单层抽柱钢结构厂房的结构分析

蒋理，江科文

（1重钢集团设计院 重庆 400081 2 重庆工商职业学院 重庆 400052）

1 引言

本文研究内容取材于重钢整体搬迁项目，重钢整体从重庆大渡口搬迁到长寿江南，选取拟建的2700mm中板厂厂房，作为研究的背景工程，对该厂房结构受力进行分析，既解决了该类厂房的设计难题，也为类似的厂房设计提供参考。

2 工程概况

主厂房位于重庆长寿江南，原始地貌为岭谷相间的丘陵地貌，场地回填时间约为两年左右。回填土的最大厚度约为20m，有少量的挖方。场地类别为Ⅱ级，场地特征周期为0.35。该地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g。基本风压为0.4 kN/m2，无雪荷载。

主厂房总建筑面积为100637m2，为全钢结构厂房，由1～5跨组成，基本柱距为12m，15m，18m，局部抽柱形成24m，27m，36m柱距。

主厂房采用全钢排架结构，屋面采用平行弦屋架铰接于柱顶，柱脚刚接于基础顶面。主厂房排架柱采用阶梯型柱，上柱采用焊接H型钢实腹式柱，下柱采用双肢格构式柱。抽柱处采用托架支撑屋架，吊车梁采用简支焊接工字型实腹钢梁。

3 结构分析

从整个主厂房来看，难点在于“抽柱排架”的计算，本文将以抽柱排架作为受力分析的对象。采用的软件是2006年中国建科院PKPM工程组开发的《STPJ钢结构重型工业厂房设计软件》。

3.1 结构模型

本文选取了抽柱部分的厂房作为研究对象，并分别以“标准单元”，“抽柱后中柱计算单元”，“抽柱后边柱计算单元”三种模型进行计算，并对输出的内力和位移进行分析对比。计算模型详见图1～图5所示。

图1为标准单元，图4为对应的剖面图。

图1 标准单元计算单元

图2 抽柱后中柱计算模型平面图

图3 抽柱后边柱计算单元计算模型平面图

图4 1-1结构剖面图

图5 2-2结构剖面图

图2为抽柱后的中柱单元，主要用于计算抽柱后中柱的受力，即2－D，2-E/2-31轴的排架柱的受力情况。图4为对应的剖面图。

图3为抽柱后的边柱单元，主要用于计算抽柱后边柱的受力，即2－A，2-B，2-C，2-F/2-30轴的排架柱的受力情况。 图5为对应的剖面图。

3.2 受力分析

（1）标准单元排架计算，计算内容如下:所有柱承受柱距为18m的吊车荷载，屋面荷载，风荷载等；计算吊车荷载时，每跨间考虑4台吊车同时作用，用影响线来计算吊车荷载。

（2）抽柱后边柱计算单元

抽柱排架计算采用 “虚拟柱”法，“虚拟柱”法在平面排架抽柱处用一根两端铰接的摇摆柱替代屋架与托架的作用，“虚拟柱”长度取排架柱上柱高度以方便施加吊车荷载。

“虚拟柱”只用来模拟屋架与托架变形协调，因此，确定“虚拟柱”截面是依据 “虚拟柱”在屋面轴力作用下的轴向变形等于托架在跨中竖向力作用下的绕度。其本身的计算指标 （强度、稳定、长细比）无意义。

（3）抽柱后中柱计算单元

计算内容与标准跨的不同如下:对于2－D，2-E轴柱，所承受的吊车荷载为36m跨吊车梁传递到柱牛腿上的恒载及活载，柱顶承受36m托架传递的屋面荷载；对于其余柱，包括2－A，2－D，2－C，2-F承受的屋面荷载及吊车荷载均同标准单元，即柱距为18m所承受的荷载。

3.3 计算结果对比

（1）内力对比

（2）位移对比

表1 弯矩包络（kN·m）对比

表2 轴力包络（kN）对比

表3 剪力包络（kN）对比

表4 风荷载柱顶位移（mm）比较

表5 地震荷载柱顶位移（mm）比较

表6 吊车梁荷载轨顶位移（mm）比较

4 计算结果分析

4.1 内力比较

通过抽柱单元的计算结果与标准单元的计算结果对比，可以得出以下结论（“抽柱后边柱计算单元”简称“边柱”，“抽柱后中柱计算单元”简称“中柱”）:

（1）“边柱”与“标准单元”对比，所有柱脚的弯矩均增大约12%～24%，剪力增大约6%～33%。轴力基本不变。

（2）“中柱”与“标准单元”对比，仅在2－D，2－E抽柱位置，弯矩力增大约22%，其余柱弯矩与标准单元基本接近。同样，剪力也是在2－D，2－E抽柱位置增大，增幅约50%～78%，轴力在2－D，2-E抽柱位置增大约39%。其余柱与“标准单元对比”内力无明显变化。

4.2 厂房位移比较

通过抽柱单元的计算结果与标准单元的计算结果对比，可以得出以下结论（“抽柱后边柱计算单元”简称“边柱”，“抽柱后中柱计算单元”简称“中柱”）:

（1）在地震烈度为6度地区，当厂房较高时，风荷载在水平荷载中起主要控制作用。

（2）“边柱”与“标准单元”对比，在风荷载作用下，柱顶位移由1/1470增大到1/983。满足规范规定的1/400水平位移允许值。但位移的绝对差达到6.1mm。

(3)”中柱”与”标准单元”对比，各位移基本相同。

5 结论

通过对内力以及位移的计算，我们可以得出以下几点结论:

（1）计算结果符合实际的受力状况，因此，用“虚拟柱”法来计算抽柱排架方案是可行的。

（2）抽柱以后，“中柱”内力增大，而位移不变。“边柱”内力增大，同时位移也增大。在进行构件设计中，要对内力增大的构件进行验算，必要时需要增大柱截面。而位移增大，说明在“边柱”处形成了薄弱层，就需要通过结构体系的调整，通过增强该区域的屋面支撑，来增大屋面刚度，使各排架柱能够变形协调。

[1]张志强，张柯，等.钢筋混凝土抽柱排架结构计算分析[J].工业建筑，2008，38(12).

[2]GB 50009-2001[S].建筑结构荷载规范（2006年版）[S].