大跨度重載超長工業建筑結構設計與分析

賀星新 余 露 朱金坤 劉 斌

（南京市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

工業生產車間建筑結構具有大跨度、超長、重荷載、層高高、工藝要求高等特點，本文根據工程項目特點結合規范要求，通過合理設置結構抗震縫、比選樓蓋結構布置方案、樓蓋結構溫度應力計算，提出針對性的構造設計和措施，以實現建筑使用性能優、結構整體經濟性好、安全可靠的目標。

1 建筑結構概況

現代工業廠房受設備工藝及生產流程等因素影響，尤其是信息電子生產組裝、汽車生產車間等建筑，因功能布局要求，具有柱網跨度大、空間廣、不設縫、荷載大且樓面振動（微振）控制要求高等特點。此類建筑結構設計時一般均采用大跨度、承重荷載性能優的超長混凝土結構（見圖1）。本文分析研究的結構為某汽車產業園建設項目中的汽車生產車間，項目總建筑面積約16萬平方米，包含7個單體，其中辦公樓一棟，其余為汽車配件生產工業建筑。本文以其中一棟大型零件生產車間為例，車間無地下室共3層，總高21.450 m，建筑平面尺寸為120m×120m，一至三層為工業生產車間，屋面為停車場。建筑北側設計有兩個配合生產及屋面配套使用的汽車坡道。

圖1 生產車間結構分析三維模型示意圖

由圖1可知，該生產車間結構體系采用鋼筋混凝土框架結構。標準柱跨距為20m，整體平面柱網尺寸X向為6×20m，Y向為6×20m，建筑平面尺寸約120m，屬于超長結構。建筑層高從下而上分別為9.450m、6.0m、6.0m；樓面荷載根據生產工藝要求，活載不小于10kN/m2，遠大于《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）中一般工業廠房樓面荷載4.0kN/m2的要求，屋面按照單層停車場要求活載取值4.0 kN/m2設計；根據建筑面層做法樓面及屋面附加恒載取值2.5 kN/m2及5.0 kN/m2。工程所在地區地震設防烈度為7度（0.1g），地震分組為一組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35s。結構具有跨度大、樓面活載大，平面尺寸超長等特點，且生產工藝要求較高，對結構設計提出了一定的要求。

2 結構布置及樓蓋結構布置方案比選

為提高項目經濟性，考慮生產設備存在循環振動荷載，樓蓋結構設計選擇采用普通鋼筋混凝土框架結構。樓蓋混凝土強度等級為C35，平面柱網較為標準，標準柱網尺寸為20m×9m，由于柱網兩方向尺寸相差較大，對樓板傳力接近于單向板受力，為優化樓面布置，對結構標準柱網進行兩種結構布置方案比選：方案一，單向雙次梁結構；方案二，單向單次梁結構；樓蓋方案示意圖見圖2。

圖2 標準柱網樓蓋比選方案示意

根據經驗，大跨度結構的豎向荷載一般為控制工況，高強鋼筋對控制結構施工質量及減少梁截面鋼筋量有較好的效果，目前市場中HRB500強度以上的鋼筋供貨緊張且單價較高，故另增加進行梁縱向受力鋼筋等級分別采用HRB400及HRB500方案設計，并進行用鋼量比較分析。采用PKPM-SATWE軟件，對兩種次梁布置方案在相同實際樓面恒活載作用下的截面及配筋設計，主要梁板構件設計尺寸及單位面積用鋼量比較結果如表1所示。

表1 不同樓蓋方案主要構件尺寸及用鋼量結果表

通過比較樓蓋布置方案的鋼筋及混凝土用量，方案一：單跨雙次梁方案的綜合用鋼量及混凝土用量更優，經濟性更好，且大跨梁高相對較小，增大了生產空間的凈高，故工程實際設計時采用標準柱網單跨雙次梁方案布置。

基于結構梁縱向受力鋼筋采用不同強度等級鋼筋設計的分析結果對比，梁縱向受力鋼筋采用高強鋼筋HRB500，能較為明顯地控制結構用鋼量，減小縱筋配筋數量，便于現場混凝土施工質量的控制，但由于高強鋼筋HRB500價格略高于HRB400，對于非縱向受力鋼筋：如梁箍筋、樓板鋼筋及梁構造架立鋼筋等鋼筋采用HRB400有效的控制成本，結果表明，對梁縱向受力鋼筋直徑18mm及以上鋼筋采用HRB500鋼筋，經濟性更優且便于現場施工管理控制。

3 結構布置及結構縫布置分析

建筑功能需要在建筑平面北側布置有兩個汽車坡道，結構布置平面示意詳圖3，由于北側汽車坡道布置采用梁板式結構，抗震設計框架結構時須考慮斜撐構件或樓梯構件等對結構剛度的影響。針對坡道結構與主體結構是否設置結構縫進行兩種方案對比：方案A，坡道結構與主體結構不分縫；方案B，坡道結構形成單獨結構體與主體結構脫開；結構縫示意詳圖3中虛線。采用PKPM-SATWE軟件對兩種結構布置方案進行整體對比分析，兩種方案計算指標結果的結構質量比、最小剪重比、剛重比、層剛度比及層受剪承載力比等均滿足規范要求，其他主要整體指標計算結果見表2。

圖3 車間結構平面示意圖

表2 坡道分縫與不分縫結構方案計算整體指標對比表

主體結構下無地下室結構，首層不設置結構板，在原狀土上分層壓實后澆筑適當厚度的建筑地坪，以滿足首層設備安裝及使用要求。基礎頂面標高設置在首層地面下800mm處，豎向結構層高分布分別為10.25m、6.0m、6.0m，豎向層高變化較大，首層容易形成薄弱層或軟弱層，設計時將首層框架柱加大至1100mm×1100mm，二層樓面以上框架柱截面尺寸為800mm×800mm及700mm×700mm，有效控制首層剛度比及受剪承載力比等指標，使得單體結構剛度和受剪承載力沿高度防線均勻變化，層間剛度比及受剪承載力比滿足《抗規》要求。

基于不同結構分縫方案的結果分析，坡道與主體結構不分縫時，由于坡道梁對結構整體的斜撐剛度貢獻，結構整體指標中最大層間位移比與最大位移比均大于1.40，接近規范限值，結構平面扭轉不規則，且對主體結構框架梁柱配筋影響較大，主體結構與坡道交界處的豎向構件形成錯層，對結構抗震不利。而結構設縫方案計算結果中，整體指標均滿足《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010(2016年版)的要求，結構不存在不規則項情況。分析結果表明：坡道結構與主體結構設置抗震縫，形成獨立的結構單元的方案進行設計分析，豎向剛度變化均勻，平面規則且對稱，滿足相應結構設計規范要求，結構安全可靠，布置合理，具有一定的結構剛度及承載力。

4 裂縫控制及溫度應力計算分析

本工程由于工藝要求生產車間內不得設置結構縫，結構平面尺寸約120m×120m，遠大于《混凝土結構設計規范》GB500010-2010(2015年版)中框架結構設伸縮縫最大長度55m的限值。超長結構收縮裂縫及溫度裂縫主要受施工過程中混凝土構件收縮變形及使用階段建筑內整體升降溫工況及室內外溫度差等不利情況影響。因此設計時結合實際工程情況，為減小施工階段混凝收縮變形對結構的不利影響，設計時主要采取以下施工或設計構造措施：

（1）設置施工溫度后澆帶，結構平面兩個方向分別設置兩道寬度為800mm的后澆帶；

（2）采用補償收縮混凝土，在混凝土中加摻入合適比例的膨脹外加劑或聚丙烯纖維等；

（3）適當加強樓板及框架梁的拉通鋼筋配筋率等。

本工程采用PMSAP軟件對超長結構在用階段整體升降溫度應力分析，樓板采用彈性模定義，升降溫差采用±25℃，混凝土構件效應折減系數為0.30，彈性模量折減系數為0.80，并考慮溫度工況荷載組合下的樓板溫度應力分析，樓板設計時根據樓板溫度分析結果及非溫度組合工況包絡配筋，樓板應力控制目標為樓板溫度作用下的主應力不大于混凝土抗拉強度設計值ft=1.57MPa。

分析結果表明，支座負筋配筋以豎向荷載組合控制工況，而溫度應力主要影響跨中區域及單向板的長跨方向樓板鋼筋配筋，為抵抗溫度應力，適當加大單向板分布及拉通鋼筋配筋率，實際設計時按照板頂拉通鋼筋及分布鋼筋配筋率為0.2%進行樓板設計，并考慮實際建筑開窗面積較大，近外墻結構柱跨內的樓板溫差變化比建筑中部樓板明顯，周邊柱網樓板、樓電梯洞口周邊樓板配筋率相應加大至0.25%～0.30%雙層雙向拉通配筋[1-2]。

5 結束語

綜合本文對大跨度、重荷載、超長生產車間的混凝土結構設計與分析，主要結論如下：

（1）對大跨結構合理選用高強鋼筋，并控制高強鋼筋比例，能有效控制結構構件尺寸及項目成本。

（2）在此類功能單一的工業建筑結構設計時，選擇合理的結構布置及結構縫設置，平面結構布置宜簡單、均勻對稱。

（3）超長結構采用分區域澆筑施工，采用補償收縮混凝土，結構平面分區域、分方向配置樓板拉通鋼筋等措施，可有效控制樓板溫度應力并減小混凝土收縮應力。