格构钢管柱-网架屋盖结构体系设计与计算

吴德雨， 李前进， 孙 彤， 王静峰，3， 王翰斓， 郭 磊

(1.安徽苏亚建设安装有限公司，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学, 安徽 合肥 230009；3.先进钢结构技术与产业省级协同创新中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

随着我国经济社会的快速发展,城镇化率不断提高,在基础设施建设和房地产项目开发等过程中,商品混凝土的需求日益增加,混凝土搅拌站行业发展迅速。由于传统混凝土搅拌站生产时会产生大量粉尘、废水、废渣及噪声污染,导致周边环境污染加重,环保问题成为制约搅拌站发展的重要因素,因此亟须在混凝土搅拌站外围设置环保外封结构以减少对周围环境的污染。

环保外封结构是指对混凝土搅拌站的主楼和料场进行全封闭式封装,有效降低粉尘和噪声,符合绿色环保理念的一种附属结构,其中料场的外封结构以格构式钢管柱-网架屋盖结构体系为主。此类结构设计难点在于无相应规范可遵循,同时结构上下部刚度差异较大,对整体结构协同抗震分析时阻尼比难以确定。目前国内外工业厂房对于网架应用很多,但是对于下部结构由格构钢管柱和混凝土柱组合形成的体系仍然缺少相应的设计方法和标准规范,因此本文拟开展格构钢管柱-网架屋盖结构体系的设计与计算方法研究,为该类结构设计提供科学依据。

1 体系概况

综合总体规划,为满足经济效益与功能要求,格构式钢管柱-网架屋盖结构体系的平面、立面、剖面设计如图2～图4所示。

图1 环保外封结构体系

图2 结构平面图

图3 结构立面图

图4 结构剖面图

2 体系组成

格构钢管柱-网架屋盖结构体系主要由网架屋盖、排架柱以及外部挡砂石料墙组成,其中排架柱分为上部格构柱和下部混凝土墩柱,如图5所示。

图5 格构钢管柱-网架屋盖结构体系

2.1 网架屋盖

考虑经济性和混凝土搅拌站料场外封装结构的功能特点及建筑形式,格构钢管柱-网架屋盖结构体系的主体结构采用网架形式,网格的绘制根据混凝土搅拌站料场尺寸确定,一般一个正放四角锥的尺寸为4 m×4 m×2.2 m。其布置图如图6所示。

图6 网架布置图

2.2 排架组合柱

排架组合柱,如图7所示，由上部格构钢管柱和下部混凝土墩柱组合而成,是格构钢管柱-网架屋盖结构体系竖向的主要受力构件。

图7 排架柱

柱子的设计信息如下:

(1) 主受力柱的尺寸为1.2 m×1.2 m,柱顶标高为11.7 m,纵筋为20C25,箍筋为10@100,混凝土标号为C30。

(2) 中间格构柱柱高为3.9 m,四肢主管采用φ168×8圆管,肢间距为800 mm。

(3) 边格构柱高4.7 m,四肢主管采用φ159×6圆管,肢间距为600 mm。

(4) 中间混凝土墩柱尺寸为1.2 m×1.2 m,边混凝土墩柱尺寸为1 m×1 m,高度均为7 m。

2.3 挡砂石料墙

挡砂石料墙属于格构钢管柱-网架屋盖结构体系的围护部分,它主要起到防止内部的砂石堆料向外扩散的作用,如图8所示。

图8 挡砂石料墙

悬臂式挡土墙顶标高7 m,基底标高-2 m,墙顶宽度300 mm,基底宽度4.8 m,厚度0.5 m。墙身采用C30混凝土,纵向钢筋采用RRB400带肋钢筋,箍筋级别为HPB300。

3 格构钢管柱-网架屋盖结构体系整体计算

3.1 计算模型

3.1.1 结构模型

格构钢管柱-网架屋盖结构体系模型采用MIDAS/Gen2019分析软件建立有限元模型,如图9所示。

图9 整体结构模型

3.1.2 杆件类型

本文计算的格构钢管柱-网架屋盖结构中的杆件采用桁架单元,即只考虑杆件的轴力,不考虑杆件两端的弯矩和杆件的扭转。

杆件材料采用Q235B,屈服强度为235 MPa,弹性模量E=2.06×105MPa,泊松比为0.3。杆件截面形式采用空心圆管,常用杆件截面见表1。

表1 杆件截面尺寸

3.1.3 支座参数的选取

因为格构钢管柱-网架屋盖结构为超静定结构,其内力和反力分配与结构的刚度分配有关,考虑上下部分协同工作的情况,因边界约束条件的不同,其杆件内力也是有差异的。根据实际工程中的情况考虑边界条件为刚性连接。

3.2 荷载及效应组合

格构钢管柱-网架屋盖结构的外荷载主要包括结构自重、作用于结构上的恒载和活载三部分,结构的荷载见表2,场地抗震设防烈度为6度,设计地震第二组,场地类别Ⅲ类。

表2 荷载类型

荷载组合根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)相关规定,共形成183种荷载组合,并生成相应的包络荷载组合。

3.3 计算结果与分析

3.3.1 特征节点和杆件提取

在对模型进行分析之后,选取一系列在最不利荷载下产生最大位移的节点和最大轴力的杆件即为特征节点和杆件。

特征节点共选取三组,前两组选取的是网架屋盖上的部分点,第三组选取的则是部分格构柱上的点，如图10、图11所示。

图10 特征节点(俯视图)

图11 特征节点(整体图和细部图)

第一组:1284、1317、1350、1383、1416;

第二组:1911、1878、1845、1812、1779;

第三组:1178、1211、1244、1277、1310;

第四组:3177、607、547、667、687。

特征杆件共提取4组,如图12和图13所示。其中前3组提取的为网架屋盖上的杆件,第一、二组杆件为下弦杆,第三组杆件为上弦杆,最后一组杆件提取的是部分格构柱上的杆件。

图12 特征杆件(俯视图)

图13 特征杆件(侧视图与细部图)

第一组:4962、4963、4964、4965；

第二组:4745、4746、4747、4748；

第三组:2924、2925、2926、2927；

第四组:1325、2165、2221、2333。

3.3.2 节点位移

表3 模型特征节点位移

由表3可知:

(1) 节点总位移最大值为126.53 mm,其节点编号为1284,组号为第一组;节点最小位移为11.64 mm,其节点编号为547,组号为第三组。两者相差90.79%。

(2) 前3组位移比第四组位移偏大,即网架屋盖上节点比格构柱上的节点位移更大,这是由于上部结构比下部结构刚度小。

(3) 节点最大位移为126.53 mm,由于规范未对格构钢管柱网架屋盖结构的位移限值做出具体规定,参考《空间网格结构技术规程》(JGJ 8-2010)第3.5.1条,结构容许挠度值取跨度的1/250,所以126.53/5 000=0.002 530 53

3.3.3 杆件轴力

结构构件截面选取以及空间布置是否合理直接体现在构件的轴力上,提取特征杆件轴力见表4。

由表4可知:

表4 特征杆件轴力

(1) 结构构件的最大轴向压力为1 114.056 kN,杆件编号为2333；结构构件的最大轴向拉力为221.781 kN,杆件编号为2926。控制荷载工况为荷载组合第184组(包络组合)。

(2)前3组杆件的轴力值要明显小于第四组杆件的轴力值,表明格构柱杆件受力较大,必要时可采取相应的加固措施。

4 挡砂石料墙计算

4.1 计算模型

挡砂石料墙的力学模型及尺寸如图14所示。

图14 挡砂石料墙

4.2 计算结果与分析

4.2.1 整体稳定计算

为了保证整体结构的安全,防止挡砂石料墙在堆料超出容许体积或者恶劣天气等条件下结构破坏,对整体结构的稳定性造成影响,需要对挡砂石料墙进行结构的整体稳定性的计算。

(1) 滑移稳定性验算:

基底摩擦系数为f=0.400,底板坡度m3=0.000。按挡土墙荷载组合系数表取最不利组合计算:

平行于基底的抗滑移力:RT=200.296 kN;

平行于基底的滑移力:ST=150.96 kN；

抗滑移稳定性系数:

满足验算要求。

(2)倾覆稳定性验算:

验算墙体绕墙趾旋转的倾覆稳定性, 按挡土墙荷载组合系数表取最不利组合计算:

倾覆力矩:My=556.624 kN·m

抗倾覆力矩:M0=1710.156 kN·m:

抗倾覆稳定性系数:

满足验算要求。

4.2.2 基底应力和偏心距验算

作用于基底的应力见表5。基底应力和偏心距按基底斜面长计算，计算结果见表6。

表5 荷载标准组合下作用于基底的力

表6 基底应力及偏心距计算结果

表中：Zn为基础底面合力作用点距离墙趾点的距离。

表中：e为基底偏心距;[e]为基底容许偏心距;pk为基底平均应力;fa为修正后的地基承载力特征值;pmax为基底最大应力;pmin为基底最小应力;B为基底面的计算长度。

计算结果表明,挡砂石料墙满足规范。

5 结 论

本文基于对混凝土搅拌站料场的环保外封结构格构钢管柱网架屋盖结构体系的研究,借助MIDAS/Gen2019有限元软件,对该结构体系进行了上下部分协同分析,对结构体系静力特性进行了详细介绍,同时也对结构围护部分挡砂石料墙进行了稳定性验算,得出以下结论:

(1) 通过静力特性分析得到,格构钢管柱-网架屋盖整体结构较为稳定,结构安全;

(2) 格构钢管柱-网架屋盖结构在不同荷载组合下的特征杆件轴力和特征节点位移均满足规范要求,说明杆件截面的选取及结构空间的布置均较为合理;

(3) 格构钢管柱-网架屋盖结构体系的围护结构挡砂石料墙,应适当加强其抗侧力强度及抗倾覆能力,以提升整体结构的稳定与安全性能。