1000t/800t鋼結(jié)構(gòu)重工廠房抗風(fēng)性能分析

楊 彥

（作者畢業(yè)于山東建筑大學(xué)土木工程/ 結(jié)構(gòu)工程專業(yè)方向，現(xiàn)就職于山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司）

1.前言

通常認(rèn)為，吊車噸位在100t以上鋼結(jié)構(gòu)廠房為重型工業(yè)廠房，其中，吊車噸位大于250t為特重型廠房。重型工業(yè)廠房的顯著特點(diǎn)是吊車噸位大、吊車使用頻繁，其建筑平、立面尺寸往往也較大，結(jié)構(gòu)跨度、柱距大，高度高；同時(shí)，由于工業(yè)的特殊性，工藝對(duì)重工廠房的使用空間、結(jié)構(gòu)承受特殊和復(fù)雜動(dòng)力荷載等方面的要求也較高。

目前，我國(guó)對(duì)重型廠房各方面開展的研究較少，有些研究的理論價(jià)值較高，但僅存在于理論層面，在一定程度上脫離了工程實(shí)際，可操作性欠佳，應(yīng)用價(jià)值不高。在抗風(fēng)研究方面，大跨度、超高的重工廠房受風(fēng)面積大，特別是在A類地面粗糙度地區(qū)，風(fēng)載大大削弱了建筑的整體剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生較大的不利影響。過去主要是對(duì)一些小型重型廠房的結(jié)構(gòu)受風(fēng)影響分析，重要性和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都不算太高，而隨著一批大型重型廠房的開工建設(shè)，使其受風(fēng)問題變得越來越突出。而國(guó)內(nèi)外目前對(duì)這方面的研究也較少，難以為類似工程提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

本文采用大型有限元分析軟件ANSYS，以山東省東營(yíng)港開發(fā)區(qū)綠洲核能裝備有限公司的高端石化裝備制造項(xiàng)目-重型壓力容器車間廠房為例，建立了反映工程實(shí)際的三維數(shù)值分析模型，研究了風(fēng)載對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形的影響。

2.工程概況

山東省東營(yíng)港開發(fā)區(qū)綠洲核能裝備有限公司的高端石化裝備制造項(xiàng)目-重型壓力容器廠房車間，建筑平面389m（軸線尺寸）X42m（軸線尺寸），單跨，柱距12m，車間起坡點(diǎn)高度37.5m，屋脊高度39.75m。主體結(jié)構(gòu)采用框排架結(jié)構(gòu)體系，格構(gòu)式鋼管混凝土下柱，實(shí)腹式H型鋼上柱，實(shí)腹式H型鋼梁，吊車梁采用焊接H型鋼。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用有檁體系，屋面為現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合雙層壓型鋼板保溫屋面，墻面為單層鍍鋁鋅版。基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。

該地區(qū)基本風(fēng)壓（50年重現(xiàn)期）為0.5 kN / m2，地面粗糙度類別為A類；基本雪壓（100年重現(xiàn)期）0.4 kN / m2，雪荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)分區(qū)二；該市的抗震設(shè)防烈度為7度（0.15g），設(shè)計(jì)地震分組第三組；場(chǎng)地類別二類。屋面恒載標(biāo)準(zhǔn)值0.4 kN / m2，屋面活載標(biāo)準(zhǔn)值0.5kN /m2（主要受力構(gòu)件）。

表1 構(gòu)件規(guī)格表

圖1 A區(qū)建筑平面圖

圖2 A區(qū)建筑剖面圖

圖3 A區(qū)鋼柱及柱間支撐系統(tǒng)

圖4 山墻柱間支撐系統(tǒng)

該車間分為A、B、C三個(gè)區(qū)域，其中A區(qū)長(zhǎng)156m,B區(qū)長(zhǎng)144m，C區(qū)長(zhǎng)84m，在A、B區(qū)之間和B、C區(qū)之間分別設(shè)置2.5m寬（軸線尺寸）的變形縫。本文選取A區(qū)為研究對(duì)象。A區(qū)建筑平面圖、剖面圖見圖1～2。

本工程采用排架結(jié)構(gòu)，格構(gòu)式圓鋼管混凝土下柱、實(shí)腹式H型鋼上柱，實(shí)腹式H型鋼梁，抗風(fēng)桁架，屋面采用了格構(gòu)式系桿。格構(gòu)式鋼管混凝土柱不但節(jié)省了鋼材，也減輕了柱本身的重量。鋼柱及柱間支撐系統(tǒng)平、立面圖見圖3～4。

3.工程關(guān)鍵問題分析

重工廠房結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)包括吊車噸位、柱距、跨度、軌頂標(biāo)高等。本工程有大噸位吊車，結(jié)構(gòu)的變形將可能導(dǎo)致吊車梁變形，進(jìn)而導(dǎo)致吊車無(wú)法使用，因此控制側(cè)移是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

山東省東營(yíng)市為臨海港口城市，基本風(fēng)壓（50年重現(xiàn)期）為0.5 kN /m2，地面粗糙度類別為A類，廠房封閉式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)跨度大（42m），總長(zhǎng)達(dá)389m，屋面起坡點(diǎn)高度高（達(dá)到37m），因此廠房受風(fēng)面積大，屋面受風(fēng)載也大；風(fēng)壓高度變化系數(shù)大，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）表7.2.1，在30m（Zμ=1.8）～40m（Zμ=1.92）的高度上線性插值取得檐口和屋脊風(fēng)壓高度變化系數(shù)Zμ分別達(dá)1.89和1.92。廠房結(jié)構(gòu)因風(fēng)載可能產(chǎn)生的破壞作用將會(huì)很大。因此，抗風(fēng)設(shè)計(jì)是本工程的根本性工作之一。

4.模型的建立

本工程中格構(gòu)式鋼管混凝土柱為鋼管和內(nèi)填混凝土這兩種不同本構(gòu)關(guān)系的材料的組合結(jié)構(gòu)，因此將其分別定義，然后通過GLUE命令組合成一個(gè)連續(xù)體協(xié)同作用。其中，格構(gòu)式鋼管混凝土柱的鋼管采用實(shí)體單元SOLID 185，該單元是一種采用力與位移混合形狀函數(shù)的線性單元，可以退化為五面體或者四面體、棱柱體，通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著X、Y、Z方向平移的自由度，可以用來構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)。這個(gè)單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變等的能力，還可以采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料。該單元不允許零體積單元，在本例中，將SOLID 185單元定義為各向同性材料，單元坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系，不考慮溫度作用。

型鋼抗風(fēng)柱、結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)也采用實(shí)體單元SOLID 185定義。

格構(gòu)式柱鋼管內(nèi)填充混凝土采用實(shí)體單元SOLID 65。該單元具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有X、Y、Z三個(gè)方向的自由度，用來構(gòu)造含筋或不含筋的混凝土實(shí)體模型，可以用其實(shí)體性能模擬混凝土，用加筋性能模擬鋼筋作用。這一實(shí)體模型具有拉裂和拉碎的性能。其最重要的方面在于對(duì)材料非線性的處理，可以模擬混凝土的開裂、壓碎、塑性變形和徐變，以及鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形和蠕變，但是無(wú)法模擬鋼筋的剪切性能。在本例中，將SOLID 65單元定義為各向同性材料，不考慮溫度作用和應(yīng)力松弛。

廠房主體采用排架結(jié)構(gòu)，屋面鋼屋架,插入式柱腳，柱頂鉸接,柱底剛接。

模型的建立采用直接建立有限元模型的方式，通過建立節(jié)點(diǎn)與單元，直接生成有限元模型。然后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和加載求解，最后做通用后處理。實(shí)體模型如圖5。

圖5 A區(qū)廠房實(shí)體模型

4.1荷載工況

分順風(fēng)(風(fēng)向平行于廠房縱向)、橫風(fēng)(風(fēng)向垂直于廠房縱向) 兩種。

4.2廠房使用和空載

4.2.1廠房在投入使用時(shí)，所有的吊車都處于一個(gè)區(qū)間（兩對(duì)排架柱之間）滿載運(yùn)行，對(duì)廠房在順風(fēng)、橫風(fēng)的風(fēng)荷載作用下分別進(jìn)行分析。

4.2.2廠房空載時(shí)，對(duì)廠房在順風(fēng)、橫風(fēng)的風(fēng)荷載作用下分別進(jìn)行分析。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按 wK=βZμSμZW0計(jì)算，其中：

a.本工程高寬比小于1.5，不考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響，βZ=1.0。

b.山東省東營(yíng)市為沿海城市，地面粗糙度類別A類，廠房起坡點(diǎn)高度37M，屋脊頂高39.75M，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）表7.2.1，在30m（Zμ=1.8）～40m（Zμ=1.92）的高度上線性插值取得Zμ分別為1.89和1.92。

c.風(fēng)載體型系數(shù)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī) 范》（GB50009-2012） 表7.3.1封閉式雙坡屋面取值，迎風(fēng)面 μS=0.8，背風(fēng)面 μS=-0.5，屋側(cè)-0.7，屋面迎風(fēng)面-0.6，屋面背風(fēng)面-0.5。

d.計(jì)算各風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值如下

迎風(fēng)面風(fēng)壓：

屋面荷載基本組合：風(fēng)載起控制作用；屋面恒載對(duì)屋面抵抗風(fēng)吸力有利；使用年限為50年，調(diào)整系數(shù)1.0；積雪沿全跨均勻分布。取1.0X恒+1.4X（屋面活+風(fēng)吸）。

5. ANSYS分析結(jié)果

采用鋼結(jié)構(gòu)中自適應(yīng)型自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)廠房模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分得到節(jié)點(diǎn)共537414個(gè)，單元共266643個(gè)。柱頂位移限值取廠房柱高的1/500=2‰。

廠房結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用下分析的結(jié)果總結(jié)如下（見表2）。

5.1順風(fēng)荷載作用下，空載和滿載時(shí)的最大應(yīng)力均發(fā)生在抗風(fēng)桁架與吊車梁相接節(jié)點(diǎn)處或最大吊車荷載作用處。順風(fēng)時(shí)，風(fēng)載主要由山墻抗風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)，本工程抗風(fēng)系統(tǒng)采用了抗風(fēng)桁架加抗風(fēng)柱的結(jié)構(gòu)形式，抗風(fēng)桁架將風(fēng)載分配至抗風(fēng)柱和山墻排架柱。這與常規(guī)排架系統(tǒng)的抗風(fēng)理論是一致的。

5.2順風(fēng)荷載作用下，除吊車作用力產(chǎn)生較大應(yīng)力值外，因順風(fēng)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力值基本一致，在183MPa～187MPa。

5.3順風(fēng)荷載作用下，廠房在空載、滿載的時(shí)候，產(chǎn)生最大的變形位移基本相同，均在56mm～60mm之間，而且最大值均位于廠房頂部。這與常規(guī)排架系統(tǒng)的抗風(fēng)理論也是一致的。

5.4橫風(fēng)荷載下，空載時(shí)最大應(yīng)力發(fā)生在柱腳位置。排架系統(tǒng)柱腳與基礎(chǔ)剛接，柱頂與屋架鉸接，水平風(fēng)載作用下最大彎矩發(fā)生在剛接柱底。這與常規(guī)排架系統(tǒng)的抗風(fēng)理論也是一致的。

滿載時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在最大吊車荷載作用處或柱腳，這取決于吊車最不利荷載的作用位置，這與常規(guī)排架系統(tǒng)的抗風(fēng)理論也是一致的。

表2 廠房結(jié)構(gòu)風(fēng)載作用下分析結(jié)果匯總

5.5橫風(fēng)荷載下，除吊車作用力產(chǎn)生較大應(yīng)力值外，因橫風(fēng)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力值基本一致，在136MPa-137MPa。

6. 結(jié)論及建議

6.1順風(fēng)荷載作用下，空載和滿載時(shí)的最大應(yīng)力均發(fā)生在抗風(fēng)桁架與吊車梁相接節(jié)點(diǎn)處或最大吊車荷載作用處。

順風(fēng)荷載作用下，廠房在空載、滿載的時(shí)候，產(chǎn)生最大的變形位移基本相同，而且最大值均位于廠房頂部。

6.2橫風(fēng)荷載下，最大應(yīng)力發(fā)生在最大吊車荷載作用處或柱腳。

6.3山墻抗風(fēng)柱+抗風(fēng)桁架+鋼管混凝土柱鋼梁排架組成的抗風(fēng)系統(tǒng)是可靠的，但是在鋼管混凝土下柱與H型鋼上柱的連接部位是薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)給于重視，應(yīng)采取合理的連接方式和加強(qiáng)措施，減小連接部位的截面突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中。

6.4抗風(fēng)桁架減小了抗風(fēng)柱的平面外計(jì)算長(zhǎng)度，風(fēng)載通過抗風(fēng)柱傳給排架柱，再傳至柱腳，無(wú)論是否采用支撐體系，剛接柱腳彎矩都最大。因此在設(shè)計(jì)中，對(duì)跨度大、高度高、受風(fēng)面積大的鋼結(jié)構(gòu)廠房應(yīng)采用插入式柱腳，并重視基礎(chǔ)杯口頂部柱腳的加強(qiáng)。

6.5排架結(jié)構(gòu)柱頂鉸接，在水平風(fēng)荷載作用下，柱頂側(cè)移最大。因此，應(yīng)采取有效的措施減小柱頂側(cè)移。

6.6本文風(fēng)載按照均布荷載輸入，沒有建立風(fēng)場(chǎng)。在今后設(shè)計(jì)中，如能提取有代表性的廠房，建立風(fēng)場(chǎng)建模計(jì)算，將結(jié)果作分類匯總，對(duì)風(fēng)災(zāi)嚴(yán)重地區(qū)的大跨鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)將有重大的指導(dǎo)意義。