单排柱大跨度空间结构高大厂房受力及经济性研究

蔡明喜，张杰

（兰州有色冶金设计研究院有限公司，兰州730099）

单排柱大跨度空间结构高大厂房受力及经济性研究

蔡明喜，张杰

（兰州有色冶金设计研究院有限公司，兰州730099）

传统上，网架下部支撑柱为空心钢柱，对于高度较低的网架，其表现出受力较好、较经济、施工方便、工期短等特点。伴随着高大结构且只有单排柱的厂房在矿山、冶金领域的大量出现，为了满足内力、位移、长细比的要求，设计师通常设计出来的柱子截面极大，这种“极大柱”的出现了增加了甲方的投资，同时也增加了钢构制作厂家加工及运输的成本。针对工程中出现的上述问题，采用Midas-gen软件对空间结构下部支承体系采用钢管柱和钢管混凝土柱两种结构模型进行了受力分析，为了保证分析结果的准确性，采用了上下部结构整体模型建模计算，在此基础上，进行了大量数值分析。结果表明当大跨度网架采用钢管混凝土柱模型时具有较好的受力性能及较高的经济价值。

单排柱支撑；高大厂房；整体分析；钢管混凝土柱

0　引言

由于空间网架（格）结构其结构美观、建造速度快、有着良好的经济性能等特点，在民用、工业领域应用十分广泛。近年来，随着软件的进步，很多学者对于大跨度网架整体受力模型性能分析的研究较多，由于矿山、冶金领域近年才遇到高度超过20m的单排独立柱支承网架结构，导致学者对于大跨度网架的下部支撑柱，特别是单排支撑柱，高度20m以上的这方面研究较少。董石麟等[1]对上部网架结构整体分析进行了探讨，周越洲等[2]结合工程对钢管混凝土柱与普通混凝土柱的经济对比，曹资[3]等对网壳屋盖与下部支承结构动力相互作用研究，巩玉发[4]网架结构的优化设计及极限分析。目前国内相关项目未进行此类设计。因此对其开展受力及经济性研究是十分有必要的。本文在数值模拟的基础上利用有限元软件对结构进行建模计算，并对结果进行了详细的比较。

1　结构计算分析

1.1计算参数选取

结构整体模型计算分析采用MIDAS/Gen软件，主要考虑以下荷载。

1）屋面采用岩棉夹芯板，考虑到檩条自重，屋面恒荷载按照0.3kN/m2（垂直于屋面）取值，程序自动计算网架自重。

2）屋面活荷载按照《建筑结构荷载规范》（GB 5009-2012）[5]取0.5kN/m2。

3）基本雪压0.3kN/m2。

4）基本风压0.5kN/m2。

5）抗震设防分类为标准设防类，设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，设计基本地震加速度0.2g。

场地特征周期为0.40s。

1.2结构受力分析

表1　网架的形式和几何尺寸

在荷载作用下按照荷载规范进行荷载组合，两个模型具有以下特点，钢管混凝土柱支承结构（见图1）与钢管支承结构（见图2）受到水平柱底内力FX，FY相差不大，FZ方向竖向力大小有差别是由于钢管柱和钢柱材质差异，容重不同所致；两模型在图3~4中（选取网架中部杆件），上弦杆、下弦杆受力大小基本相同，网架腹杆受力有差异，钢管柱模型腹杆要比钢管混凝土柱模型腹杆受力大25%（单元2049）~38%（单元2775）之间.杆件对比中除了个别内力不同，其大部分受力大小及方向相同，钢管混凝土柱支承结构最大位移（见图3）为170mm，钢管支承结构（见图2）最大位移为158mm，两者均满足《网架结构设计与施工规程》（JGJ7-91）[6]第2.0.17条中挠度小于240mm的要求。

表2　主要杆件截面尺寸

图1　钢管砼柱模型杆件内力

图2　钢管柱模型杆件内力

图3　钢管砼柱模型位移等值线图

1.3结构动力特性分析

本工程采用考虑扭转耦联振型分解反应谱法（CQC），进行小震作用下的弹性分析，分别计算出结构X、Y向地震作用。钢管混凝土柱支承结构，X向最大位移DXmax=66mm，层间位移角1/303（见图5），Y向最大位移DYmax=29mm，层间位移角1/689，钢管柱支承结构DXmax=28mm，（见图6）层间位移角1/714，钢管柱支承结构DYmax=44mm，层间位移角1/454，以上结果均满足《建筑抗震设计规范》[7]（GB50011-2010）表5.5.1要求小于1/300的要求。

图4　钢管柱模型位移等值线图

图5　钢管砼柱模型X向位移

图6　钢管柱模型X向位移

结构周期及振型对比：两种模型前3振型计算模态，周期比，自振周期等关键参数钢管混凝土支承结构见表3，钢管支承结构见表4。

从表3、表4可以得出钢管混凝土柱支承模型即结构扭转为主的第一自振周期（也称第一扭振周期）Tt（2.2139），平动为主的第一自振周期（也称第一侧振周期）T1（1.8694）。钢管混凝土柱模型周期比：1.8694/2.2139=0.844钢管柱支承模型即结构扭转为主的第一自振周期（也称第一扭振周期）Tt（0.8746），平动为主的第一自振周期（也称第一侧振周期）T1（1.0788）。钢管混凝土柱模型周期比：0.8746/1.0788=0.844。综上，根据图13~18两种结构形式，都在第一、第二振型都为平动，第三振型都为扭转，钢管混凝土柱模型与钢柱模型都满足《高层建筑混凝土结构技术规程》[7]（GB50011-2010）的要求不大于0.90。

表3　钢管混凝土支承结构

表4　钢管支承结构

2　结构杆件设计结果及对比

1）分别选取两种模型边跨中部、中间位置的上弦杆（节点号2192、2524、2622）见图7，下弦杆（节点号4848、5113、5397）、腹杆（节点号23、143、239）对计算结果进行对比，表5所示。

2）对钢管混凝土柱及钢管柱进行强度及稳定性验算，结果见表6。

由图9、图10可得，当采用钢管柱时，长细比95.4刚好能满足《钢结构设计规范》[8]（GB50017-2003）第5.3.8表注3，长细比不宜大于100的要求，钢管混凝土柱满足相关规范要求。

表5　两种模型上弦杆、腹杆、下弦杆关键节点受力对比

表6　两种模态下柱强度及稳定性验算

图7　上弦杆

图8　下弦杆

图9　钢管柱支承验算结果

图10　钢管砼柱支承验算结果

3　两种结构的经济性比较

采用软件自带的工程量统计功能，钢管混凝土柱模型共用Q345钢材426.4t，混凝土218m3钢管混凝土柱模型共用Q345钢材426.4t，钢材综合单价按照4000元/t、混凝土按照400元/m3来计算，节约造价约37%。

4　结语

1）两种模型在相同荷载的作用下，两模型网架腹杆受力有差异，钢管柱模型腹杆要比钢管混凝土柱模型腹杆受力大25%，所以钢管柱模型计算出来的腹杆要偏于安全。

2）两种模型在相同荷载的作用下，钢管柱模型由于钢柱截面较大在抗侧力相对钢管混凝土柱结构要好，但是在钢柱能满足长细比的情况下，抗侧刚度又有富裕量，说明钢管柱偏于浪费。

3）由于本工程对DX方向的位移控制得较严，在实际工程中支座还考虑水平位移的量，为了增大X向抗侧力刚度，所以造成角柱部位的钢管混凝土柱断面偏大，建议在实际工程中可以根据支座的类型对此进行调整。

4）钢管柱模型中20m高的直径1200mm钢管柱，加工、吊装、校正、难度较大、基础部分设计也会造成浪费。

5）当房屋高度非常高，采用独立柱支撑屋顶网格结构的情况下由于受柱长细比限制，在安全性不受影响的情况下采用钢管混凝土柱具有巨大的经济优势。

［1］董石鳞，李元齐.三峡水电站左岸厂房上部网架结构整体分析［J］.空间结构，2000.

［2］周越洲，吴敬伟.钢管混凝土柱与普通混凝土柱的经济比较［J］.广东土木与建筑，2004.

［3］曹资，张超，张毅刚，薛素铎，网壳屋盖与下部支承结构动力相互作用研究［J］.空间结构，2001.

［4］巩玉发，殷志详、张世昆.网架结构的优化设计及极限分析［J］.阜新矿业学院学报，1994.

［5］GB5009-2012，建筑结构荷载规范［S］.北京：中国建筑工业出

版社，2012.

［6］JGJ7-91，网架结构设计与施工规程［S］.北京：中国建筑工业

出版社，2003.

［7］GB50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［8］GB50011-2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［9］沈祖炎.网架与网壳［M］.上海：同济大学出版社，1998.

［10］刘锡良，韩庆华.网格结构设计与施工［M］.天津：天津大学出版社，2004.

［11］沈世钊，陈昕.网壳结构的稳定性［M］.北京：科学出版社，1999.

TU93+1

A

1673-1093（2015）10-0072-05

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.10.016

蔡明喜（1978），男，甘肃人，高级工程师，国家一级注册结构工程师，毕业于兰州铁道学院建筑工程专业。

2015-05-24；

2015-06-05