基于sap2000的煤粉計量樓歐標設計研究

高子磊 高宇航 王長燕 周欣麗

（1北京凱盛建材工程有限公司，北京 100024；2中昌慧建工程管理集團有限公司，北京 100021）

0 前言

隨著經濟全環化以及我國改革開放40年的發展，我國承接了越來越多的國際工程，面對的業主也越來高端，在國際競爭中，中國公司得到了鍛煉，建造和設計水平越來越高。本文結合埃及赫勒萬水泥技改項目中煤粉計量樓，采用歐洲規范，從模型建立到荷載輸入，再到設計結果分析，做了一些簡要說明，并就中歐設計的異同做了一些小結，希望對類似工業建筑設計能有參考作用。

1 工程概況

1.1 項目背景及自然條件

本項目位于埃及赫勒萬省，業主方為德國海德堡水泥集團，我方為總承包方，負責整個項目的設計、施工及調試工作。本項目的業主對建筑結構設計提出了全面應用歐洲規范的要求。

1.2 煤粉計量樓概況

煤粉計量樓的建筑和結構分析3D模型如圖1和圖2所示，由三層混凝土框架結構和一層鋼框架結構組成，采用獨立基礎形式，埋深2m。一層為煤粉計量設備房和空壓機房，二層為電氣室，三層為煤粉鋼倉直接承壓受力層，四層為鋼結構檢修平臺；總體建筑尺寸為13.0m*14.0m，頂層高度20.0m，局部最高處22.0m。

一至三層為混凝土框架梁-柱承重體系，墻體為空心砌塊填充墻；四層為鋼框架-支撐體系，在層高一半處拉一道橫梁以減小鋼柱長細比和控制柱頂位移，樓面為滿鋪格柵板；建筑物側面設置獨立樓梯間，采用輕巧的水平角鋼支撐和豎向角鋼支撐體系，在保證煤粉車間樓梯安全貫通性的同時，盡量經濟合理（見表1）。

本結構兩種模型的建立：1）應業主要求，采用sap2000軟件建立；2）為對比分析方便，采用國內軟件YJK建立；本文分析說明中以sap2000為主，YJK做輔助說明分析。

圖1 計量樓建筑BIM模型

圖2 計量樓結構3D分析模型

表1 建筑各層信息

2 荷載工況

2.1 樓面與屋面恒荷載、活荷載

本結構的恒荷載主要是各層樓面板、屋面板、梁、柱的自重，以及鋼結構自重。各層樓面活荷載除二層電氣室房間取用10.0KN/m2外，其他樓面及屋面均為5.0KN/m2。

2.2 設備荷載

各層樓面、屋面與外部廊道銜接處的鋼支架荷載、管道支點荷載、兩個煤粉鋼倉荷載等均考慮為設備荷載，分為恒荷載與活荷載。各層的設備荷載情況（見表2）。

表2 樓層主要設備荷載

2.3 風荷載

考慮建筑體型系數（0.8和-0.5）、風壓高度系數后，按照30km/h的基本風速，本項目風荷載按照90.0kg/m2考慮，分X、Y兩個方向，按照封閉墻體和敞開框架迎風面積不同，將風荷載分配到相應框架柱上。如圖3、圖4所示。

2.4 地震荷載

本項目位置在北非埃及地區，所以國家參數選擇“其他”（非歐洲本土）。按業主要求，場地類別為B類，反應譜類型1類，場地加速度0.15g。具體地震參數見表3。

圖3 +x方向風荷載

圖4 +y方向風荷載

表3 地震荷載參數

3 結構分析及設計

3.1 混凝土主框架分析及設計

3.1.1 質量與周期

表4顯示了應用兩款軟件得到的建筑物的總質量和周期的差值總體小于3%，表明分析結果可靠。第一周期對應為X方向一階平動，第二周期對應振型為Y方向一階平動，第三周期為第一扭轉振型。

經分析該模型周期比約為0.46，結構總體抗側構件分布較均勻。

表4 質量與周期對比

3.1.2 柱底剪力與彎矩

以1軸與A軸相交處的框架柱為例，對比該柱的風荷載、地震荷載作用下的柱底剪力和彎矩。由表5可知，柱底剪力值總體相差在5%以內；由于sap2000按要求建模為柱底鉸接，而YJK為常規柱底剛接，所以sap2000結果為0，因此柱底彎矩不作對比，僅顯示YJK結果。

表5 柱底剪力與彎矩

鑒于以上對比結果，兩款軟件的對比結果基本具有一致性，具有一定的可靠度。

3.2 鋼結構分析及設計

3.2.1 柱頂位移

仍以1軸與A軸交接處的鋼柱為例，分析頂層鋼框架的柱頂位移，如表6所示。

表6 鋼柱底剪力與彎矩

經分析，該鋼框柱的柱側層間位移角均很小，小于1/800，層間位移可靠，符合規范要求。

3.2.2 桿件應力比

圖5 頂層鋼結構應力比

Sap2000對于鋼結構桿件的分析和設計相比混凝土結構具有一定的優勢，包括桿件的長細比、強度計算、整體穩定性、平面內穩定性、平面外穩定性均能直觀地計算并輸出結果，而且能根據已知劃定的桿件截面庫進行優化篩選設計。從圖5看出，本模型中的桿件應力比基本小于0.7。

3.2.3 鋼樓梯間設計

本車間因儲存煤粉，從防爆及防火角度考慮，設置單獨上下貫通式樓梯間。采用新穎的單榀鋼支架結構，輕巧簡約；為保證結構平面內穩定性，采用雙角鋼L100*10作為豎向支撐，與樓梯平臺同步上升；同時為保證結構平面外穩定性，采用雙角鋼L60*5作為水平支撐在每一層樓面下方與主體結構相連接。

4 中歐規范結構設計異同

中歐規范設計，大到各行各業，小到各個項目，目前仍有很大空間進行對比和研究，本文僅對本車間，從以下幾個方向，結合設計中遇到的一些實際進行有側重的說明。

4.1 一般荷載取值偏大

本項目荷載取值按歐標取值，除設備荷載按工藝要求外，其他常見的樓面活荷載取值相對于國標普遍偏大，其安全可靠度更高。如工業建筑普通樓面活荷載國內取4.0kN/m2，歐標取5.0kN/m2；普通鋼平臺上人檢修荷載，國內常見值為2.0-3.0kN/m2，本項目取值為5.0kN/m2；鋼通廊走道板活荷載，國內常見取值為2.0kN/m2，本項目取值為3.5kN/m2。

4.2 荷載組合及分項系數不同

4.2.1 中國規范

按中國結構荷載規范（GB 5009—2012）規定，對于承載能力極限狀態，按荷載的基本組合計算荷載組合的效應設計值。由可變荷載控制的效應設計值按公式（1）計算：

由可變荷載控制的效應設計值應按公式（2）計算：

其中永久荷載分項系數，當永久荷載對結構不利時，對由可變荷載效應控制的組合應取1.2，對由永久荷載效應控制的組合應取1.35；當永久荷載對結構有利時，取值不應大于1.0。

對可變荷載分項系數，當可變荷載對結構不利時，對標準值大于4kN/m2的工業房屋樓面結構的活荷載應取1.3，其他情況應取1.4；當可變荷載對結構有利時應取0。

4.2.2 歐洲規范

歐洲設計規范（EN 1990： 2002）規定，在承載能力極限狀態下，持久或短暫設計的基本組合的通用公式：

其中，永久荷載分項系數，當永久荷載對結構不利時應取1.35；當永久荷載對結構有利時應取1.0。可變荷載分項系數，當可變荷載對結構不利時應取1.5，當可變荷載對結構有利時應取0。

4.3 結構分析異同

由于混凝土結構不同于力學計算中的理想結構，如由鋼筋和混凝土兩種材料組成，混凝土開裂后剛度降低，構件的塑性會使結構內力發生重分布，不能直接采用經典力學方法，而是根據混凝土的特點進行修改，我國規范和歐標均可按線彈性方法、考慮內力重分布的分析方法和塑性分析方法。

對于混凝土結構和構件的二階效應，國標只考慮有側移的情況，歐標設計按無側移和有側移兩種情況考慮。國標和歐標均可直接通過考慮幾何非線性效應的分析方法計算，也可在一階分析基礎上，考慮彎矩增大系數；但國標彎矩增大系數計算簡便，歐標計算較復雜，計算中與鋼筋的面積有關。

4.4 基礎設置不同

以本模型為例，國標的獨立基礎設計，往往基礎設置在-2.0米標高，地梁設置在室外地坪處即-0.2米處，兩者有一定的高差；歐標設計中，往往將地梁底標高設置在與基底平齊的高度，兩者無高差。前者地梁屬于框架梁的概念，設計時需要考慮箍筋加密等情況；后者地梁屬于基礎拉梁的概念，不考慮箍筋加密。在柱底設計時，前者的柱底往往置為柱與獨基剛接，而后者的柱底在sap2000中設置為柱與獨基鉸接。前者混凝土和鋼筋用量大于后者，但如果一層為封閉建筑，則前者砌塊使用量少于后者。

5 結語

歐洲規范作為國際上出現較早、影響很深的規范，在世界上相當一部分地區得到了很廣泛的認可和應用；中國的工程公司作為“一帶一路”的執行者和受益者，應加快研究、使用歐洲規范的步伐，在提升工程人員自身素質的同時，為企業和國家創造更多效益。