某厂区出入口结构设计与分析

余震安

某厂区出入口结构设计与分析

余震安

Mou chang qu chu ru kou jie gou she ji yu fen xi

本文基于实际工程中同时遇到的钢筋混凝土-钢结构、钢筋混凝土结构、大跨组合钢结构，对结构各个分区分别采用Midas和SATWE进行了受力分析，并介绍了结构设计过程中采用的提高结构受力性能的构造措施。

一、工程概况及结构形式

工程位于某抗震设防烈度为7度的城市经济技术开发区，周边用地分别为工厂、学校、高尔夫球场及高速公路。主体建筑地上一层，局部四层。主体建筑高度18.30m，建筑基底面积：103.9m2。总建筑面积：390.3m2；另有无维护结构飘板面积：940m2。建筑可分为三部分：两端侧翼、左右门卫室、中部组合大跨结构。两端侧翼为下部混凝土柱，柱顶采用钢管支撑起轻钢屋面，屋面为双向H型钢配合檩条，直立锁边铝镁锰屋面板；左右门卫室为四层普通钢筋混凝土结构，但需考虑与两侧翼及中间组合大跨结构的连接；中部组合大跨结构采用三层弦杆组合桁架，上弦、中弦及腹杆为圆钢管，下弦为H型钢，屋面层为下弦层所在标高，屋面板采用直立锁边铝镁锰屋面板。

二、结构设计控制点

1.大悬挑

侧翼悬挑较大建筑悬挑长度为8m，悬挑根部矢高为仅为400，控制挠度较难；柱顶钢管支撑的稳定性较难控制。

2.结构复杂

中部钢筋混凝土结构的门卫室面积较小，而两侧钢筋尺度较大，需将钢结构的支座设置于门卫室钢筋混凝土结构中，占用尺寸较大，减少了门卫室的使用面积；另外门卫室造型复杂，含弧型造型梁、挑檐、下挂折板等局部造型需求。

3.大跨度

中部组合大跨结构跨度大，跨度为45m，矢高仅为3m，且平面为弧型，需要着重控制结构的挠度及扭转。

4.温度应力

结构总长度为180m，在正常使用条件下，会产生较大的温度应力，应采取措施控制温度应力，以免对结构产生有害位移。

三、结构计算及分析

考虑到本程的复杂性，采用分区计算的方式，对两侧翼及中部组合大跨结构采用Midas Gen 计算；对左右门卫室采用多层及高层建筑结构三维分析与设计软件SATWE计算。主要的荷载及控制参数为：

抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度0.15g，设计地震分组为第二组，场地土类别为a类。场地特征周期0.4s，结构阻尼比0.05，多遇地震水平地震影响系数最大值：0.12；砼屋面面层荷载（建筑找坡）：3.5kN/m2；室外屋面板材（铝单板及直立锁边铝镁锰合金板）重量不超过0.15 kN/m2。

1.侧翼计算分析

重点关注大悬挑位置的梁，计算结果如下：H型钢型号为：H400x300x10x18，材料：Q235；截面内力：轴力Fxx=0.042kN，弯矩My=-155.23kN. m，Mz=-0.373kN.m，剪力Fyy=-3.84kN，Fzz=-42.4kN；自由长度：L=6.39；计算长度系数：1.00；等效弯矩系数：1.00；长细比：KL/r=85.7<123.8；轴向应力验算：N/Nrt=0.04/4302.6=0.00<1.000；弯曲应力验算：My/Mry=155.23/647.72=0.240<1.000；Mz/Mrz=0.373/159.38=0.002<1.000；整体稳定

验算：Rmax=0.230<1.000；剪切强度验算：Vy/ Vry=0.002<1.000；Vz/Vrz=0.068<1.000；挠度验算：W/ Wmax=24.8/25.6=0.97<1.000。由以上计算结果可知此悬挑梁的控制点为挠度，当挠度满足规范要求时，强度及稳定性亦可满足要求。

2.左右门卫室计算分析

位移计算结果为：X方向地震作用下的楼层最大层间位移角为1/612；Y方向地震作用下的楼层最大层间位移角为1/569；X方向风荷载作用下楼层最大层间位移角为1/1328；Y方向风荷载作用下楼层最大层间位移角为1/4053；X方向最大位移与层平均位移的比值：1.06；X方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.08；Y方向最大位移与层平均位移的比值：1.01；Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.03。均满足规范要求。

3.中部大跨结构计算分析：

（1）上弦计算结果为：截面为圆钢管，直径325mm，壁厚16mm；材料：Q345；截面内力：轴力Fxx=-1613.7kN，弯矩My=10.78kN.m，Mz=0.00kN.m，剪力Fyy=2.06kN，Fzz=-2.67kN；自由长度：L=3.03；计算长度系数：1.00；等效弯矩系数：1.00；长细比：KL/r=27.7<123.8；轴向应力验算：N/Nrt=1613.7/4600.18=0.351<1.000；弯曲应力验算：My/Mry=10.78/354.59=0.03<1.000；Mz/Mrz=0.00/354.59=0.000<1.000；整体稳定验算：Rmax=0.378<1.000；剪切强度验算：Vy/ Vry=0.001<1.000，Vz/Vrz=0.002<1.000。

（2）中弦计算结果为：截面为圆钢管，直径219mm，壁厚12mm；材料：Q345；截面内力：轴力Fxx=69.42kN，弯矩My=18.33kN.m，Mz=0.00kN. m，剪力Fyy=-0.41kN，Fzz=-12.50kN；自由长度：L=2.88；计算长度系数：1.00；等效弯矩系数：1.00；长细比：KL/r=42<123.8；轴向应力验算：N/Nrt=69.42/2419.24=0.029<1.00；弯曲应力验算：My/Mry=18.33/118.73=0.154<1.000；Mz/Mrz=0.00/118.73=0.000<1.000；整体稳定验算：Rmax=0.163<1.000；剪切强度验算：Vy/ Vry=0.001<1.000，Vz/Vrz=0.018<1.000。

（3）下弦计算结果为：截面为H型钢，型号为：H400x300x10x18；材料：Q345；截面内力：轴力Fxx=0.29kN，弯矩My=5.31kN.m，Mz=40.77kN. m，剪力Fyy=41.91kN，Fzz=-6.21kN；自由长度：L=1.20；计算长度系数：1.00；等效弯矩系数：1.00。长细比：KL/r=40.2<123.8；轴向应力验算：N/Nrt=0.29/4302.6=0.000<1.000；弯曲应力验算：My/Mry=5.31/647.72=0.008<1.000；Mz/Mrz=40.77/159.38=0.256<1.000；整体稳定验算：Rmax=0.221<1.000；剪切强度验算：Vy/ Vry=0.034<1.000，Vz/Vrz=0.010<1.000；

（4）整体挠度验算：W/Wmax=143.6/180=0.80<1.000。

四、结构构造措施

1.钢管支撑顶部设加劲肋及斜撑

侧翼混凝土柱顶为钢管支撑，支撑整个屋面结构，钢管底与混凝土柱若做成固定支座，较难控制质量，故而采用可转铰支座，同时在一个方向做斜支撑来控制竖向支撑不产生本方向的弯矩，另一个方向在钢管和屋面钢梁节点处设-12x450x600加劲肋来保证本方向的抗弯刚性。

2.楼板加厚

左右门卫室一侧连接侧翼钢梁，一侧连接中部组合大跨结构，各层楼板的受力较为复杂，特别是标高11.050处的楼板直接连接钢结构，除采用双层双向配筋措施外，对重要楼层楼板加厚至150mm，对次要楼层楼板加厚至120，采用此种方式不仅能提高结构的整体性能，同时，还可以提高楼板在两侧钢结构相互作用下的受力性能。

3.采用抗震支座

侧翼钢结构与混凝土结构连接处设置抗震球形支座，此支座设置为不承受弯矩且水平方向设置长螺栓孔可释放温度应力，仅提供向上的支撑力；在中部大跨结构两端亦设置抗震球形支座，两端均不承受弯矩，其中一端设置为普通铰接，另一端设长螺栓孔释放温度应力。支座的设置可在保证可靠连接的前提下尽量减少各部分之间的相互作用，结构受力更明确。

4.梁局部加宽

由于中部组合大跨结构受力较大，采用的支座亦较大，但深入混凝土结构后受力点为楼板，存在撕裂楼板的可能性，故局部把框架梁加宽至600mm宽用来放置支座，这样可以保证支座深入混凝土结构的深度，又可以消除楼板撕裂的隐患。

5.加强组合大跨结构处腹杆连接

中部组合大跨结构平面为弧型，结构整体会产生较大的扭转变形，因此需要增加整体的扭转刚度，采取的措施为每个弦层都设置平面的斜腹杆，先保证每个弦层自身的稳定性；在断面方向，上、中、下弦层用腹杆相互连接为桁架形式，可保证每一榀桁架的扭转刚性；在每一榀桁架之间设置腹杆，来保证整体组合大跨结构的抗弯、抗扭性能。

（作者单位：湖北中烟工业有限责任公司）