳濤 吳建良 趙宏康 湯翔宇

[摘要]以某超高大跨鋼結(jié)構(gòu)廠房為工程實例，對該工程結(jié)構(gòu)的選型、整體計算、關(guān)鍵節(jié)點進行分析。指出此類超高廠房的控制指標(biāo)是風(fēng)荷載下的水平位移，提高結(jié)構(gòu)柱的剛度是設(shè)計的關(guān)鍵，超高柱采用四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱能有效、經(jīng)濟地達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。上下柱連接節(jié)點采用雙向肋板加勁的穿心板式肩梁設(shè)計、高低跨過渡連接節(jié)點采用勁板轉(zhuǎn)換，構(gòu)造簡單、傳力明確、施工簡便。

[關(guān)鍵詞]超高、大跨；鋼管混凝土，格構(gòu)柱；節(jié)點設(shè)計

1工程概況

本工程位于建筑用地面積為100641平方米。擬建新建廠房工程建筑面積為60803平方米。主體建筑物分為7個區(qū)域（綜合考慮使用功能、抗震、溫度因素）：其中6個區(qū)域的房屋高度在22米左右，最大跨度為40米，單跨鋼排架結(jié)構(gòu)體系；一個區(qū)域高、中、低塔交錯結(jié)合，低塔高度在16米～20.9米間、中塔高度40米、高塔最高75米，最大跨度36米（本區(qū)域為第6區(qū)域，后文用“本區(qū)域”表示）。

2 結(jié)構(gòu)選型及抗震措施

（1） 結(jié)構(gòu)選型

本區(qū)域高、中、低塔交錯結(jié)合，為多跨鋼排架結(jié)構(gòu)體系。其中單層層高最高達(dá)75.2m、單跨跨度達(dá)36m。

為滿足風(fēng)荷載作用下的側(cè)移要求，需要結(jié)構(gòu)有較大的側(cè)移剛度，而單層超高廠房結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度主要由結(jié)構(gòu)柱提供，結(jié)構(gòu)柱的設(shè)計是此類結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[1]。對于此類超高廠房柱截面一般可采用型鋼柱、實腹型鋼格構(gòu)柱、鋼管格構(gòu)柱、雙肢或多肢鋼管混凝土格構(gòu)柱。近年來快速興起的鋼管混凝土技術(shù)為提高格構(gòu)柱剛度、同時有效控制造價提供了一條有效途徑。鋼管混凝土具有承載力高、塑性好、抗震性能好的優(yōu)點，用于超高大跨廠房格構(gòu)柱的柱肢更能有效降低結(jié)構(gòu)造價。

本區(qū)域中、高塔部分，柱形式分別選用雙肢、四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱，并分別與單榀、雙拼屋面鋼桁架構(gòu)成大跨單層剛架體系；低塔部分采用實腹型鋼格構(gòu)柱，其和實腹型屋架鋼梁構(gòu)成單層剛架。

剛架底部均固結(jié)，格構(gòu)柱頂部與桁架（或鋼梁）的連接均采用剛接；沿剛架縱向設(shè)置多道柱間支撐、縱向系桿，以傳遞沿縱向水平作用。在屋蓋桁架下弦設(shè)置封閉的屋面橫向/縱向水平支撐分配、傳遞水平作用。在鋼桁架屋架上弦設(shè)置屋面橫向水平支撐、剛性系桿以及豎向支撐以確保屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。

本區(qū)域端部山墻設(shè)抗風(fēng)柱。其頂端與屋面桁架下弦或鋼梁下翼緣的連接采用長圓孔螺栓形式，確保只傳遞水平作用、不承受豎向作用。抗風(fēng)柱自身之間均設(shè)剛性系桿以確保抗風(fēng)柱的平面外穩(wěn)定，部分抗風(fēng)柱由于建筑功能需要不能落地，設(shè)置鋼桁架來支托抗風(fēng)柱。

（2） 抗震措施

工程設(shè)計時，采取合理的抗震措施來保證結(jié)構(gòu)的可靠性[3]。

第一，加強整體結(jié)構(gòu)支撐體系的布置，提高支撐結(jié)構(gòu)的冗余度；

第二，格構(gòu)柱柱腳采用埋入式剛接構(gòu)造。

第三，設(shè)計時合理構(gòu)造節(jié)點，使節(jié)點受力合理、傳力明確可靠，使節(jié)點的極限承載力高于桿件的極限承載力，即做到強節(jié)點弱構(gòu)件；

第四，嚴(yán)格控制支撐構(gòu)件的長細(xì)比。

3結(jié)構(gòu)空間整體分析

本工程鋼結(jié)構(gòu)縱向排架通過柱間支撐、腰桁架（沿豎向約10米距離設(shè)一道）傳遞水平力，在屋面通過屋面水平支撐系統(tǒng)形成完成的結(jié)構(gòu)體系。

四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的柱肢按“相等軸向剛度、相等抗彎剛度”[1][2]原則折算為鋼管柱肢輸入整體模型計算，支撐構(gòu)件一般按長細(xì)比確定截面，充分利用構(gòu)件截面的幾何特性，型鋼柱交叉時，弱軸在面內(nèi)，強軸在面外，減小弱軸的計算長度，控制支撐截面大小；圓管柱柱間支撐采用鋼管便于綴條與柱肢的連接。廠房每榀剛架之間支撐系統(tǒng)提供了較大的剛度，平面分析時應(yīng)考慮平面外支撐剛度所產(chǎn)生的內(nèi)力疊加。

（1） SAP2000與MIDAS Gen分析

設(shè)計時選用SAP2000和MIDAS Gen兩種軟件分別對結(jié)構(gòu)進行整體分析，計算分析得出兩種軟件對本廠房進行空間整體分析的各項控制指標(biāo)較為接近，較準(zhǔn)確的模擬了結(jié)構(gòu)整體的空間受力性能，得出了各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范對此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

（2） 整體彈性屈曲分析

在6區(qū)空間整體計算模型基礎(chǔ)上，設(shè)計時進行了整體彈性屈曲分析。設(shè)計時考慮的屈曲荷載工況為豎向荷載D+L+0.5DC（1.0恒荷+1.0活荷+0.5吊車荷載）工況，設(shè)計初期屋面支撐系統(tǒng)單一取H型鋼或圓管，屈曲穩(wěn)定的第一模態(tài)為屋面支撐失穩(wěn)，屈曲系數(shù)為5左右，屈曲系數(shù)稍低；后調(diào)整支撐系統(tǒng)，交叉支撐為橫放H型鋼，無交叉支撐為圓管，屈曲穩(wěn)定的第一模態(tài)是柱間支撐失穩(wěn)且屈曲系數(shù)為8.1，是比較理想的情況。

（3）溫度應(yīng)力

本區(qū)域總長度192m，總寬度200m，因設(shè)備工藝要求不可設(shè)縫，設(shè)計考慮溫度應(yīng)力作用，以正常室溫20度為基準(zhǔn)，升溫考慮25度，降溫考慮30度（即考慮-10度到45度的溫度變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力），充分考慮溫度應(yīng)力的不利影響。

4節(jié)點設(shè)計

（1）柱頂節(jié)點

柱頂與屋面桁架的連接是實現(xiàn)廠房橫向剛架的關(guān)鍵，應(yīng)構(gòu)造合理，傳力明確。高塔區(qū)屋面桁架與鋼管混凝土四肢格構(gòu)柱柱頂之間連接采用直接焊接的連接方式，屋面桁架上下弦桿與四肢柱頂相連并在四肢柱頂內(nèi)側(cè)延伸至外側(cè)，加設(shè)交叉斜腹桿，將屋架方向平面內(nèi)荷載有效分配至格構(gòu)柱四個柱肢，從而形成一個空間剛性節(jié)點，較好的解決了屋面桁架與柱頂?shù)闹g的可靠傳力。

（2）肩梁節(jié)點

高塔區(qū)四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱高75m左右，考慮受力合理及經(jīng)濟性，從下至上，四次收進截面。采用雙向肋板加勁的穿心板式肩梁設(shè)計，肩梁腹板采用整塊鋼板，上下柱的鋼管先開槽、開坡口，將肩梁腹板插入鋼管槽內(nèi)，然后焊接，并設(shè)置縱橫向的加勁肋約束腹板[1]。

（3）高低跨連接節(jié)點

本區(qū)域高低跨之間均采用剛性連接。高塔區(qū)采用的是四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱，其柱截面為空間形式，中塔/低塔區(qū)柱為平面兩肢格構(gòu)柱，屋架采用的是實腹式型鋼梁，故中塔/低塔屋架型鋼梁與高塔區(qū)格構(gòu)柱相連時在幾何關(guān)系上錯位，無法將屋架作用力直接傳遞給高塔區(qū)柱肢，需進行轉(zhuǎn)換。

該節(jié)點既有效的承擔(dān)低跨屋架的豎向荷載，又確保低跨屋架排架方傳來的水平作用。

在四肢格構(gòu)柱內(nèi)部低跨屋架方向設(shè)置受力板及加勁板，使屋架荷載直接傳遞給受力板，通過受力板及柱肢上的加勁板，將力協(xié)調(diào)分配至四個柱肢，確保傳力可靠。

（4）柱腳節(jié)點

為了實現(xiàn)高塔區(qū)柱腳與基礎(chǔ)之間的剛性連接，使其符合計算假定。本區(qū)域中、高塔部分采用了埋入式柱腳。將內(nèi)外分肢軸力有效傳遞給基礎(chǔ)，保證了柱腳的剛性，使整體結(jié)構(gòu)安全可靠。

5結(jié)語

本區(qū)域鋼架高低交錯，單層高達(dá)75米，設(shè)計難度較大，設(shè)計過程中得到趙宏康總工程師悉心指教。程序分析采用SAP2000、MIDAS等多種模型，確保各項設(shè)計指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。現(xiàn)施工已封頂，各項事宜皆順利。

參 考 文 獻

[1] 趙宏康，陳磊，徐文希. 單層大跨超高廠房結(jié)構(gòu)選型研究及工程設(shè)計 [J]. 建筑結(jié)構(gòu).2012，42（1）：21～26

[2] CECS28：90 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程 [S]. 北京：中國計劃出版社，1992.

[3] GB50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范 [S]. 2008年版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[4] 韓昌標(biāo)，戴雅萍，趙宏康，方有珍.單層大跨超高廠房鋼管混凝土柱肩梁的有限元分析[J] 蘇州科技學(xué)院（工程技術(shù)版）2012.，25（4）：46～49