煤厂钢结构主厂房结构设计要点分析

丁海方

(中煤天津设计工程有限责任公司,天津 300120)

1 工程概况

厂房建筑高度21.8 m，设置一台20/5 t桥式起重机，下部各层布置有工艺设备，楼面板采用钢格栅板。厂房三维空间布置如图1所示。

图1 厂房三维空间简图

2 计算模型建立

2.1 建模注意问题

(1) 计算分析模型建立的正确与否对后续的构件设计非常关键，由于PKPM-SATWE模块是基于层概念来进行模型建立。其风荷载倒算是搜索计算模型每一层的外围轮廓然后按照其侧向投影面进行倒算。由于顶部带坡屋面的存在，层高输入时应以屋脊处最高点作为层高输入，檐口处的柱顶通过降低节点高度的办法来建立坡屋面，这样就能避免风荷载倒算时的错误。

(2) 屋面结构一般均采用的是轻质的压型钢板或者彩钢夹芯板屋面，在屋面恒载输入时应注意程序默认的导荷方式为45°塑性角导荷，与实际的屋面板通过檩条向屋面梁的传递方式不一致，需要人工修改导荷方式为对边传导。

(3) 屋面系杆输入时应注意，屋面系杆如按照斜杆方式输入，PKPM-SATWE程序无法识别屋面边界,无法形成屋面封闭以致无法导算荷载，因此系杆应按梁单元输入，这样程序才能正确识别并形成闭合的屋面板，才能正确地倒算传递屋面荷载[1]。

2.2 荷载输入注意问题

(1)对于自定义的恒载属性的设备荷载程序进行计算时，当考虑施工顺序模拟时其是在整体结构刚度矩阵形成后的一次性加载，与实际情况较为符合。如不自定义为恒载工况，按普通恒载且考虑施工模拟时，这时候是在结构每一层形成刚度矩阵后加载荷载，这种模式一般适用于高层建筑或者层比较明显的结构，但对于选煤厂主厂房这种结构则不适用。

(2) 对于风荷载输入问题，一般的结构我们按照软件默认的参数风计算即可，但是对于这种厂房结构，由于顶部为门式刚架结构存在坡屋面，需要考虑风吸力作用，这种情况下普通的参数风就不能完全适应，需要对风荷载进行精细化处理。可以采用程序内置的特殊风荷载来考虑[2]。

(3)风荷载倒算过程中应注意程序提供了传统方式和精细方式两种风荷载倒算方式，如图2所示。

图2 特殊风计算时倒算的两种方式

这两种方式的主要区别是:传统方式将结构迎风面或者背面的风压或者风吸力以节点荷载的方式倒算到结构抗侧力构件的各个节点上，如有刚性板存在则直接施加到质心上；精细方式是将结构迎风面或者背面的风压或者风吸力以均布荷载的方式倒算到结构抗侧力构件上。一般情况建议采用精细方式进行风荷载倒算，对于柱构件来说这两种导荷方式区别很大，以一个高L的单柱来说明这个问题。传统方式倒算风荷载产生的弯矩作用为P×L，P基本风压×风荷载导荷面积，L为柱高；精细方式倒算风荷载产生的弯矩作用为0.5×q×L2，q=基本风压×风荷载导荷面积，L为柱高。可以看出,对于柱来说,不同的倒算方式产生的作用差别很大。

3 计算设计中需注意的要点

3.1 结构类型的准确定义

这种类型的钢结构厂房,严格来说在规范中并没有严格符合的结构类型，相对来说其与多层钢结构厂房符合度较高，如长细比控制、宽厚比、强柱弱梁调整这些指标，因此在结构类型选择时应注意按照多层钢结构厂房进行控制。

3.2 构件类型的准确定义

对于下部的框架结构部分，一般情况下程序都能正确识别，无须人工干预，但是对于顶部的门式刚架部分，计算程序是无法正确识别的，需要设计人员进行人工指定。特别是对于门式钢梁一定要进行人工指定，否则计算程序按照《钢结构设计标准》中的纯弯构件进行设计验算，将构件中的轴力丢掉，只进行受弯承载力验算。应当指出，对于门式钢梁，由于屋面存在一定坡度，梁构件中往往存在轴力，这与普通平层结构由于有楼板的约束一般梁构件中的的轴力很小可忽略不计的情况不同，如果忽略，对于梁构件的安全度降低太多，同时门式钢梁一般为了考虑经济性都做成了变截面形式，这时候《钢结构设计标准》中的受弯构件稳定验算公式就不太适用了，应按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》中的变截面梁的稳定承载力验算公式进行验算[3]。

3.3 柱计算长度的准确指定

下部框架部分计算程序根据梁、柱线刚度比(《钢结构设计标准》附录D)计算得到柱的计算长度系数，一般情况下无须人工干预。但顶部的门式刚架部分，计算程序仍然按照上述办法进行柱的计算长度系数倒算，就会产生很大问题。首先顶部钢梁一般情况下为变截面钢梁(《钢结构设计标准》附录D)，对于这种情况完全不适用，线刚度会按照取平均的办法进行计算，这样得出的结果一般是错误的。同时，由于面外方向为两端铰接的系杆，铰接杆件对柱面外方向的约束基本为0，这样程序就会得出一个很大的计算长度系数，这与实际情况是不符合的。实际上，门式刚架的面外方向是通过刚性系杆加柱间支撑的桁架体系来传递面外方向的荷载并提供面外支撑刚度，而三维计算分析时计算程序是无法识别这种情况的，因此需要设计人员人工干预。一般采用的办法是根据顶部门式刚架部分的梁柱断面建立一榀二维门刚模型计算得到长度系数。

上述办法仅仅适用于下部框架比较规则的情况，如果工艺布置的原因导致结构中存在大量的跃层柱、大开洞、错层等情况，实际上是不适用的。传统的计算长度系数办法，也就是《钢结构设计标准》附录D提供的办法只适合柱距规则、各个柱之间的荷载较为均匀的情况，当柱距不规则、层不明显、各个柱间荷载差距较大时，应用梁柱线刚度比的办法来模拟梁对柱的约束，或者各个柱之间互相提供约束的办法来计算构件的稳定，以保证整体结构的稳定，已经无法得出准确的结构的稳定承载力。

4 结束语

本文为笔者在实际工作中进行此类结构的建模分析设计时对于一些建模、计算、设计过程的疑惑或者注意要点的一些体会，可为其他设计人员使用软件和理解规范提供一定的帮助，不当之处和不足之处希望广大同行予以批评指正。