天津某新建二層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)優(yōu)化案例分析

劉宗峰

（青島嘉誠(chéng)電工咨詢有限公司，山東 青島266000）

1 工程概述

天津某新建年產(chǎn)6 000 臺(tái)環(huán)保型中壓智能開關(guān)柜項(xiàng)目1 號(hào)廠房位于天津市寶坻區(qū)，抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組第二組，特征周期0.55s，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，鋼框架抗震等級(jí)三級(jí)[1]。廠房長(zhǎng)102.0m，寬56.2m，1 層層高7.6m，2 層層高8.0m。1 層柱距為8.0m×8.5m，2 層局部抽柱，形成柱距為8.5m，跨度為24.1m+8m+24.1m 的門式鋼梁體系。廠房樓面設(shè)計(jì)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為7kN/m2，輕型屋面設(shè)計(jì)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.5kN/m2[2]。

2 原設(shè)計(jì)概述

廠房原設(shè)計(jì)采用1 層框架，2 層門式剛架結(jié)構(gòu)體系。每隔30～40m 布置1 道屋面及柱間支撐，共計(jì)布置4 道屋面及柱間支撐。采用平面建模分析，1 層框架按照普鋼規(guī)范控制，2 層門式剛架按照門剛規(guī)范進(jìn)行控制。縱向地震及風(fēng)荷載傳遞由屋面支撐傳給柱間支撐，再由柱間支撐傳遞給基礎(chǔ)[3]。基礎(chǔ)采用本地區(qū)常見鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)20.2m，樁徑700mm，單樁豎向承載力特征值1 200kN，單樁水平承載力特征值100kN[4]。因縱向水平力僅由有柱間支撐區(qū)域樁基承擔(dān)，因此，在柱間支撐區(qū)域柱底均為四樁承臺(tái)，其余柱底均為單樁承臺(tái)。樁位布置如圖1 所示。

廠房1 層樓面采用DECK 板+混凝土組合樓蓋，樓蓋布置如圖2 所示。樓面主要梁柱截面尺寸（優(yōu)化前截面）如表1 所示。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過與業(yè)主溝通可知，業(yè)主的想法是為滿足廠房生產(chǎn)工藝需求，盡可能地取消柱間支撐布置。通過查看圖紙及模型，原分析采用平面建模分析不妥，因?yàn)閺S房1 層為鋼框架，縱向鋼框梁影響了廠房的剛度，單純用平面分析對(duì)整個(gè)廠房設(shè)計(jì)是欠缺的。再者，廠房縱向由柱間支撐承擔(dān)水平力，僅為了承擔(dān)較大的水平力而使柱間支撐區(qū)域樁數(shù)量較多，無疑造成了較大的浪費(fèi)。經(jīng)過初步分析，認(rèn)為廠房采用矩形鋼柱，結(jié)構(gòu)形式采用鋼框架+輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面方案較為合理，因?yàn)榫匦武撝? 個(gè)方向都具備剛度，把屋面系桿改為鋼梁，屋面縱向鋼梁與剛架剛接，形成框架體系。這樣在縱向就可以取消柱間支撐，縱向水平力由框架承擔(dān)，從而使所有樁基共同承擔(dān)縱向水平力，可避免在柱間支撐區(qū)域布置大量樁以抵抗局部較大的水平力，從而有效減少了樁基的數(shù)量。設(shè)計(jì)時(shí)，屋面鋼梁框架模型中定義門式鋼梁[5]，樓面梁采用軋制H 型鋼，用鋼量較大且當(dāng)前焊接H 型鋼應(yīng)用較為成熟，因此，決定樓面鋼梁采用焊接H 型鋼，且之前設(shè)計(jì)截面普遍偏大，經(jīng)試算，具備一定優(yōu)化空間，以控制鋼梁應(yīng)力比不超過0.8 為宜。采用PKPM 鋼框架空間建模，樓面采用剛性樓板假定，考慮偶然偏心，屋面支撐采用桿件輸入。經(jīng)試算分析主要指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[6]，且所有柱下柱下單樁即可滿足水平及豎向承載力要求。主要參數(shù)指標(biāo)如表2 所示，優(yōu)化后梁柱截面如表1 所示。

圖1 廠房樁位平面布置圖（局部）

圖2 廠房樓面結(jié)構(gòu)平面布置圖（局部）

表1 樓面主要梁柱截面尺寸

表2 廠房鋼框架分析結(jié)果參數(shù)

4 優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

廠房?jī)?yōu)化前主鋼構(gòu)件用量為784.7t，優(yōu)化后主鋼構(gòu)件用量為716.7t，共計(jì)節(jié)省鋼構(gòu)件68.0t；優(yōu)化前灌注樁數(shù)量為180根，優(yōu)化后灌注樁數(shù)量為96 根，共計(jì)節(jié)省灌注樁數(shù)量84 根。按照當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格700mm 鉆孔灌注樁單價(jià)約750 元/m，Q345鋼構(gòu)件單價(jià)約8 000 元/t，二者相加共計(jì)節(jié)約造價(jià)180 多萬元。

5 結(jié)語

本廠房?jī)?yōu)化采用通過改變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體系，創(chuàng)新性地運(yùn)用鋼框架+輕型屋面結(jié)構(gòu)體系；取消之前的平面分析，轉(zhuǎn)而采用更為合理的空間分析模型；樓面鋼梁取消采用軋制H 型鋼，轉(zhuǎn)而采用市場(chǎng)大量應(yīng)用的焊接H 型鋼。從而取消了原設(shè)計(jì)柱間支撐，很大程度上滿足了廠房工藝及生產(chǎn)需求，使廠房的實(shí)用性大大提高；且大大節(jié)省了鋼結(jié)構(gòu)用鋼量及樁基數(shù)量，有效降低了項(xiàng)目造價(jià)。正所謂一舉多得，是一個(gè)比較典型的成功設(shè)計(jì)優(yōu)化案例，獲得了業(yè)主的一致好評(píng)。