横向荷载作用下配料仓厂房结构体系优化设计

黄建兵

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031)

横向荷载作用下配料仓厂房结构体系优化设计

黄建兵

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031)

传统配料仓厂房,根据工艺配置方案、结构受力特点确定厂房结构体系。考虑配料仓仓体自重及物料重等竖向荷载,均采用多层钢筋混凝土或钢结构框架结构。某海外工程配料仓厂房因还要承受较大地震荷载、风荷载中的横向荷载作用,选择了更优的框架-支撑结构体系,不但结构整体工程量优化了30%,还能使结构安全度及舒适度得到大大提高。

横向荷载作用；配料仓厂房；结构体系；优化设计

配料仓厂房是冶炼项目中物料分配及运输的重要一个环节,单个配料仓仓体加物料自重约几百吨,传统厂房考虑配料仓仓体自重及物料自重等竖向荷载作用,均采用多层钢筋混凝土或钢结构框架结构。但在地震烈度较高或风荷载较大地区,横向荷载作用起控制作用,选择即能抗竖向荷载又抗横向荷载的结构体系,是优化结构设计方案的重点。本文根据某海外工程实例,简述结构体系优化的方法及所产生作用与效果。

1 设计基本条件

1.1 建筑平面尺寸及工艺配置

建筑宽度10 m,长度根据配料仓体个数确定,本次结构计算根据纵向支撑布置间距,取4个仓体,即 4×4.6 m=18.4 m;建筑高度约20.5 m。建筑平面布置见图1,厂房剖面见图2。

图1 建筑平面布置

1.2 自然条件

基本风压为0.95 kN/m2[1],地面粗糙类别为A类;地震烈度按中国规范取 8度(0.2g)[2],场地类别取Ⅱ类,特征周期为0.35 s;屋面活荷载为0.5 kN/m2,不考虑雪荷载,其他楼层荷载根据工艺提供条件输入。

2 传统结构设计

2.1 传统结构体系

根据工艺配置及结构受力特点,传统钢结构体系中,结构横向通常采用框架结构,纵向通常采用框架-支撑结构。框架轴线计算见图3,框架空间计算3D模型见图4。

图3 框架轴线计算简图

图4 框架空间计算3D模型

2.2 计算分析及计算结果

结构分析软件采用YJK-A,横向框架-纵向支撑框架结构计算结果如下：

1)周期振型。周期振型(取前三振型)见表1。

表1 框架结构周期振型

2)位移输出结果。位移输出结果见表2。

表2 框架结构位移输出结果

3)主要应力比。第二标准层中间两根钢柱应力比0.67、0.63(均由强度应力控制),中间钢梁强度应力比0.71。

4)钢柱平面布置及柱底内力。框架结构钢柱平面布置及柱底内力见图5。

图5 框架结构钢柱平面布置及柱底内力

2.3 小结

通过以上计算可知,为了保证结构在地震荷载、风荷载中的横向荷载作用下结构位移[3]满足规范要求,框架结构中钢柱与钢梁均采用较大截面,而钢结构的强度应力比及稳定应力比均比较低,材料强度得不到充分利用,结构总用钢量达到为85.35 t。此时钢柱柱底产生较大柱底弯矩,钢柱柱脚及基础设计时均应考虑弯矩影响。

3 优化结构体系设计

3.1 结构体系优化

由于传统的结构体系刚度太柔,结构侧向位移过大,且通常结构分析软件尚未考虑几何变形的二次效应,这样不仅造成材料浪费,且不能确保安全。经与工艺专业协调,结构专业在5.20 m,标高以下采用人字撑,5.20～8.20 m根据配料仓形状采用倒人字撑, 8.20 m以上平台也采用人字撑,15.50 m以上平台根据工艺使用要求,采用框架形式。结构横向布置[4]进行优化处理后,结构纵横向均采用采用框架-支撑结构体系，支撑框架计算见图6,支撑框架空间计算3D模型见图7。

图6 支撑框架轴线架计算简图

图7 支撑框架空间计算3D模型

3.2 计算分析及计算结果

结构分析软件采用YJK-A,纵横向支撑框架结构计算结果如下。

1)周期振型。周期振型(取前三振型)见表3。

表3 支撑框架结构周期振型

2)位移输出结果。位移输出结果见表4。

表4 支撑框架结构位移输出结果

3)主要应力比。第二标准层中间两根钢柱应力比0.85、0.73(均由强度应力控制),中间钢梁强度应力比0.86。

4)钢柱平面布置及柱底内力。支撑框架结构钢柱平面布置及柱底内力见图8。

图8 支撑框架结构钢柱平面布置及柱底内力

3.3 小结

通过以上位移输出结果及应力比可知,结构在地震力作用下,结构1～4层最大位移约6 mm;在风荷载作用下,结构1～4层最大位移均约8 mm。位移值远远小于框架结构体系中所产生的位移,均满足规范要求。结构总用钢量仅为57.03 t,比框架结构总用钢量减少约30%,钢材结构强度、稳定应力比也均满足规范要求。结构安全度及舒适度得到大大提高。通过柱底内力比较可知,框架-支撑结构体系中,柱底仅产生轴力,基础及柱脚设计类似铰接柱脚。笔者通过此工程比较,采用优化后柱底内力进行钢柱柱脚锚栓及基础设计,减少约30%土建工程量。通过以上数据可知,选择合理结构体系,不但更能保证结构安全可靠性,还可减少土建工程量。此工程整体优化工程量达30%,具有较好的经济效益。

4 结语

土建专业在工业设计中起着举足轻重的地位,如何利用传统工艺与土建配置方案,结合结构受力特点,选择即能满足工艺配置要求,又更加合理的结构体系是土建优化设计的关键及重中之重。本文所述设计采用支撑框架结构体系,利用传统工艺配置柱网,不但考虑工艺荷载,还应考虑结构所受自然条件的荷载,并结合工艺要求进行结构体系的配置,既满足工艺生产使用要求,又做到结构受力合理,安全可靠,经济适用,实现结构优化设计。优化后的结构体系不但可以做到安全可靠,能起到较好的经济效益。

[1] GB50009-2012,建筑结构荷载规范[S].

[2] GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[3] 王亚勇,戴国莹.建筑抗震设计规范算例[M].北京：中国建筑工业出版社,2006.

[4] 唐兴荣.特殊和复杂高层建筑结构设计[M].北京：机械工业出版社,2006.

Structural System Optimization Design of Blending Bin Plant with Transverse Load Effect

HUANG Jianbing

(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

For traditional blending bin plant,it determines mill construction system according to process configuration scheme, structure loading effect.Considering vertical load of blending bin weight itself and materials,adopt multilayer reinforced concrete or steel frame structure without exception.Due to a huge transverse load bearing of earthquake load and wind load in an abroad blending bin plant,a superior frame-support structure system are adopted.Not only the entire work amount of structure has been optimized 30%,but also safety and comfort level of structure have been greatly improved.

transverse load effect;blending bin plant;structure system;optimization design

TU391-04

B

1004-4345(2014)05-0065-04

2014-08-18

黄建兵(1982—),男,工程师,主要从事结构设计与研究工作。