本文摘要：摘要在采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)立式工業(yè)廠房中，當其跨度比較大、荷載比較重時，采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系能帶來更好的綜合效益。針對立式糧倉廠房堆放糧食、承受荷載較大的特點，以海南省某立式糧倉廠房框架結(jié)構(gòu)為例，對其采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼混
摘要在采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)立式工業(yè)廠房中，當其跨度比較大、荷載比較重時，采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系能帶來更好的綜合效益。針對立式糧倉廠房堆放糧食、承受荷載較大的特點，以海南省某立式糧倉廠房框架結(jié)構(gòu)為例，對其采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)分別進行方案設(shè)計并統(tǒng)計三種結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟指標。利用有限元計算軟件對結(jié)構(gòu)進行靜力推覆分析和動力彈塑性時程分析，對比不同結(jié)構(gòu)體系的承載力、抗側(cè)剛度、層間位移角、出鉸情況、破壞形式等指標。分析結(jié)果表明，鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系以其優(yōu)越的受力性能、便捷的施工性能以及良好的綜合效益，在立式工業(yè)廠房中具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞立式工業(yè)廠房;結(jié)構(gòu)體系;靜力推覆分析;動力彈塑性時程分析;抗震性能;鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)
引言
目前我國經(jīng)濟正在飛速發(fā)展，傳統(tǒng)立式工業(yè)廠房的建設(shè)規(guī)模不斷擴大，對結(jié)構(gòu)形式的要求也在逐步提高[1]。傳統(tǒng)立式工業(yè)廠房過去多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，其側(cè)向剛度大，價格較低，缺點是自重大、施工工期長、易開裂等。隨著我國經(jīng)濟水平和鋼產(chǎn)量的大幅提高，鋼結(jié)構(gòu)體系在傳統(tǒng)立式工業(yè)廠房中逐漸得到應(yīng)用，其特點是施工速度快，但側(cè)向剛度小，用鋼量偏大。
近年來，傳統(tǒng)立式工業(yè)廠房呈現(xiàn)出荷載等級不斷提高和跨度逐漸增大的發(fā)展趨勢，同時對建筑的經(jīng)濟性和綜合效益越來越重視，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式和鋼結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)逐漸不能滿足設(shè)計、建造和使用的要求1]。與鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢顯著，造價比鋼結(jié)構(gòu)低，側(cè)向剛度比鋼結(jié)構(gòu)大，施工性能和抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)5]。立式糧倉廠房需要進行糧食的堆放、儲存，儲糧層承受荷載較重，可達0kN/m，采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)形式會帶來更好的綜合效益。
在進行立式工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要對各種結(jié)構(gòu)體系的綜合效益進行分析比較，包括構(gòu)件尺寸、有效使用空間、工程造價、使用性能、抗震性能等。為此，本文以海南省某糧倉廠房結(jié)構(gòu)為研究背景，首先通過MIDAS.GEN和PKPM對糧倉進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計，并對三種不同的結(jié)構(gòu)體系進行經(jīng)濟指標分析;然后采用基于MSC.MARC平臺開發(fā)的組合結(jié)構(gòu)體系非線性分析程序COMPONAMARC建立桿系模型，開展推覆荷載下的靜力彈塑性分析和地震作用下的動力彈塑性分析。通過研究該糧倉廠房結(jié)構(gòu)體系的技術(shù)經(jīng)濟性能、抗推覆性能和抗震性能，分別對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)方案進行對比，為立式工業(yè)廠房的設(shè)計提供參考。
1工程概況
1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計概況
擬建糧倉廠房共四層，首層層高9m，二層層高6m，三層層高6m，電梯機房層高4.5m，結(jié)構(gòu)總高度25.5m�？蚣芙Y(jié)構(gòu)長50.1m，寬36.6m，樓蓋總面積1833.66m。其中，首層和二層跨度11.1m，三層跨度18.3m，電梯機房跨度9.6m。
1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載
擬建糧倉廠房首層、二層為儲糧層，樓面恒載2kN/m，樓面活荷載考慮儲糧荷載較大，取為30kN/m;屋面恒載4kN/m，屋面活荷載考慮電梯機房和其他屋面區(qū)域的功能差異，荷載取值分別為kN/m及2kN/m;電梯機房樓面恒載kN/m，樓面活荷載取為kN/m。各設(shè)計取值均滿足相應(yīng)規(guī)范要求[67]。1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計標準擬建糧倉廠房框架結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為50年，設(shè)計使用年限50年。建筑的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，周期折減系數(shù)為0.7。抗震設(shè)防類別為丙類，抗震等級為三級，抗震設(shè)防烈度為度，設(shè)計基本地震加速度為0.30g，設(shè)計地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅱ類。
2結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
2.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
傳統(tǒng)多層糧倉廠房都是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，按照傳統(tǒng)設(shè)計思路，首先進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計。混凝土采用C40，鋼筋采用HRB400。首層、二層樓板板厚160mm，三層、電梯機房樓板板厚140mm。混凝土樓板、梁和柱的鋼筋配置均根據(jù)PKPM設(shè)計結(jié)果予以適當?shù)暮喕?/p>
2.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
由于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)截面尺寸大，自重大，加上近年來又在大力提倡發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)進行鋼結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計。鋼框架結(jié)構(gòu)采用矩形鋼管柱、焊接工字形鋼梁，鋼材強度等級為Q345。首層、二層樓板板厚160mm，板頂負筋為雙向C12@200，上部分布筋為C6@110，下部垂直桁架方向受力筋為通長C12@200。三層、電梯機房樓板板厚140mm，板頂負筋為雙向C8@200，上部分布筋為C6@130，下部垂直桁架方向受力筋為通長C8@200。采用Φ16圓柱頭栓釘，每根鋼梁上布置兩列，橫向間距70mm，縱向間距200mm。
2.3鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
由于鋼結(jié)構(gòu)方案用鋼量大，經(jīng)濟性差，故在此基礎(chǔ)上作進一步優(yōu)化，進行鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)框架采用矩形鋼管混凝土柱，框架梁采用焊接工字形鋼梁。鋼材強度等級為Q345，混凝土采用C40級。首層、二層樓板板厚140mm，板頂和板底均配置雙向C14@80縱向鋼筋，栓釘高100mm。三層、電梯機房樓板板厚120mm，板頂和板底均配置雙向C12@100縱向鋼筋，栓釘高80mm。采用Φ16圓柱頭栓釘，每根鋼梁上布置三列，橫向間距90mm，縱向間距100mm。
3結(jié)構(gòu)分析計算方法
首先，基于設(shè)計軟件MIDASGEN對立式糧倉廠房框架結(jié)構(gòu)進行彈性設(shè)計分析，計算不同荷載組合作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)力。接下來，通過設(shè)計軟件PKPM對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行配筋，并統(tǒng)計三種設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)自重、用料情況以及主梁高度等參數(shù)。然后，基于有限元計算軟件MSC.MARC進行推覆荷載下的靜力彈塑性分析和地震作用下的動力彈塑性時程分析，考察不同的立式糧倉廠房框架結(jié)構(gòu)在推覆荷載和地震作用下的整體側(cè)移和層間變形，以及極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的出鉸情況和破壞模式等。
結(jié)構(gòu)的分析計算采用清華大學(xué)組合結(jié)構(gòu)課題組基于MSC.MARC平臺開發(fā)的非線性分析子程序包COMPONAMARC。在建立非線性纖維梁柱模型時，樓板平面內(nèi)變形按剛性樓蓋假定考慮，樓板平面外變形對結(jié)構(gòu)性能的影響采用考慮樓板空間組合效應(yīng)的桿系模型來模擬[89]。
采用文獻[10]中建立的非線性單軸材料本構(gòu)關(guān)系，其中混凝土材料模型可考慮多次加卸載后強度和剛度的退化行為;鋼材和鋼筋模型能夠合理地考慮其在往復(fù)荷載作用下的包辛格效應(yīng)。此桿系模型能夠準確反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性滯回性能，其精度和數(shù)值穩(wěn)定性已得到驗證[1115]。對結(jié)構(gòu)進行靜力推覆分析時，采用基于多點位移控制的位移推覆方法[16]。
該方法通過附加剛性位移約束方程，確保各層水平荷載按恒定比例分布，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在結(jié)構(gòu)從彈性階段發(fā)展到最終完全失去水平承載力時的全過程分析，因此可以作為結(jié)構(gòu)倒塌分析的有效手段。模擬中采用分布質(zhì)量模型，將每個梁格內(nèi)樓面的重力荷載代表值按照45°方向分配到周邊梁上，并換算成梁單元的密度。次梁與框架梁鉸接，參與結(jié)構(gòu)的豎向受力。
4計算結(jié)果及分析
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)時，底層為柱端先出鉸，不滿足規(guī)范中“強柱弱梁”的設(shè)計目標。這是由于在進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時，參考的規(guī)范[7]中有關(guān)柱軸壓比的規(guī)定限值偏高，因此設(shè)計出來的柱截面尺寸偏小;加之糧倉結(jié)構(gòu)承受的荷載大，設(shè)計的框架梁尺寸較大，形成“強梁弱柱”的局面[17]，導(dǎo)致在罕遇地震下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁構(gòu)件不會屈服。鋼結(jié)構(gòu)底層有一部分為柱端先出鉸，另外一部分為梁端先出鉸。
鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)底層均為梁端先出鉸，使梁成為第一道有效的抗震防線。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)時均為柱端出鉸，鋼結(jié)構(gòu)和鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)梁端和柱端均有出鉸�？v觀結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展過程，鋼結(jié)構(gòu)柱端出鉸大部分先于梁端出鉸，而鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在各層均為梁端出鉸先于柱端出鉸。
縱觀立式糧倉廠房結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展過程，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底層為柱端出鉸;而鋼結(jié)構(gòu)和鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)底層均為梁端先出鉸，使梁成為第一道防線，進而柱端出鉸成為第二道防線;鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)二層均為柱端出鉸，而鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)二層依舊是梁端先出鉸而柱端后出鉸。
綜合上述分析可知，在罕遇地震和多遇地震作用下，立式糧倉廠房采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系能夠在結(jié)構(gòu)各層中均形成兩道抗震防線，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比，可以有效提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，使整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。這是因為鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)自重較輕，地震作用相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有所降低;栓釘能夠有效地阻止鋼梁與混凝土翼板之間的相對滑移和掀起[1]，使鋼梁與混凝土翼板處于整體受力狀態(tài)，從而提高鋼梁的穩(wěn)定性和整體性，改善鋼梁的動力性能。
結(jié)論
本文以海南省某立式糧倉廠房結(jié)構(gòu)為研究背景，分別采用鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)和鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系進行方案設(shè)計，通過技術(shù)經(jīng)濟指標分析、靜力推覆分析和動力彈塑性時程分析，得到以下結(jié)論：
1)技術(shù)經(jīng)濟指標分析結(jié)果表明，立式工業(yè)廠房采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系時，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系相比可以明顯減小構(gòu)件的截面尺寸、增加有效使用空間以及顯著地減輕結(jié)構(gòu)自重;與鋼結(jié)構(gòu)體系相比能夠有效地降低用鋼量等，綜合效益顯著。
2)靜力彈塑性推覆分析結(jié)果表明，立式工業(yè)廠房采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系能獲得更高的承載力和更好的延性，并且防止結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)時出現(xiàn)柱端先出鉸的破壞模式;同時比鋼結(jié)構(gòu)體系表現(xiàn)出更大的結(jié)構(gòu)剛度和更好的整體穩(wěn)定性，有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能。
3)動力彈塑性時程分析的結(jié)果表明，立式工業(yè)廠房采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系大幅降低，可以有效地減小地震作用以及降低結(jié)構(gòu)的破壞程度;同時鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系在結(jié)構(gòu)各層均可形成兩道抗震防線，能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的整體抗倒塌能力，相比鋼結(jié)構(gòu)體系具有更加優(yōu)越的抗震性能。
綜上所述，鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系以其優(yōu)越的受力性能、便捷的施工性能和良好的綜合效益，在多層立式工業(yè)廠房中具有廣闊的應(yīng)用前景。
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作者：胡曉文，聶鑫
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