1000t/800t钢结构重工厂房抗风性能分析

杨 彦

（作者毕业于山东建筑大学土木工程/ 结构工程专业方向，现就职于山东省冶金设计院股份有限公司）

1.前言

通常认为，吊车吨位在100t以上钢结构厂房为重型工业厂房，其中，吊车吨位大于250t为特重型厂房。重型工业厂房的显著特点是吊车吨位大、吊车使用频繁，其建筑平、立面尺寸往往也较大，结构跨度、柱距大，高度高；同时，由于工业的特殊性，工艺对重工厂房的使用空间、结构承受特殊和复杂动力荷载等方面的要求也较高。

目前，我国对重型厂房各方面开展的研究较少，有些研究的理论价值较高，但仅存在于理论层面，在一定程度上脱离了工程实际，可操作性欠佳，应用价值不高。在抗风研究方面，大跨度、超高的重工厂房受风面积大，特别是在A类地面粗糙度地区，风载大大削弱了建筑的整体刚度，对结构的整体稳定性会产生较大的不利影响。过去主要是对一些小型重型厂房的结构受风影响分析，重要性和设计标准都不算太高，而随着一批大型重型厂房的开工建设，使其受风问题变得越来越突出。而国内外目前对这方面的研究也较少，难以为类似工程提供相关经验。

本文采用大型有限元分析软件ANSYS，以山东省东营港开发区绿洲核能装备有限公司的高端石化装备制造项目-重型压力容器车间厂房为例，建立了反映工程实际的三维数值分析模型，研究了风载对结构应力变形的影响。

2.工程概况

山东省东营港开发区绿洲核能装备有限公司的高端石化装备制造项目-重型压力容器厂房车间，建筑平面389m（轴线尺寸）X42m（轴线尺寸），单跨，柱距12m，车间起坡点高度37.5m，屋脊高度39.75m。主体结构采用框排架结构体系，格构式钢管混凝土下柱，实腹式H型钢上柱，实腹式H型钢梁，吊车梁采用焊接H型钢。围护结构采用有檩体系，屋面为现场复合双层压型钢板保温屋面，墙面为单层镀铝锌版。基础为桩基础。

该地区基本风压（50年重现期）为0.5 kN / m2，地面粗糙度类别为A类；基本雪压（100年重现期）0.4 kN / m2，雪荷载准永久值系数分区二；该市的抗震设防烈度为7度（0.15g），设计地震分组第三组；场地类别二类。屋面恒载标准值0.4 kN / m2，屋面活载标准值0.5kN /m2（主要受力构件）。

表1 构件规格表

图1 A区建筑平面图

图2 A区建筑剖面图

图3 A区钢柱及柱间支撑系统

图4 山墙柱间支撑系统

该车间分为A、B、C三个区域，其中A区长156m,B区长144m，C区长84m，在A、B区之间和B、C区之间分别设置2.5m宽（轴线尺寸）的变形缝。本文选取A区为研究对象。A区建筑平面图、剖面图见图1～2。

本工程采用排架结构，格构式圆钢管混凝土下柱、实腹式H型钢上柱，实腹式H型钢梁，抗风桁架，屋面采用了格构式系杆。格构式钢管混凝土柱不但节省了钢材，也减轻了柱本身的重量。钢柱及柱间支撑系统平、立面图见图3～4。

3.工程关键问题分析

重工厂房结构概念设计的关键参数包括吊车吨位、柱距、跨度、轨顶标高等。本工程有大吨位吊车，结构的变形将可能导致吊车梁变形，进而导致吊车无法使用，因此控制侧移是设计的关键问题。

山东省东营市为临海港口城市，基本风压（50年重现期）为0.5 kN /m2，地面粗糙度类别为A类，厂房封闭式结构，结构跨度大（42m），总长达389m，屋面起坡点高度高（达到37m），因此厂房受风面积大，屋面受风载也大；风压高度变化系数大，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）表7.2.1，在30m（Zµ=1.8）～40m（Zµ=1.92）的高度上线性插值取得檐口和屋脊风压高度变化系数Zµ分别达1.89和1.92。厂房结构因风载可能产生的破坏作用将会很大。因此，抗风设计是本工程的根本性工作之一。

4.模型的建立

本工程中格构式钢管混凝土柱为钢管和内填混凝土这两种不同本构关系的材料的组合结构，因此将其分别定义，然后通过GLUE命令组合成一个连续体协同作用。其中，格构式钢管混凝土柱的钢管采用实体单元SOLID 185，该单元是一种采用力与位移混合形状函数的线性单元，可以退化为五面体或者四面体、棱柱体，通过8个节点定义，每个节点有3个沿着X、Y、Z方向平移的自由度，可以用来构造三维固体结构。这个单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大变形和大应变等的能力，还可以采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料。该单元不允许零体积单元，在本例中，将SOLID 185单元定义为各向同性材料，单元坐标系为全局坐标系，不考虑温度作用。

型钢抗风柱、结构支撑系统也采用实体单元SOLID 185定义。

格构式柱钢管内填充混凝土采用实体单元SOLID 65。该单元具有8个节点，每个节点具有X、Y、Z三个方向的自由度，用来构造含筋或不含筋的混凝土实体模型，可以用其实体性能模拟混凝土，用加筋性能模拟钢筋作用。这一实体模型具有拉裂和拉碎的性能。其最重要的方面在于对材料非线性的处理，可以模拟混凝土的开裂、压碎、塑性变形和徐变，以及钢筋的拉伸、压缩、塑性变形和蠕变，但是无法模拟钢筋的剪切性能。在本例中，将SOLID 65单元定义为各向同性材料，不考虑温度作用和应力松弛。

厂房主体采用排架结构，屋面钢屋架,插入式柱脚，柱顶铰接,柱底刚接。

模型的建立采用直接建立有限元模型的方式，通过建立节点与单元，直接生成有限元模型。然后进行网格的划分和加载求解，最后做通用后处理。实体模型如图5。

图5 A区厂房实体模型

4.1荷载工况

分顺风(风向平行于厂房纵向)、横风(风向垂直于厂房纵向) 两种。

4.2厂房使用和空载

4.2.1厂房在投入使用时，所有的吊车都处于一个区间（两对排架柱之间）满载运行，对厂房在顺风、横风的风荷载作用下分别进行分析。

4.2.2厂房空载时，对厂房在顺风、横风的风荷载作用下分别进行分析。

风荷载标准值按 wK=βZµSµZW0计算，其中：

a.本工程高宽比小于1.5，不考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响，βZ=1.0。

b.山东省东营市为沿海城市，地面粗糙度类别A类，厂房起坡点高度37M，屋脊顶高39.75M，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）表7.2.1，在30m（Zµ=1.8）～40m（Zµ=1.92）的高度上线性插值取得Zµ分别为1.89和1.92。

c.风载体型系数按《建筑结构荷载规 范》（GB50009-2012） 表7.3.1封闭式双坡屋面取值，迎风面 µS=0.8，背风面 µS=-0.5，屋侧-0.7，屋面迎风面-0.6，屋面背风面-0.5。

d.计算各风载标准值如下

迎风面风压：

屋面荷载基本组合：风载起控制作用；屋面恒载对屋面抵抗风吸力有利；使用年限为50年，调整系数1.0；积雪沿全跨均匀分布。取1.0X恒+1.4X（屋面活+风吸）。

5. ANSYS分析结果

采用钢结构中自适应型自动网格划分技术对厂房模型进行网格划分。划分得到节点共537414个，单元共266643个。柱顶位移限值取厂房柱高的1/500=2‰。

厂房结构风荷载作用下分析的结果总结如下（见表2）。

5.1顺风荷载作用下，空载和满载时的最大应力均发生在抗风桁架与吊车梁相接节点处或最大吊车荷载作用处。顺风时，风载主要由山墙抗风系统承担，本工程抗风系统采用了抗风桁架加抗风柱的结构形式，抗风桁架将风载分配至抗风柱和山墙排架柱。这与常规排架系统的抗风理论是一致的。

5.2顺风荷载作用下，除吊车作用力产生较大应力值外，因顺风荷载产生的应力值基本一致，在183MPa～187MPa。

5.3顺风荷载作用下，厂房在空载、满载的时候，产生最大的变形位移基本相同，均在56mm～60mm之间，而且最大值均位于厂房顶部。这与常规排架系统的抗风理论也是一致的。

5.4横风荷载下，空载时最大应力发生在柱脚位置。排架系统柱脚与基础刚接，柱顶与屋架铰接，水平风载作用下最大弯矩发生在刚接柱底。这与常规排架系统的抗风理论也是一致的。

满载时，最大应力发生在最大吊车荷载作用处或柱脚，这取决于吊车最不利荷载的作用位置，这与常规排架系统的抗风理论也是一致的。

表2 厂房结构风载作用下分析结果汇总

5.5横风荷载下，除吊车作用力产生较大应力值外，因横风荷载产生的应力值基本一致，在136MPa-137MPa。

6. 结论及建议

6.1顺风荷载作用下，空载和满载时的最大应力均发生在抗风桁架与吊车梁相接节点处或最大吊车荷载作用处。

顺风荷载作用下，厂房在空载、满载的时候，产生最大的变形位移基本相同，而且最大值均位于厂房顶部。

6.2横风荷载下，最大应力发生在最大吊车荷载作用处或柱脚。

6.3山墙抗风柱+抗风桁架+钢管混凝土柱钢梁排架组成的抗风系统是可靠的，但是在钢管混凝土下柱与H型钢上柱的连接部位是薄弱环节，在设计中应给于重视，应采取合理的连接方式和加强措施，减小连接部位的截面突变导致的应力集中。

6.4抗风桁架减小了抗风柱的平面外计算长度，风载通过抗风柱传给排架柱，再传至柱脚，无论是否采用支撑体系，刚接柱脚弯矩都最大。因此在设计中，对跨度大、高度高、受风面积大的钢结构厂房应采用插入式柱脚，并重视基础杯口顶部柱脚的加强。

6.5排架结构柱顶铰接，在水平风荷载作用下，柱顶侧移最大。因此，应采取有效的措施减小柱顶侧移。

6.6本文风载按照均布荷载输入，没有建立风场。在今后设计中，如能提取有代表性的厂房，建立风场建模计算，将结果作分类汇总，对风灾严重地区的大跨钢结构厂房设计将有重大的指导意义。