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(dāng)其跨度比較大、荷載比較重時(shí)，采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系能帶來(lái)更好的綜合效益。針對(duì)立式糧倉(cāng)廠房堆放糧食、承受荷載較大的特點(diǎn)，以海南省某立式糧倉(cāng)廠房框架結(jié)構(gòu)為例，對(duì)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(dāng)其跨度比較大、荷載比較重時(shí)，采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系能帶來(lái)更好的綜合效益。針對(duì)立式糧倉(cāng)廠房堆放糧食、承受荷載較大的特點(diǎn)，以海南省某立式糧倉(cāng)廠房框架結(jié)構(gòu)為例，對(duì)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(jìn)行方案設(shè)計(jì)并統(tǒng)計(jì)三種結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。利用有限元計(jì)算軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力推覆分析和動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，對(duì)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(biāo)。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(dòng)力彈塑性時(shí)程分析;抗震性能;鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)
引言
目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(kuò)大，對(duì)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(guò)去多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，其側(cè)向剛度大，價(jià)格較低，缺點(diǎn)是自重大、施工工期長(zhǎng)、易開(kāi)裂等。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(diǎn)是施工速度快，但側(cè)向剛度小，用鋼量偏大。
近年來(lái)，傳統(tǒng)立式工業(yè)廠房呈現(xiàn)出荷載等級(jí)不斷提高和跨度逐漸增大的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)建筑的經(jīng)濟(jì)性和綜合效益越來(lái)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(jì)、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(shì)顯著，造價(jià)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(cāng)廠房需要進(jìn)行糧食的堆放、儲(chǔ)存，儲(chǔ)糧層承受荷載較重，可達(dá)0kN/m，采用鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)形式會(huì)帶來(lái)更好的綜合效益。
在進(jìn)行立式工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)各種結(jié)構(gòu)體系的綜合效益進(jìn)行分析比較，包括構(gòu)件尺寸、有效使用空間、工程造價(jià)、使用性能、抗震性能等。為此，本文以海南省某糧倉(cāng)廠房結(jié)構(gòu)為研究背景，首先通過(guò)MIDAS.GEN和PKPM對(duì)糧倉(cāng)進(jìn)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(jì)，并對(duì)三種不同的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析;然后采用基于MSC.MARC平臺(tái)開(kāi)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(kāi)展推覆荷載下的靜力彈塑性分析和地震作用下的動(dòng)力彈塑性分析。通過(guò)研究該糧倉(cāng)廠房結(jié)構(gòu)體系的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能、抗推覆性能和抗震性能，分別對(duì)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(jìn)行對(duì)比，為立式工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)提供參考。
1工程概況
1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況
擬建糧倉(cāng)廠房共四層，首層層高9m，二層層高6m，三層層高6m，電梯機(jī)房層高4.5m，結(jié)構(gòu)總高度25.5m�？蚣芙Y(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(jī)房跨度9.6m。
1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載
擬建糧倉(cāng)廠房首層、二層為儲(chǔ)糧層，樓面恒載2kN/m，樓面活荷載考慮儲(chǔ)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(jī)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(jī)房樓面恒載kN/m，樓面活荷載取為kN/m。各設(shè)計(jì)取值均滿足相應(yīng)規(guī)范要求[67]。1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)擬建糧倉(cāng)廠房框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計(jì)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�？拐鹪O(shè)防類別為丙類，抗震等級(jí)為三級(jí)，抗震設(shè)防烈度為度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.30g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類。
2結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
傳統(tǒng)多層糧倉(cāng)廠房都是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，首先進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)。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(jī)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(jì)結(jié)果予以適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。
2.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lái)又在大力提倡發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)。鋼框架結(jié)構(gòu)采用矩形鋼管柱、焊接工字形鋼梁，鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q345。首層、二層樓板板厚160mm，板頂負(fù)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(zhǎng)C12@200。三層、電梯機(jī)房樓板板厚140mm，板頂負(fù)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(zhǎng)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(jì)方案
由于鋼結(jié)構(gòu)方案用鋼量大，經(jīng)濟(jì)性差，故在此基礎(chǔ)上作進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)行鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。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(qiáng)度等級(jí)為Q345，混凝土采用C40級(jí)。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(jī)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(jì)算方法
首先，基于設(shè)計(jì)軟件MIDASGEN對(duì)立式糧倉(cāng)廠房框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)分析，計(jì)算不同荷載組合作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力。接下來(lái)，通過(guò)設(shè)計(jì)軟件PKPM對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行配筋，并統(tǒng)計(jì)三種設(shè)計(jì)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(jì)算軟件MSC.MARC進(jìn)行推覆荷載下的靜力彈塑性分析和地震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，考察不同的立式糧倉(cāng)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(jì)算采用清華大學(xué)組合結(jié)構(gòu)課題組基于MSC.MARC平臺(tái)開(kāi)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(shí)，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(duì)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(lái)模擬[89]。
采用文獻(xiàn)[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(qiáng)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(zhǔn)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(yàn)證[1115]。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力推覆分析時(shí)，采用基于多點(diǎn)位移控制的位移推覆方法[16]。
該方法通過(guò)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(shí)的全過(guò)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(gè)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?jiǎn)卧拿芏�。次梁與框架梁鉸接，參與結(jié)構(gòu)的豎向受力。
4計(jì)算結(jié)果及分析
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)，底層為柱端先出鉸，不滿足規(guī)范中“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這是由于在進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)出來(lái)的柱截面尺寸偏小;加之糧倉(cāng)結(jié)構(gòu)承受的荷載大，設(shè)計(jì)的框架梁尺寸較大，形成“強(qiáng)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(huì)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(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)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(guò)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(cāng)廠房結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展過(guò)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(jìn)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(cāng)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?yàn)殇摶炷两M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(duì)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(dòng)力性能。
結(jié)論
本文以海南省某立式糧倉(cāng)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(jìn)行方案設(shè)計(jì)，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析、靜力推覆分析和動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，得到以下結(jié)論：
1)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(shí)，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(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)柱端先出鉸的破壞模式;同時(shí)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(dòng)力彈塑性時(shí)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(shí)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。
參考文獻(xiàn)
[1]聶建國(guó)，劉明，葉列平.鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)[].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.(NIEJianguo，LIUMing，YELieping.Steelconcretecompositestructure[].Beijing：ChinaArchitecture&BuildingPress，2005.(inChinese))
[2]錢(qián)稼茹，趙作周，紀(jì)曉東.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2018.(QIANJiaru，ZHAOuozhou，JIXiaodong.Structuredesignofhighrisebuilding[].Beijing：ChinaArchitecture&BuildingPress，2005.(inChinese))
[3]NAKASHIMAM,MATSUMIYAT,SUITAK,etal.Fullscaletestofcompositeframeunderlargecyclicloading[].JournalofStructuralEngineering,2007,133(2):297304.
[4]聶建國(guó)，陶慕軒，黃遠(yuǎn)，等.鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)體系研究新進(jìn)展[].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，31()：7180.(NIEJianguo，TAOMuxuan，HUANGYuan，etal.Researchadvancesofsteelconcretecompositestructuralsystems[].JournalofBuildingStructures，2010，31()：7180.(inChinese))
[5]UDAGAWAK,MIMURAH.Behaviorofcompositebeamframebypseudodynamictesting[].JournalofStructuralEngineering,1991,117(5):13171334.
[6]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB50009—2012[].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.(Loadcodeforthedesignofbuildingstructures：GB50009—2012[].Beijing：ChinaArchitecture&BuildingPress，2012.(inChinese))
[7]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50010—2010[].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.(Codefordesignofconcretestructures：GB500110—2010[].Beijing：ChinaArchitecture&BuildingPress，2010.(inChinese))
[8]陶慕軒，聶建國(guó).考慮樓板空間組合效應(yīng)的組合框架體系纖維模型[].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013，34(11)：.(TAOMuxuan，NIEJianguo.Fibermodelofcompositeframesystemsconsideringslabspatialcompositeeffect[].JournalofBuildingStructures，2013，34(11)：.(inChines))
作者：胡曉文，聶鑫
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jjlw/29443.html
