大跨超高門式剛架結構在污泥處理工程中的應用

黃賽帥

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

大跨超高門式剛架結構在污泥處理工程中的應用

黃賽帥

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

根據污泥處理工程的特點和對結構的要求，現對大跨超高門式剛架結構在該類工程中的設計和應用進行分析。首先，介紹了門式剛架在該類工程中的優勢及難點。接著，探討了在大跨超高的情況下，門式剛架的受力體系和計算方法。最后，結合某已建污泥處理工程給出了工程算例，介紹了該計算方法在實際工程中的應用。

大跨；超高；門式剛架；整體空間剛架模型

0 引言

污泥處理廠房為污泥處理工程中的主要建筑物，其內部大型設備及管道眾多，局部需設置重型設備夾層，屋面設有懸掛吊車。根據工藝流程及設備運行需要，廠房內部無布置結構柱可能，必須采用大跨結構。廠房凈高要求在24 m以上，單層高度達到了高層建筑的高度范圍。

常規的大跨高層結構屋面可選用桁架、網架、門式剛架等多種空間體系。然而，相比于其他結構形式，門式剛架有其獨特優勢：門式剛架構件數量少，易于污泥處理運行環境下的防腐維護；門式剛架的實腹梁柱占用平面及空間小，利于工藝在有限空間及限定高度內集約化布置；門式剛架現場施工周期短，利于縮短寶貴的工期。

但相比于常規門式剛架，該類門式剛架主跨已接近《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（以下簡稱“門剛規范”）中建議跨度的上限，結構總高已超過了該規范的建議高度，局部混凝土夾層布置重型設備，帶來較大的地震作用，故在結構設計中需慎重對待。

本文結合某污泥處理廠房實例，分析探討該類大跨高層結構體系的設計及應用。

1 門式剛架受力體系及計算方法

1.1 受力體系

門式剛架受力體系可以分為四大部分：主結構（主剛架、吊車梁），次結構（檁條、墻柱、抗風柱、墻梁），支撐結構（屋面支撐、柱間支撐、系桿），圍護結構（屋面板、采光板、墻板、門、窗）。

1.2 大跨超高門式剛架計算方法

門式剛架結構應進行以下方面的計算：構件強度及穩定性驗算、節點連接強度驗算、正常使用狀態下的變形驗算[1]。由于節點計算公式在相關規范中有明文可查，故本文主要探討結構體系的計算方法。

結構設計考慮的荷載含永久荷載、活荷載、風荷載、雪荷載、吊車荷載、地震作用等[2]，并需按照《建筑結構荷載規范》（以下簡稱“荷載規范”）及“門剛規范”組合。地震作用在一般門式剛架結構設計中不起控制作用，但在污泥處理工程中，夾層一般設置混凝土夾層并布置重載設備，故應進行抗震驗算。2016年實施的“門剛規范”明確闡明高度大于18 m時，規范中的風荷載取值不適用，而強度、穩定性計算方法仍可參考該規范[3]。故構件的強度、穩定性計算方法仍按“門剛規范”實施，而風荷載取值則按“荷載規范”選用。

“門剛規范”規定，門式剛架可按平面結構分析內力。由于大跨超高門式剛架已超出“門剛規范”的適用范圍，且夾層重荷載產生較大的地震力，整體空間剛架模型可以反映整個結構的周期、地震作用最大方向、整體剛度等各種指標及結構特性。故除按一般的平面結構模型分析內力外，應額外按整體空間剛架模型補充計算，獲知結構體系的薄弱點，以有針對性地加強結構。

2 工程實例

2.1 工程概況

國內某城市污泥處理工程主廠房由高低兩類剛架組成，1～14軸為高剛架，15～19軸為低剛架，屋面布置一臺5 t懸掛起重機。高剛架跨度12.5 m+ 27.5 m，高度26.500 m。低剛架為帶毗屋剛架，主跨40 m，毗屋跨度24 m，主跨高14.500 m，毗屋高11 m。高剛架分別在標高4.5 m、7.37 m、11.37 m處設置夾層，夾層均采用壓型鋼板現澆混凝土樓面。主體剛架平面布置見圖1所示。

圖1 剛架結構平面布置圖

該結構難點：（1）高剛架布置有三層鋼筋混凝土樓面夾層，使得此處平面外剛度較大，整體剛度不均勻。（2）夾層處布置數臺50 t重設備，平面上重荷載偏置。（3）主跨40 m，接近“門剛規范”中建議跨度的上限48 m，屬于大跨結構。（4）高剛架高度25 m，超過了“門剛規范”中建議高度的上限18 m，屬于超高門剛結構。（5）屋面布置一臺5 t電動單梁懸掛起重機，超過了“門剛規范”中建議懸掛起重機起重量不超過3 t的上限。

圖2為某大跨超高門式剛架施工過程之實景。

圖2 某大跨超高門式剛架施工過程之實景

2.2 結構計算

根據前述的計算方法，大跨超高門式剛架分別按平面結構模型及整體空間模型分析。平面結構模型采用PKPM的門式剛架模塊計算，整體空間模型采用SAP2000計算。

2.2.1 平面結構模型

分別對高剛架、低剛架建立平面結構模型，為減小基礎底部彎矩，柱底采用鉸接節點，平面結構模型分別見圖3、圖4所示。

圖3 高剛架平面計算結構簡圖

圖4 低剛架平面計算結構簡圖

限于篇幅，平面結構模型的各荷載組合彎矩圖、剪力圖、軸力圖不再贅述，其結果如下：各荷載組合下，高剛架最大彎矩788 kN·m，位置在左側夾層梁柱節點。高剛架最大剪力327 kN，位置在左側夾層梁端。高剛架最大軸力1 838 kN，位置在中柱柱底。由于高剛架帶有重載夾層，以上最大值均產生在樓面活荷載控制工況，故樓面活荷載是高剛架的控制荷載。

低剛架最大彎矩1 707 kN·m，位置在左側梁柱節點。最大剪力159 kN，位置在左柱柱底。最大軸力431 kN，位置在中柱柱底。由于低剛架跨度大，對風荷載較敏感，以上最大值均產生在風荷載控制工況，風荷載是低剛架的控制荷載。

2.2.2 整體空間模型

整體計算空間模型見圖5所示，采用整體計算空間模型方法求得各振型自振周期及其形態，前9個振型的自振周期如表1所列。在各種荷載組合下，內力包絡計算圖如圖6～圖8所示。

圖5 整體計算空間模型示意圖

表1 前9個振型自振周期表

圖6 各荷載組合下構件軸力包絡圖

圖7 各荷載組合下構件彎矩包絡圖

圖8 各荷載組合下構件剪力包絡圖

整體計算最大彎矩為1 641 kN·m，產生在為風荷載控制工況，位置在低剛架梁柱節點。最大剪力為298 kN，產生在為樓面活荷載控制工況，位置在高剛架夾層梁端。最大軸力為1 765 kN，產生在為樓面活荷載控制工況，位置在高剛架中柱柱底。

根據計算結果可得：整體模型計算得最大內力均較平面模型稍小，可知采用平面模型是偏安全的。

2.3 概念設計及構造措施

概念設計和結構計算是相輔相成的，該大跨超高門式剛架在以下方面加強其構造：（1）加強重要節點。為加強梁柱端板、梁梁端板、柱底節點，在螺栓計算時，乘以放大系數，同時采用摩擦型高強螺栓加強梁柱節點剛度。（2）選用合適的屋面墻面板材，保證蒙皮效應的發揮。屋面墻面圍護均采用100 mm厚巖棉夾芯彩鋼板，板的拼接采用咬邊連接，板與檁條連接采用密布自攻螺釘，在屋脊、檐口處額外加密螺釘。（3）提高瘦高型截面剛架梁柱的穩定性，水平支撐、柱間支撐均采用雙層型鋼交叉支撐。（4）加密支撐間距至18 m以下，增強整體剛度。

3 結語

本文對大跨超高門式剛架結構的計算進行了總結。限于篇幅，尚有以下問題有待進一步探討：

（1）需考慮大跨超高門式剛架梁柱端板的半剛性連接對整體模型計算的影響。完全剛接節點的設計假定會高估剛架的穩定承載能力，在“門剛規范”所建議的高度和跨度范圍內的門剛結構，由于經過大量研究和試驗，其計算結果的安全性有一定保證。而超高門式剛架的梁柱線剛度較大，梁柱節點的剛度對剛架穩定承載力的影響程度變大，應特別注意梁柱節點半剛性對剛架穩定承載力的影響[4]。

（2）大跨超高門式剛架需探索結合施工方案強化設計。該類結構在施工過程中，支撐節點僅有安裝螺栓，拼接節點高強螺栓未終擰，梁柱翼緣未對焊。且由于構件超高超長，施工過程中僅靠纜風繩等常規手段容易出現施工事故。國內在建門式剛架發生事故一般都集中在高度≥15m的項目。故該類結構需探索結合施工方案強化設計，驗算平面外帶荷起吊、施工過程平面外穩定計算等工況，以降低風險。

本文中所述工程已建成正常運行三年多。綜合而言，本文結合工程實際，對大跨超高門式剛架在污泥處理工程中的應用進行了總結，分析了該類結構的特點、重點、難點，并提出了需進一步探討的問題，可為該類結構的設計和研究提供參考。

[1]GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[2]GB50009-2012，建筑結構荷載規范[S].

[3]GB51022-2015，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范[S].

[4]楊翼賓.梁柱節點剛度對門式剛架穩定性的影響 [D].上海：交通大學，2010.

TU328

B

1009-7716（2017）08-0310-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.097

2017-04-20

黃賽帥（1985-），男，上海人，工程師，從事市政工程結構設計研究工作。