玻璃厂碎玻璃钢框架转运楼结构设计

刘啟刚，陈荣欣

（中国建材国际工程集团有限公司，深圳 518054）

碎玻璃系统是浮法玻璃生产线联合车间的一个重要组成部分，该系统的主要功能是将联合车间冷端产生的碎玻璃输送至窑头碎玻璃仓，一般由3～4个转运楼和若干段皮带廊组成。近些年，随着钢结构房屋的兴起，钢结构的设计水平和施工技术逐步提高，钢结构房屋的造价大幅下降，一些工程的综合效益较传统的钢筋混凝土结构房屋有了明显优势。例如玻璃厂的很多转运楼，都由原来的钢筋混凝土框架结构改为了钢框架结构，其具有工业化程度高、现场建设工期较短、工程造价省等优点，又符合钢材可回收再利用、绿色环保节能的发展方向。该文根据工程实例，分别从钢框架转运楼的平面布置、计算方法、节点设计等方面作一简要介绍。

1 结构方案及平面布置

根据工艺要求，玻璃厂碎玻璃转运楼柱网尺寸一般为6～9m，沿皮带廊方向多为一跨，垂直方向为一至三跨不等。目前，钢结构转运楼多为焊接H型梁柱组成的多层框架结构。设计中应根据不同的建筑平面，进行合理的构件布置，现分别介绍如下：

1.1 钢柱布置方向及柱脚节点

由于H型截面钢柱在强弱轴方向截面抵抗矩相差很多，因此，钢柱的布置方向对结构的整体分析结果有很大的影响。设计中通常将H型截面钢柱的弱轴布置在多跨方向，如图1。这样多跨弱轴的一列柱子较单跨弱轴柱子刚度大，容易满足结构整体位移和截面强度的要求。而对于两个方向均为单跨的平面，一般可将弱轴布置在平行于皮带廊方向，如图2。这样可以通过在弱轴方向设置柱间支撑，来加强结构在此方向的刚度，避免了在皮带廊通过处不宜设置柱间支撑的问题。

一般钢框架转运楼总高度在20m左右，层数3～5层，单跨方向比较细柔，刚度较小。通过多个工程的试算比较，建议钢柱采用刚接柱脚，这样在同条件下结构整体位移容易满足规范要求。

1.2 柱间支撑布置

由焊接H型钢梁柱截面组成的框架结构，由于钢柱弱轴方向的抗弯性能及抗侧移性能较差，往往满足不了规范的要求。为此应尽可能的在弱轴方向设置柱间支撑，以增加整体结构在钢柱弱轴方向的刚度。若该方向由于工艺等原因无法设置柱间支撑，则可采用箱型柱或十字型柱的方案。常见的支撑形式有十字交叉支撑和人字形支撑，如图3。特别值得一提的是，有些设计为了满足工艺通行的要求，将支撑布置成图4的形式。这样会在柱中部产生水平剪力，对柱子非常不利，应尽量避免。

1.3 平面布置

转运楼在各楼层平面中，分别布置有带式输送机的头轮和尾轮、碎玻璃电子称、碎玻璃称量钢仓、输送皮带支腿和除尘设备等。结构设计时，应遵循将平面荷载通过次梁尽快传至钢架主轴方向框架梁上的原则。首先根据工艺、暖通等专业提出的配置条件，在各个设备支承点处布置钢梁，再根据花纹钢板的允许跨度要求，布置间距800mm左右的小钢梁，同时还应注意梁要避开楼板上的预留孔洞，如图1、图2。需要指出的是，图1、图2中GL1这些支承花纹钢板和部分设备荷载的小梁，在计算建模时一般不用逐一输入，其自重和上面支承的荷载应根据实际情况倒算至主梁。

2 结构计算

钢框架转运楼的结构计算，以目前常用的中国建筑科学研究院PKPM CAD系列结构设计软件（以下简称为PKPM）即可完成。首先应在PKPM的“钢结构STS模块（框架）”下完成钢框架建模；然后进入“结构SATWE模块”，进行内力分析；最后再返回“钢结构STS模块（框架）”，进行钢结构的节点及施工图设计。现就设计中常见的一些问题做如下简述：

2.1 荷载取值

楼面恒载：模型中输入的梁柱构件自重PKPM计算软件会自动考虑，这样只需输入楼板重量和模型输入时简化掉的构件（如1.3中所述GL1）。一般楼板是梁上铺设6mm厚花纹钢板，再考虑1.3中所提到GL1（多为热轧槽钢［8、［10、［12.6）等的自重，通常楼面恒载取0.8～1kN／m2。楼面活载：按照工艺要求和《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）5.2.1、5.2.2条，除设备固定荷载外，考虑操作荷载、一般工具、零星原料等，楼面均布活荷载取值为2.5～3.5kN／m2。值得一提的是，由于计算模型在平面布置时，对一些小梁进行了简化，此时楼面荷载的导荷方式要根据实际平面布置进行调整。

对于设备荷载、皮带廊支座荷载、墙体荷载等，均应按实际情况分别输入，这里不再详述。

2.2 参数选取

对于广大结构设计人员而言，“SATWE”前处理中的各个参数的合理确定是非常容易的，这里仅就几个需注意的问题进行探讨。首先是阻尼比，不能盲目的套用“SATWE”的默认值0.05。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）8.2.2条，“钢结构抗震计算……多遇地震下的计算，高度不大于50m时可取0.04；……在罕遇地震下的弹塑性分析，阻尼比可取0.05”。因此，在钢框架转运楼设计时阻尼比一般取0.04。还有“分析与设计参数补充定义→设计信息”中，“钢柱计算长度系数按有侧移计算”选项是否勾选，会对柱的长细比产生较为明显的影响。《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）5.3.3条，对钢柱计算长度系数按有无侧移计算，给出了明确规定。但判断公式5.3.3－1比较复杂，目前PKPM软件也不能实现这个判断。实际工程中，有些设计者，对于加了柱间支撑的钢框架均按无侧移计算，笔者认为这样不太合理，缺乏定量的控制指标。设计中，我们根据一些资料并参考了《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99—98）5.2.11条，首先按有侧移计算钢框架，如层间位移角均小于1／1000时，再按无侧移计算。就目前所做十多个钢框架转运楼而言，其位移角均大于1／1000，钢柱计算长度系数均按有侧移计算。

2.3 位移控制

钢框架各项计算结果的控制思路和常用的混凝土框架结构基本一致，只是钢框架的位移角，在风荷载和地震作用下有不同的限值。《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）3.5.1条和附录A.2中规定，在风荷载作用下多层钢框架的柱顶位移H／500，层间相对位移h／400。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）5.5.1条规定，多、高层钢结构在多遇地震作用下的弹性层间位移角限制为1／250，弹塑性层间位移角限制为1／50。为此，我们在设计中应注意分别验算控制。

3 节点设计

钢结构的连接节点计算与构造是十分重要的一个环节，连接节点是保证梁与柱协同工作，形成整体结构的关键部件。设计时首先要考虑节点处内力传递途径简捷明确、安全可靠，确保连接节点有足够的强度和刚度，并应保证节点的承载力应按有关规定大于杆件（梁、柱、斜杆）的承载力，即满足“强节点弱构件”的抗震概念设计的要求；同时还要求所设计的节点，加工简单、安装方便、现场施工容易实现；并且实际节点构造应与计算模型假定基本一致。钢框架梁柱节点通常为刚接，常用连接方法有：全焊节点连接、栓焊混合连接和高强度螺栓连接三种形式，前两种是钢转运楼设计中常用的连接方式，主次梁连接一般采用铰接。实际工作中，在完成“SATWE”的结构整体计算分析后，应返回“钢结构→框架→全楼节点连接设计”菜单，对整个结构的节点连接进行量化的分析计算，再根据构造要求画出节点设计图纸。除焊缝长度和高度、螺栓直径和个数等均应满足计算要求外，节点域腹板抗剪强度也要满足规范要求，切忌根据构件尺寸和构造要求绘制节点施工图的做法。在这里需要特别强调一点的是，为保证罕遇地震作用下，框架节点塑性区的整体性，《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）8.3.6条（强制性条文）要求：“梁与柱刚性连接时，柱在梁翼缘上下各500mm的范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱型柱壁板间的连接焊缝应采用全熔透坡口焊缝。”这点在设计图纸中必须明确表示。

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）8.3.8条：“钢框架的刚接柱脚宜采用埋入式，也可采用外包式；6、7度且高度不超过50m时也可采用外露式。”实际工程中，由于外露式柱脚传力路径清晰、易于加工制作、便于施工，被广泛应用。但外露式柱脚很难满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）8.2.8条第5款，柱脚与基础的连接极限承载力要求。为此我们在实际工程设计中，尽量按照规范要求或通过一些加强措施，来避免这条限制。玻璃厂转运楼高度均在50m以下，对于6度区的转运楼，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）8.1.3条文说明：“对于6度高度不超过50m的钢结构，其‘作用效应调整系数’和‘抗震构造措施’可按非抗震设计执行。”对于7度区的转运楼，参照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）表8.1.3注2：“当某个部位各构件的承载力均满足2倍地震作用组合下的内力要求时，7～9度的构件抗震等级应允许按降低一度确定。”对于7度（0.1g）和7度（0.15g）的结构，分别用8度（0.2g）和8度（0.3g）的地震作用下的柱脚内力进行柱脚设计，这样可以将柱脚设计的抗震等级从四级降至五级，即柱脚按不设防设计。综上所述，对于6、7度区的转运楼，均可不再执行《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）8.2.8条第5款的规定。但对于8、9度的转运楼柱脚还应采用埋入式或外包式。

4 结 语

综合考虑施工工期要求、季节温度影响、整体造价和绿色环保各个方面，钢框架转运楼现正在逐步应用于各玻璃厂的碎玻璃系统中。设计中要充分考虑钢结构构件强弱轴方向、构件的整体和局部稳定、节点设计和细部构造等各项因素，认真做好概念设计、结构计算和施工图绘制等工作，确保所做工程安全可靠、经济合理、切实可行。

［1］陈绍蕃.房屋建筑钢结构设计［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［2］GB 50011—2010，建筑抗震设计规范［S］.

［3］GB 50017—2003，钢结构设计规范［S］.

［4］JGJ 99—98，高层民用建筑钢结构技术规程［S］.

［5］GB 50009—2012，建筑结构荷载规范［S］.

［6］李星荣，魏才昂，丁峙崐，等.钢结构连接节点设计手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2005.