工業(yè)廠房下部擋墻上部鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法分析

劉心潔 趙偉哲 陳博 曾江

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，很多工業(yè)建筑因工藝而生，具有特殊的結(jié)構(gòu)細(xì)部，在進(jìn)行這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)無法完全遵循常規(guī)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。此時(shí)，應(yīng)該更加注重概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用，即在把握好結(jié)構(gòu)受力的真實(shí)情況和規(guī)律的前提下，充分考慮地震作用和風(fēng)荷載作用等的傳遞途徑及內(nèi)力重分布狀態(tài)，準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)的破壞趨向，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及薄弱環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從大處著眼小處著手，以便在設(shè)計(jì)規(guī)范中無章可循時(shí)，能做到既滿足功能需求又滿足結(jié)構(gòu)安全。

1 下部混凝土擋墻上部鋼結(jié)構(gòu)體系存在問題

在玻璃工廠廠區(qū)，有一部分大跨度的廠房，是用來儲存砂石等原料的倉庫，其特殊的功能需求決定，下部要設(shè)計(jì)成能堆砌一定高度的散粒狀原材料，如：砂子、白云石、芒硝等，通常會采用懸臂式混凝土擋墻結(jié)構(gòu)；上部屋蓋有時(shí)需要架設(shè)吊車，以及滿足鏟運(yùn)機(jī)等大型機(jī)械進(jìn)出，所以通常上部都會采用門式剛架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 下部混凝土擋墻上部鋼結(jié)構(gòu)形式廠房

如果將鋼結(jié)構(gòu)柱直接落于混凝土擋墻頂，此種結(jié)構(gòu)因其上下阻尼比不同，無法整體建立模型來計(jì)算位移和連接處受力情況，通常的做法就是上下部結(jié)構(gòu)分別計(jì)算，但是這種方式經(jīng)常受到施工圖審查單位的質(zhì)疑：一方面這種混合結(jié)構(gòu)形式在規(guī)范中無章可循，適用性和安全性無法考查；另一方面，上下結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度分布不均，阻尼比不同，無法通過常規(guī)計(jì)算軟件整體計(jì)算。

為了避免此種困擾，設(shè)計(jì)人員有時(shí)不得已會將鋼結(jié)構(gòu)柱與混凝土擋墻脫開，鋼結(jié)構(gòu)柱直接落于地面，設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)，擋墻底板置于獨(dú)立基礎(chǔ)之下，如圖2所示，這樣就避免了混合結(jié)構(gòu)在規(guī)范中無據(jù)可依，在計(jì)算中無軟件可用的處境。但是，因?yàn)殇撝鶎τ诮ㄖ龅氐念~外占用和耗材的增多，建設(shè)單位的投資成本提高。

綜合考慮，工程設(shè)計(jì)中還是采用將上下結(jié)構(gòu)直接做成一體，而在鋼柱下端設(shè)置埋設(shè)于擋墻中的混凝土短柱的方式代替以往的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于上下結(jié)構(gòu)的相互影響分析及連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)置。本文以一個設(shè)計(jì)實(shí)例為例，用概念設(shè)計(jì)的思維分析總結(jié)這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

某原礦倉庫采用上部單層門式剛架、下部鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，無吊車，長72 m，寬24 m，鋼梁底標(biāo)高8.5 m，柱距為9 m，跨度為24 m，大跨度、大空間的功能需求決定了適宜采用上部鋼結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，而下部要求能堆4 m高原礦材料而采用了懸臂式混凝土擋墻。上部門式剛架在風(fēng)荷載等作用下將力通過鋼柱傳至柱底，作用于混凝土擋墻。首先，單獨(dú)驗(yàn)算上部門式剛架結(jié)構(gòu)，滿足設(shè)計(jì)要求后，將柱底作用力反作用于下部擋墻結(jié)構(gòu)，而擋墻結(jié)構(gòu)在堆砌物的作用下，擋墻頂將會發(fā)生側(cè)移，從而作用給上部結(jié)構(gòu)。

（1）鋼結(jié)構(gòu)對鋼筋混凝土擋墻的作用力

在下部擋墻設(shè)計(jì)時(shí)，首先取一跨為計(jì)算單元，把下部堆料對擋墻產(chǎn)生的水平推力取單位長度計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，將上部鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算的反作用力（圖4）均分后計(jì)入此計(jì)算單元。

圖4 鋼柱對擋墻作用力示意

在以上合力的作用下計(jì)算擋墻尺寸和配筋。需要特別說明的是：①對于鋼柱下的混凝土短柱，因其兩側(cè)混凝土擋墻的共同作用，實(shí)際受力減少，可以比無混凝土擋墻情況下適當(dāng)減少配筋量。但是，對于短柱下基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，因?yàn)榇笏酵屏Α芜叧d情況的存在，偏心傾斜荷載使得地基承載力降低，應(yīng)該在設(shè)計(jì)短柱下基礎(chǔ)時(shí)，計(jì)算地基承載力過程中，謹(jǐn)慎修正，保守取值［1］；②混凝土短柱所受荷載很大而柱距又過大時(shí)，短柱附近的受力要大于平均值，按照此種簡化計(jì)算方法，會使混凝土柱附近的擋土墻配筋偏小，而兩短柱中間的擋土墻區(qū)域配筋偏大。

（2）位移作用對鋼結(jié)構(gòu)的影響

GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》3.3.1中規(guī)定：在風(fēng)荷載或多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的單層門式剛架的柱頂位移值不應(yīng)大于表1中規(guī)定的限值［2］。

表1 剛架柱頂位移限值

GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）5.5.1規(guī)定：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行多遇地震作用下的抗震變形驗(yàn)算，其樓層內(nèi)最大的彈性層間位移應(yīng)符合式（1）要求［3］：

式中：Due——多遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的樓層內(nèi)最大的彈性層間位移；計(jì)算時(shí)，除以彎曲變形為主的高層建筑外，可不扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲變形；應(yīng)計(jì)入扭轉(zhuǎn)變形，各作用分項(xiàng)系數(shù)均應(yīng)采用1.0；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面剛度可采用彈性剛度；

［qe］——彈性層間位移角限值，宜按表2采用。

表2 彈性層間位移角限值

相比框架與鋼結(jié)構(gòu)的位移比限值可知，門式剛架對于位移限值的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于框架，對于變形的適應(yīng)性非常強(qiáng)。而下部懸臂式混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，埋置于土中，已通過抗滑移及抗傾覆驗(yàn)算，在柱頂作用以及堆料側(cè)壓力的作用下，位移是非常小的，完全可以將擋墻視為上部門式剛架的不動支座。

（3）連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在考慮上下部相互作用的前提下，將上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算思路分別分析清晰之后，最關(guān)鍵的問題便是連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

門式剛架與下部混凝土結(jié)構(gòu)的連接主要有兩種形式：剛接與鉸接，區(qū)分的主要依據(jù)在于下部混凝土結(jié)構(gòu)是否承擔(dān)柱底彎矩。為更接近于實(shí)際受力情況，GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》5.1.4條規(guī)定，門式剛架的柱腳宜按鉸接支承設(shè)計(jì)。當(dāng)用于工業(yè)廠房且有5 t以上橋式吊車時(shí)，可將柱腳設(shè)計(jì)成剛接。

本案例設(shè)計(jì)成鉸接，鉸接節(jié)點(diǎn)設(shè)置時(shí)，要注意抗剪鍵的留置，即柱底水平反力不宜用柱腳錨栓來承擔(dān)，而應(yīng)該依靠結(jié)構(gòu)間摩擦力或者抗剪鍵承擔(dān)，抗剪鍵一般由十字板或H型鋼組成，在基礎(chǔ)頂預(yù)留孔槽或埋件，不可用角鋼或扁鋼支邊抗剪［4］。

3 結(jié)語

下部混凝土上部鋼結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)，近年來的應(yīng)用越來越多，懸臂式擋土墻作為鋼結(jié)構(gòu)柱底錨固端要比混凝土框架結(jié)構(gòu)受力簡單清晰，較易滿足結(jié)構(gòu)安全，在實(shí)際應(yīng)用方面也更普遍，這種結(jié)構(gòu)形式也經(jīng)受住了實(shí)踐驗(yàn)證。只要保證結(jié)構(gòu)①上部鋼結(jié)構(gòu)自身滿足規(guī)范要求，②下部混凝土擋墻滿足強(qiáng)度、抗滑移、抗傾覆要求，③連接節(jié)點(diǎn)安全可靠，便可以實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)體系的整體安全可靠，滿足使用功能要求。