大跨超高门式刚架结构在污泥处理工程中的应用

黄赛帅

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

大跨超高门式刚架结构在污泥处理工程中的应用

黄赛帅

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

根据污泥处理工程的特点和对结构的要求，现对大跨超高门式刚架结构在该类工程中的设计和应用进行分析。首先，介绍了门式刚架在该类工程中的优势及难点。接着，探讨了在大跨超高的情况下，门式刚架的受力体系和计算方法。最后，结合某已建污泥处理工程给出了工程算例，介绍了该计算方法在实际工程中的应用。

大跨；超高；门式刚架；整体空间刚架模型

0 引言

污泥处理厂房为污泥处理工程中的主要建筑物，其内部大型设备及管道众多，局部需设置重型设备夹层，屋面设有悬挂吊车。根据工艺流程及设备运行需要，厂房内部无布置结构柱可能，必须采用大跨结构。厂房净高要求在24 m以上，单层高度达到了高层建筑的高度范围。

常规的大跨高层结构屋面可选用桁架、网架、门式刚架等多种空间体系。然而，相比于其他结构形式，门式刚架有其独特优势：门式刚架构件数量少，易于污泥处理运行环境下的防腐维护；门式刚架的实腹梁柱占用平面及空间小，利于工艺在有限空间及限定高度内集约化布置；门式刚架现场施工周期短，利于缩短宝贵的工期。

但相比于常规门式刚架，该类门式刚架主跨已接近《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（以下简称“门刚规范”）中建议跨度的上限，结构总高已超过了该规范的建议高度，局部混凝土夹层布置重型设备，带来较大的地震作用，故在结构设计中需慎重对待。

本文结合某污泥处理厂房实例，分析探讨该类大跨高层结构体系的设计及应用。

1 门式刚架受力体系及计算方法

1.1 受力体系

门式刚架受力体系可以分为四大部分：主结构（主刚架、吊车梁），次结构（檩条、墙柱、抗风柱、墙梁），支撑结构（屋面支撑、柱间支撑、系杆），围护结构（屋面板、采光板、墙板、门、窗）。

1.2 大跨超高门式刚架计算方法

门式刚架结构应进行以下方面的计算：构件强度及稳定性验算、节点连接强度验算、正常使用状态下的变形验算[1]。由于节点计算公式在相关规范中有明文可查，故本文主要探讨结构体系的计算方法。

结构设计考虑的荷载含永久荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、吊车荷载、地震作用等[2]，并需按照《建筑结构荷载规范》（以下简称“荷载规范”）及“门刚规范”组合。地震作用在一般门式刚架结构设计中不起控制作用，但在污泥处理工程中，夹层一般设置混凝土夹层并布置重载设备，故应进行抗震验算。2016年实施的“门刚规范”明确阐明高度大于18 m时，规范中的风荷载取值不适用，而强度、稳定性计算方法仍可参考该规范[3]。故构件的强度、稳定性计算方法仍按“门刚规范”实施，而风荷载取值则按“荷载规范”选用。

“门刚规范”规定，门式刚架可按平面结构分析内力。由于大跨超高门式刚架已超出“门刚规范”的适用范围，且夹层重荷载产生较大的地震力，整体空间刚架模型可以反映整个结构的周期、地震作用最大方向、整体刚度等各种指标及结构特性。故除按一般的平面结构模型分析内力外，应额外按整体空间刚架模型补充计算，获知结构体系的薄弱点，以有针对性地加强结构。

2 工程实例

2.1 工程概况

国内某城市污泥处理工程主厂房由高低两类刚架组成，1～14轴为高刚架，15～19轴为低刚架，屋面布置一台5 t悬挂起重机。高刚架跨度12.5 m+ 27.5 m，高度26.500 m。低刚架为带毗屋刚架，主跨40 m，毗屋跨度24 m，主跨高14.500 m，毗屋高11 m。高刚架分别在标高4.5 m、7.37 m、11.37 m处设置夹层，夹层均采用压型钢板现浇混凝土楼面。主体刚架平面布置见图1所示。

图1 刚架结构平面布置图

该结构难点：（1）高刚架布置有三层钢筋混凝土楼面夹层，使得此处平面外刚度较大，整体刚度不均匀。（2）夹层处布置数台50 t重设备，平面上重荷载偏置。（3）主跨40 m，接近“门刚规范”中建议跨度的上限48 m，属于大跨结构。（4）高刚架高度25 m，超过了“门刚规范”中建议高度的上限18 m，属于超高门刚结构。（5）屋面布置一台5 t电动单梁悬挂起重机，超过了“门刚规范”中建议悬挂起重机起重量不超过3 t的上限。

图2为某大跨超高门式刚架施工过程之实景。

图2 某大跨超高门式刚架施工过程之实景

2.2 结构计算

根据前述的计算方法，大跨超高门式刚架分别按平面结构模型及整体空间模型分析。平面结构模型采用PKPM的门式刚架模块计算，整体空间模型采用SAP2000计算。

2.2.1 平面结构模型

分别对高刚架、低刚架建立平面结构模型，为减小基础底部弯矩，柱底采用铰接节点，平面结构模型分别见图3、图4所示。

图3 高刚架平面计算结构简图

图4 低刚架平面计算结构简图

限于篇幅，平面结构模型的各荷载组合弯矩图、剪力图、轴力图不再赘述，其结果如下：各荷载组合下，高刚架最大弯矩788 kN·m，位置在左侧夹层梁柱节点。高刚架最大剪力327 kN，位置在左侧夹层梁端。高刚架最大轴力1 838 kN，位置在中柱柱底。由于高刚架带有重载夹层，以上最大值均产生在楼面活荷载控制工况，故楼面活荷载是高刚架的控制荷载。

低刚架最大弯矩1 707 kN·m，位置在左侧梁柱节点。最大剪力159 kN，位置在左柱柱底。最大轴力431 kN，位置在中柱柱底。由于低刚架跨度大，对风荷载较敏感，以上最大值均产生在风荷载控制工况，风荷载是低刚架的控制荷载。

2.2.2 整体空间模型

整体计算空间模型见图5所示，采用整体计算空间模型方法求得各振型自振周期及其形态，前9个振型的自振周期如表1所列。在各种荷载组合下，内力包络计算图如图6～图8所示。

图5 整体计算空间模型示意图

表1 前9个振型自振周期表

图6 各荷载组合下构件轴力包络图

图7 各荷载组合下构件弯矩包络图

图8 各荷载组合下构件剪力包络图

整体计算最大弯矩为1 641 kN·m，产生在为风荷载控制工况，位置在低刚架梁柱节点。最大剪力为298 kN，产生在为楼面活荷载控制工况，位置在高刚架夹层梁端。最大轴力为1 765 kN，产生在为楼面活荷载控制工况，位置在高刚架中柱柱底。

根据计算结果可得：整体模型计算得最大内力均较平面模型稍小，可知采用平面模型是偏安全的。

2.3 概念设计及构造措施

概念设计和结构计算是相辅相成的，该大跨超高门式刚架在以下方面加强其构造：（1）加强重要节点。为加强梁柱端板、梁梁端板、柱底节点，在螺栓计算时，乘以放大系数，同时采用摩擦型高强螺栓加强梁柱节点刚度。（2）选用合适的屋面墙面板材，保证蒙皮效应的发挥。屋面墙面围护均采用100 mm厚岩棉夹芯彩钢板，板的拼接采用咬边连接，板与檩条连接采用密布自攻螺钉，在屋脊、檐口处额外加密螺钉。（3）提高瘦高型截面刚架梁柱的稳定性，水平支撑、柱间支撑均采用双层型钢交叉支撑。（4）加密支撑间距至18 m以下，增强整体刚度。

3 结语

本文对大跨超高门式刚架结构的计算进行了总结。限于篇幅，尚有以下问题有待进一步探讨：

（1）需考虑大跨超高门式刚架梁柱端板的半刚性连接对整体模型计算的影响。完全刚接节点的设计假定会高估刚架的稳定承载能力，在“门刚规范”所建议的高度和跨度范围内的门刚结构，由于经过大量研究和试验，其计算结果的安全性有一定保证。而超高门式刚架的梁柱线刚度较大，梁柱节点的刚度对刚架稳定承载力的影响程度变大，应特别注意梁柱节点半刚性对刚架稳定承载力的影响[4]。

（2）大跨超高门式刚架需探索结合施工方案强化设计。该类结构在施工过程中，支撑节点仅有安装螺栓，拼接节点高强螺栓未终拧，梁柱翼缘未对焊。且由于构件超高超长，施工过程中仅靠缆风绳等常规手段容易出现施工事故。国内在建门式刚架发生事故一般都集中在高度≥15m的项目。故该类结构需探索结合施工方案强化设计，验算平面外带荷起吊、施工过程平面外稳定计算等工况，以降低风险。

本文中所述工程已建成正常运行三年多。综合而言，本文结合工程实际，对大跨超高门式刚架在污泥处理工程中的应用进行了总结，分析了该类结构的特点、重点、难点，并提出了需进一步探讨的问题，可为该类结构的设计和研究提供参考。

[1]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[2]GB50009-2012，建筑结构荷载规范[S].

[3]GB51022-2015，门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S].

[4]杨翼宾.梁柱节点刚度对门式刚架稳定性的影响 [D].上海：交通大学，2010.

TU328

B

1009-7716（2017）08-0310-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.097

2017-04-20

黄赛帅（1985-），男，上海人，工程师，从事市政工程结构设计研究工作。