單跨高層鋼框架與鋼筋混凝土框架材料用量比較

景 偉

(山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 萊蕪 271104)

單跨高層鋼框架與鋼筋混凝土框架材料用量比較

景 偉

(山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 萊蕪 271104)

通過對不同地震烈度、風荷載作用下相同高度、跨度、層高的單跨高層鋼框架(帶支撐)和混凝土框架結(jié)構(gòu)的計算，明確了位移控制指標，進而比較了二者的材料用量及造價，最終給出了單跨高層框架結(jié)構(gòu)形式、材料的選用建議。

單跨高層，框架結(jié)構(gòu)，用鋼量，鋼筋混凝土用量

對單跨高層框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，國家現(xiàn)行GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范雖然進行了限制，但對丙類建筑要求還是有所放松，并且在實際工程應(yīng)用中，尤其是在工業(yè)建筑中，該類結(jié)構(gòu)還是有大量的應(yīng)用，比如，冶金行業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼工程中的散裝上料轉(zhuǎn)運站。工業(yè)建筑需服務(wù)于工藝布置，其建筑形式、結(jié)構(gòu)布置往往受場地空間、工藝立體空間、設(shè)備空間等的限制。為滿足工藝需要，各種超常規(guī)的建筑在工業(yè)設(shè)計中比較常見。單跨高層框架結(jié)構(gòu)以其占地面積小、能提供高層應(yīng)用空間、施工簡便等優(yōu)點，在工業(yè)設(shè)計中還是有大量應(yīng)用。

本文選取相同高度、跨度、層高的單跨高層鋼框架(帶支撐)和混凝土框架，在相同風荷載、地震荷載、屋面及樓面荷載情況下，進行計算。在滿足相同的位移控制指標的情況下，分別比較二者材料用量和造價。

1 工程概況

所選工程實例為冶金行業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼工程中的散裝上料轉(zhuǎn)運站。轉(zhuǎn)運站是皮帶運輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，該轉(zhuǎn)運站高度為24 m，層高4 m，共6層，跨度為8 m。轉(zhuǎn)運站最高層放置皮帶機機尾，第5層放置皮帶機機頭，這兩層為工藝設(shè)備層，用墻圍護。其余樓層為結(jié)構(gòu)層，不進行墻面圍護。假定抗震設(shè)防烈度分別為7度和8度，設(shè)計基本地震加速度值分別為0.10g和0.20g，設(shè)計地震分組均為第三組，場地類別均為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別均為丙類。假定基本風壓分別為0.35 kPa和0.55 kPa。基本雪壓為0.40 kPa。設(shè)備層樓面恒載為5 kPa(不包括樓板自重)、活載為4 kPa，屋面恒載為4 kPa(不包括樓板自重)、活載為0.5 kPa。結(jié)構(gòu)材質(zhì)分別采用Q235B級鋼及C30鋼筋混凝土。

根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)樓層層間最大位移與層高之比不宜大于1/550。單跨高層框架轉(zhuǎn)運站由于水平剛度小，若僅滿足上述規(guī)定，并不能很好滿足使用要求。根據(jù)已有工程經(jīng)驗，類似單跨高層框架轉(zhuǎn)運站，水平荷載(包括風荷載和地震荷載)作用下最高點水平位移與建筑高度之比控制在1/700時，在風荷載、設(shè)備荷載作用下，人在最高層能明顯感覺到建筑的晃動，給人以相當大的不安全感。在一些高寬比超限的單跨鋼筋混凝土框架轉(zhuǎn)運站中，甚至人為產(chǎn)生的荷載(比如撬動設(shè)備產(chǎn)生的荷載)也會使建筑產(chǎn)生可感知的晃動。綜合相關(guān)工程經(jīng)驗，水平荷載中風荷載起控制作用時，將單跨高層框架轉(zhuǎn)運站最高點水平位移與建筑高度之比控制在1/1 200較為合適；若地震荷載起控制作用，當?shù)卣鹆叶葹?度(0.1g)及其以下烈度時，上述指標控制在1/1 200較為合適，當?shù)卣鹆叶葹?度(0.15g)及其以上烈度時，上述指標控制在1/800較為合適。此時，結(jié)構(gòu)有較大的水平剛度，能滿足設(shè)備以及現(xiàn)場操作的要求。

由于高層轉(zhuǎn)運站只有最高兩層有設(shè)備，其余各層荷載很小，風荷載及地震荷載起控制作用。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，鋼筋混凝土單跨高層框架結(jié)構(gòu)位移參數(shù)(最高點水平位移與建筑高度之比)往往起控制作用；鋼框架—中心支撐單跨高層結(jié)構(gòu)中高寬比在接近規(guī)范限值的情況下，上述結(jié)構(gòu)位移參數(shù)往往也起控制作用。在滿足基本的力學及構(gòu)造控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，將最高點水平位移與建筑高度之比作為一項重要的控制參數(shù)。

鋼筋混凝土材質(zhì)轉(zhuǎn)運站采用框架結(jié)構(gòu)，設(shè)備層樓板厚120 mm，結(jié)構(gòu)層板厚80 mm，樓板結(jié)構(gòu)采用主次梁形式。設(shè)備層采用240 mm厚加氣混凝土砌塊圍護，其余各層開敞。由于混凝土框架—支撐形式不常采用，且混凝土支撐施工不便，故而不采用此種結(jié)構(gòu)。

鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站采用框架—中心支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)備層采用鋼筋混凝土樓板，板厚120 mm，結(jié)構(gòu)層僅設(shè)置四周主梁，不設(shè)次梁和樓板。設(shè)備層采用C型鋼墻梁、0.8 mm壓型鋼板圍護，其余各層開敞。

2 結(jié)構(gòu)計算

表1 低風載、地震荷載作用下材料用量及造價比較

表2 低風載、高地震荷載作用下材料用量及造價比較

表3 高風載、低地震荷載作用下材料用量及造價比較

表4 高風載、地震荷載作用下材料用量及造價比較

分別對上述鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站在不同荷載狀況下模型進行計算，框架結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在滿足基本力學、構(gòu)造要求的基礎(chǔ)上，盡量優(yōu)化構(gòu)件尺寸，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。計算采用PKPM軟件，在構(gòu)件截面優(yōu)化的過程中要反復試算，梁、柱、支撐截面優(yōu)化要相互協(xié)調(diào)，使它們剛度相互適應(yīng)，以達到最優(yōu)結(jié)果。計算結(jié)果列于表1～表4。其中位移指標為水平荷載作用下最高點水平位移與建筑高度之比。

3 結(jié)語

通過對鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)單跨高層轉(zhuǎn)運站在不同荷載狀況下模型進行計算，并對構(gòu)件截面進行優(yōu)化，可以得到如下結(jié)論:

1)單跨高層框架結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的剛度往往較小，這就使得結(jié)構(gòu)對水平荷載的響應(yīng)較為敏感，設(shè)備及人為操作產(chǎn)生的水平荷載往往使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生可感知的位移或晃動。為使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平剛度，水平荷載作用下最高點水平位移與建筑高度之比需要進行較為嚴格的控制。綜合相關(guān)工程經(jīng)驗，水平荷載中風荷載起控制作用時，將單跨高層框架轉(zhuǎn)運站最高點水平位移與建筑高度之比控制在1/1 200較為合適；若地震荷載起控制作用，當?shù)卣鹪O(shè)防烈度為7度(0.1g)及其以下烈度時，上述指標控制在1/1 200較為合適，當?shù)卣鹪O(shè)防烈度為7度(0.15g)及其以上烈度時，上述指標控制在1/800較為合適。

其中，鋼轉(zhuǎn)運站由于自重較小且水平剛度相對較大，在本實例中上述位移指標并不起控制作用，起控制作用的是力學、構(gòu)造參數(shù)。為使結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，在滿足力學、構(gòu)造控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)使上述位移指標控制在不小于1/1 200。

混凝土轉(zhuǎn)運站自重較大使其水平剛度相對較小，在本實例中上述位移指標起控制作用。水平作用中，地震作用起控制作用，地震設(shè)防烈度越高，地震作用越明顯。

2)地震烈度對混凝土結(jié)構(gòu)的影響比鋼結(jié)構(gòu)更明顯，鋼結(jié)構(gòu)因為自身的材料性能以及較小的自重比混凝土結(jié)構(gòu)有更好的抗震性能。鋼結(jié)構(gòu)單跨高層轉(zhuǎn)運站比混凝土單跨高層轉(zhuǎn)運站更適合高地震設(shè)防烈度即不小于7度(0.15g)的情況。

3)在低地震設(shè)防烈度即不高于7度(0.10g)情況下，對單跨高層框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站，混凝土結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)有更好的經(jīng)濟性，但高地震設(shè)防烈度情況下，鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)有更好的經(jīng)濟性。

4)綜合以上結(jié)論可以看出，高地震設(shè)防烈度即不小于7度(0.15g)情況下，單跨高層框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站宜采用鋼結(jié)構(gòu)；低地震設(shè)防烈度即不大于7度(0.10g)情況下，單跨高層框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站宜采用鋼結(jié)構(gòu)，也可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但在高寬比較大的情況下宜采用鋼結(jié)構(gòu)。

[1] 包頭鋼鐵設(shè)計研究總院.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算[M].第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 曲偉偉.型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的研究進展[J].山西建筑，2014，40(34)：44-46.

[5] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

The compare of material used amounts between single span high-rise steel frames and reinforced concrete frames

Jing Wei

(ShandongMetallurgicalDesignInstituteLimitedCompanybyShare,Laiwu271104,China)

Through the single span high-rise steel frame(with support) and concrete frame structure calculation with same height, span, storey of different earthquake intensity, wind load, cleared the displacement control index, then compared the material consumption and cost of both, finally gave the selection suggestion of single span high-rise frame structure form, material.

single span high-rise, frame structure, steel usage, reinforced concrete usage

2015-02-08

景 偉(1980- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)12-0042-02

TU392

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