多層工業(yè)鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式選取的探討

楊媛媛

(北京鋼研新冶工程設(shè)計(jì)有限公司，北京 100081)

在多層工業(yè)平臺(tái)中，大量工業(yè)管線的貫穿以及工業(yè)設(shè)計(jì)在空間上的特殊需求，支撐的設(shè)置在整個(gè)結(jié)構(gòu)中受到一定的限制，在多層鋼結(jié)構(gòu)中采用工字形截面柱，配以支撐形成框架-支撐的結(jié)構(gòu)體系有一定的局限性，而十字形截面柱由于是雙軸對(duì)稱或近似雙軸對(duì)稱，截面性能沒有強(qiáng)軸和弱軸之分，剛度較為均勻，截面尺寸可以按照兩個(gè)方向的剛度、強(qiáng)度要求而設(shè)計(jì)，與梁剛性連接，縱橫兩方向形成的純框架結(jié)構(gòu)體系可以形成較大使用空間，使生產(chǎn)工藝設(shè)備的布置更為靈活，故而常被采用。降低成本是企業(yè)提升盈利能力、提高經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，因此結(jié)構(gòu)形式的選取對(duì)于建設(shè)成本的影響至關(guān)重要，沒有經(jīng)過仔細(xì)推敲的結(jié)構(gòu)都會(huì)造成不同程度的浪費(fèi)。

1 工程概況

某鍍鋅生產(chǎn)機(jī)組中冷卻塔鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，長(zhǎng)20 m，寬10 m，高32 m，5層，局部6層，配備5 t吊車，根據(jù)工藝的設(shè)計(jì)要求，只可在L-1軸和L-2軸間設(shè)置支撐。該鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)位于車間廠房?jī)?nèi)，可不考慮風(fēng)荷載的作用。

(1)方案一：選用焊接十字形截面柱700 mm×300 mm×20 mm×30 mm，柱與梁剛性連接，縱橫兩方向形成的純框架結(jié)構(gòu)體系，不設(shè)置支撐(圖1)。

圖1 方案一平面及立面(單位:mm)

(2)方案二：選用工字形截面柱配以支撐形成框架-支撐的結(jié)構(gòu)體系，中柱標(biāo)高12 m以下采用焊接H700 mm×300 mm×20 mm×36 mm，標(biāo)高12 m以上采用HN700 mm×300 mm×13 mm×24 mm，邊柱采用HN700 mm×300 mm×13 mm×24 mm，柱與梁剛性連接，柱強(qiáng)軸為Y方向，弱軸L-A軸、L-B軸的L-1～L-2跨間設(shè)置支撐，支撐采用Ф180×6 mm(圖2)。

圖2 方案二平面及立面(單位:mm)

2 計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比

結(jié)構(gòu)計(jì)算選用通用軟件PKPM，分別對(duì)兩種方案進(jìn)行計(jì)算分析，在強(qiáng)度和位移均滿足規(guī)范的要求的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度及整個(gè)的鋼材用量進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 結(jié)構(gòu)整體剛度的對(duì)比

(1)方案一：通過計(jì)算，得到地震各工況作用下樓層剪力簡(jiǎn)圖及最大位移簡(jiǎn)圖(圖3、圖4)，無論從剪力圖還是位移圖中，都可以看出采用十字形截面柱的純框架結(jié)構(gòu)體系X和Y方向的剛度比較均勻，在地震作用下X方向的最大側(cè)移為16.15 mm，Y方向的最大側(cè)移為21.53 mm，兩個(gè)方向的側(cè)移相差不大，均滿足規(guī)范所規(guī)定的結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移。從層間位移角簡(jiǎn)圖分析(圖5)，X方向和Y方向均滿足規(guī)范所規(guī)定的限值，且兩個(gè)方向相差較小。

圖3 地震各工況樓層剪力

圖4 地震工況下最大位移

圖5 地震工況下最大層間位移角

(2)方案二：采用工字形截面柱并設(shè)置支撐的框架-支撐結(jié)構(gòu)體系通過計(jì)算X方向最大側(cè)移為4.92 mm，而Y方向的最大側(cè)移為18 mm，兩個(gè)方向的側(cè)移盡管有一定的差距，但是兩個(gè)方向的側(cè)移均滿足規(guī)范所規(guī)定的最大側(cè)移，地震各工況作用下樓層剪力簡(jiǎn)圖及最大位移簡(jiǎn)圖(圖6、圖7)所示。從層間位移角簡(jiǎn)圖分析(圖8)，X方向和Y方向盡管位移角值有一定的差距，但是均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范所規(guī)定的限值。

圖6 地震各工況樓層剪力

圖7 地震工況下最大位移

圖8 地震工況下最大層間位移角

將兩種方案進(jìn)行對(duì)比，可以得出在完全相同的情況下，采用十字形截面柱的純框架結(jié)構(gòu)體系雙方向的剛度均勻，結(jié)構(gòu)的側(cè)移及位移角均不大且相差很小；而采用工字形截面柱并設(shè)置支撐的框-支結(jié)構(gòu)體系由于只能在X方向設(shè)置支撐，受到支撐設(shè)置的限制，雖然在設(shè)置支撐向的側(cè)向剛度很大，但在無支撐向的側(cè)向剛度相對(duì)較小，盡管在兩個(gè)方向的剛度有一定的差距，但均能滿足規(guī)范的要求，而且數(shù)值遠(yuǎn)低于規(guī)范的限值。

2.2 鋼材用量的對(duì)比

通過核算，采用方案一時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的鋼材用量為218 t，而采用方案二時(shí)，在同等的情況下，鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)的鋼材用量?jī)H為197 t，比方案一減少了近10 %，可見采用工字形截面柱并設(shè)置支撐的框-支結(jié)構(gòu)體系比采用帶翼緣十字形截面柱的純框架結(jié)構(gòu)體系在用鋼量上有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語

通過對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)兩種方案不同模型的計(jì)算，可以看出十字形截面柱的純框架結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)雙方向的剛度比較均勻，在工藝布置及管道設(shè)置中更為靈活，但是鋼材用量相對(duì)工字形截面柱并設(shè)置支撐的框架-支撐結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系的用鋼量偏大近10 %，從經(jīng)濟(jì)性來說，工字形截面柱并設(shè)置支撐的框架-支撐結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系更為有優(yōu)勢(shì)，雖然在剛度上兩個(gè)方向剛度不如帶翼緣十字形截面柱的純框架結(jié)構(gòu)體系均勻，但均能滿足規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)的安全性得到了保證，工藝和管道的設(shè)置盡管有一定的局限性，但可以通過不同的支撐形式(人字撐，十字撐，V字撐等)來滿足工藝的需求。建筑結(jié)構(gòu)選型是結(jié)構(gòu)的靈魂，而經(jīng)濟(jì)性是影響結(jié)構(gòu)選型的重要因素，貫徹實(shí)施“適用、經(jīng)濟(jì)、安全、美觀”的建筑方針，把經(jīng)濟(jì)擺在首要地位，綜合考慮各方面因素，從而找出一個(gè)最優(yōu)的方案，就工業(yè)建筑中的多層鋼框架廠房采用工字形截面柱加支撐的框架-支撐結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)體系比采用帶翼緣十字形截面柱的純框架結(jié)構(gòu)體系更適用。