某高层钢结构厂房的结构优化设计

2018-10-09张海义

山西建筑 2018年25期

张海义

(南宁市建筑设计院，广西南宁 530000)

1 工程概况

某厂房为丙类生产厂房，平面呈矩形，长×宽为70.7 m×121 m，地上5层，其中首层层高9 m，其余各层层高均为5.4 m，建筑高度32.2 m。该工程结构设计基准期50年，安全等级二级，抗震设防烈度6度，地震分组第一组，场地类别Ⅱ类，场地特征周期0.35 s，抗震设防分类为丙类，50年一遇基本风压0.35 kN/m2。楼层使用活荷载为5 kN/m2。典型柱网尺寸为10 m×10 m。适用的主要钢结构规范为GB 50017—2003钢结构设计规范[1]及JGJ 99—98高层民用建筑钢结构技术规程[2]。根据地方相关政策及业主设计任务书要求，厂房采用钢结构。

2 原结构设计

原设计采用钢框架结构，钢材采用Q345B，采用箱形柱，焊接H型钢梁，钢筋桁架楼承板。典型柱截面由750×750×22×22渐变为400×400×12×12，梁截面见表1，钢筋桁架楼承板板厚为120 mm。局部典型结构平面布置如图1所示。主要的结构整体参数如表2所示。

表1 梁截面尺寸

3 结构优化设计

原设计采用钢框架结构，框架柱截面由刚度比限制，轴压比、强度及稳定应力比均有较大富余。除ZL2外，其余梁应力比比较合理。根据本项目特点，特别是考虑首层层高较高(9 m)，提出采用钢框架—支撑结构的方案，并取得建设方的同意。优化后的设计仍采用箱形柱，焊接H型钢梁，钢筋桁架楼承板。典型柱截面由600×600×18×18渐变为400×400×12×12，梁截面见表3，钢筋桁架楼承板同原设计。增加的支撑采用中心支撑，主要布置在建筑的角部，共设8处，见图2。首层采用十字交叉斜杆，截面为箱形400×400×14×14，其余楼层采用人字斜杆，截面为HW300×300×10×15，支撑立面如图3所示。主要的结构整体参数如表4所示。

表2 钢框架结构整体参数及主要构件应力比

表3 优化后梁截面尺寸

梁编号(部位)ZL1a(X向框架梁)ZL2a(Y向框架梁)CL1a(Y向次梁)截面BH700×330×12×20BH550×200×8×12BH550×200×8×12

表4 钢框架结构整体参数及主要构件应力比

自振周期/s周期平动系数(X+Y)扭转系数T1=2.262%+97%0T2=2.0398%+2%0T3=1.430+0100%周期比Tt/T1=0.63刚度比X方向最小刚度比:1.08>1.0(1F)Y方向最小刚度比:1.21>1.0(1F)刚重比X:16.95Y:13.05楼层抗剪承载力比X:0.96Y:0.95剪重比/%X:0.88Y:0.85地震作用最大层间位移角X:1/1 934Y:1/1 614风荷载最大层间位移角X:1/1 899Y:1/3 002规定水平力最大扭转位移比X:1.26Y:1.19最大轴压比0.57最大质量比1.23框架柱承担的倾覆力矩/%X:47.2;Y:40.3钢柱应力比强度:0.75平面内稳定:0.87平面外稳定:0.81钢梁强度应力比ZL1a0.82ZL2a0.68CL1a0.91

4 对比分析

4.1 结构参数及性能

通过上述周期对比，可以看出优化后的结构刚度更大，两个方向动力特性更加接近，扭转效应也明显降低。

同时，优化后梁柱的应力比也更加经济合理。不过，总体而言前后两个方案刚度都偏大，建筑的位移角远小于规范限值1/250。

钢框架支撑体系是一种理想的抗侧力体系，它是在钢框架体系的基础上演变而来的，即在框架体系中的某一跨或某几跨间，沿框架竖向设置由框架梁、柱和支撑斜杆共同构成的支撑桁架，与钢框架一起共同承担侧向荷载。在水平力的作用下，支撑杆件只承受拉压轴向力，并通过楼板的变形协调与刚接框架共同工作，形成双重抗侧力结构的结构体系[3]。

该体系具有较大抗侧刚度，保证了正常使用极限状态要求，在常遇地震作用下能有效防止非结构构件的破坏[4]。