大跨度重载超长工业建筑结构设计与分析

贺星新 余 露 朱金坤 刘 斌

（南京市建筑设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210014）

0 引言

工业生产车间建筑结构具有大跨度、超长、重荷载、层高高、工艺要求高等特点，本文根据工程项目特点结合规范要求，通过合理设置结构抗震缝、比选楼盖结构布置方案、楼盖结构温度应力计算，提出针对性的构造设计和措施，以实现建筑使用性能优、结构整体经济性好、安全可靠的目标。

1 建筑结构概况

现代工业厂房受设备工艺及生产流程等因素影响，尤其是信息电子生产组装、汽车生产车间等建筑，因功能布局要求，具有柱网跨度大、空间广、不设缝、荷载大且楼面振动（微振）控制要求高等特点。此类建筑结构设计时一般均采用大跨度、承重荷载性能优的超长混凝土结构（见图1）。本文分析研究的结构为某汽车产业园建设项目中的汽车生产车间，项目总建筑面积约16万平方米，包含7个单体，其中办公楼一栋，其余为汽车配件生产工业建筑。本文以其中一栋大型零件生产车间为例，车间无地下室共3层，总高21.450 m，建筑平面尺寸为120m×120m，一至三层为工业生产车间，屋面为停车场。建筑北侧设计有两个配合生产及屋面配套使用的汽车坡道。

图1 生产车间结构分析三维模型示意图

由图1可知，该生产车间结构体系采用钢筋混凝土框架结构。标准柱跨距为20m，整体平面柱网尺寸X向为6×20m，Y向为6×20m，建筑平面尺寸约120m，属于超长结构。建筑层高从下而上分别为9.450m、6.0m、6.0m；楼面荷载根据生产工艺要求，活载不小于10kN/m2，远大于《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）中一般工业厂房楼面荷载4.0kN/m2的要求，屋面按照单层停车场要求活载取值4.0 kN/m2设计；根据建筑面层做法楼面及屋面附加恒载取值2.5 kN/m2及5.0 kN/m2。工程所在地区地震设防烈度为7度（0.1g），地震分组为一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s。结构具有跨度大、楼面活载大，平面尺寸超长等特点，且生产工艺要求较高，对结构设计提出了一定的要求。

2 结构布置及楼盖结构布置方案比选

为提高项目经济性，考虑生产设备存在循环振动荷载，楼盖结构设计选择采用普通钢筋混凝土框架结构。楼盖混凝土强度等级为C35，平面柱网较为标准，标准柱网尺寸为20m×9m，由于柱网两方向尺寸相差较大，对楼板传力接近于单向板受力，为优化楼面布置，对结构标准柱网进行两种结构布置方案比选：方案一，单向双次梁结构；方案二，单向单次梁结构；楼盖方案示意图见图2。

图2 标准柱网楼盖比选方案示意

根据经验，大跨度结构的竖向荷载一般为控制工况，高强钢筋对控制结构施工质量及减少梁截面钢筋量有较好的效果，目前市场中HRB500强度以上的钢筋供货紧张且单价较高，故另增加进行梁纵向受力钢筋等级分别采用HRB400及HRB500方案设计，并进行用钢量比较分析。采用PKPM-SATWE软件，对两种次梁布置方案在相同实际楼面恒活载作用下的截面及配筋设计，主要梁板构件设计尺寸及单位面积用钢量比较结果如表1所示。

表1 不同楼盖方案主要构件尺寸及用钢量结果表

通过比较楼盖布置方案的钢筋及混凝土用量，方案一：单跨双次梁方案的综合用钢量及混凝土用量更优，经济性更好，且大跨梁高相对较小，增大了生产空间的净高，故工程实际设计时采用标准柱网单跨双次梁方案布置。

基于结构梁纵向受力钢筋采用不同强度等级钢筋设计的分析结果对比，梁纵向受力钢筋采用高强钢筋HRB500，能较为明显地控制结构用钢量，减小纵筋配筋数量，便于现场混凝土施工质量的控制，但由于高强钢筋HRB500价格略高于HRB400，对于非纵向受力钢筋：如梁箍筋、楼板钢筋及梁构造架立钢筋等钢筋采用HRB400有效的控制成本，结果表明，对梁纵向受力钢筋直径18mm及以上钢筋采用HRB500钢筋，经济性更优且便于现场施工管理控制。

3 结构布置及结构缝布置分析

建筑功能需要在建筑平面北侧布置有两个汽车坡道，结构布置平面示意详图3，由于北侧汽车坡道布置采用梁板式结构，抗震设计框架结构时须考虑斜撑构件或楼梯构件等对结构刚度的影响。针对坡道结构与主体结构是否设置结构缝进行两种方案对比：方案A，坡道结构与主体结构不分缝；方案B，坡道结构形成单独结构体与主体结构脱开；结构缝示意详图3中虚线。采用PKPM-SATWE软件对两种结构布置方案进行整体对比分析，两种方案计算指标结果的结构质量比、最小剪重比、刚重比、层刚度比及层受剪承载力比等均满足规范要求，其他主要整体指标计算结果见表2。

图3 车间结构平面示意图

表2 坡道分缝与不分缝结构方案计算整体指标对比表

主体结构下无地下室结构，首层不设置结构板，在原状土上分层压实后浇筑适当厚度的建筑地坪，以满足首层设备安装及使用要求。基础顶面标高设置在首层地面下800mm处，竖向结构层高分布分别为10.25m、6.0m、6.0m，竖向层高变化较大，首层容易形成薄弱层或软弱层，设计时将首层框架柱加大至1100mm×1100mm，二层楼面以上框架柱截面尺寸为800mm×800mm及700mm×700mm，有效控制首层刚度比及受剪承载力比等指标，使得单体结构刚度和受剪承载力沿高度防线均匀变化，层间刚度比及受剪承载力比满足《抗规》要求。

基于不同结构分缝方案的结果分析，坡道与主体结构不分缝时，由于坡道梁对结构整体的斜撑刚度贡献，结构整体指标中最大层间位移比与最大位移比均大于1.40，接近规范限值，结构平面扭转不规则，且对主体结构框架梁柱配筋影响较大，主体结构与坡道交界处的竖向构件形成错层，对结构抗震不利。而结构设缝方案计算结果中，整体指标均满足《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010(2016年版)的要求，结构不存在不规则项情况。分析结果表明：坡道结构与主体结构设置抗震缝，形成独立的结构单元的方案进行设计分析，竖向刚度变化均匀，平面规则且对称，满足相应结构设计规范要求，结构安全可靠，布置合理，具有一定的结构刚度及承载力。

4 裂缝控制及温度应力计算分析

本工程由于工艺要求生产车间内不得设置结构缝，结构平面尺寸约120m×120m，远大于《混凝土结构设计规范》GB500010-2010(2015年版)中框架结构设伸缩缝最大长度55m的限值。超长结构收缩裂缝及温度裂缝主要受施工过程中混凝土构件收缩变形及使用阶段建筑内整体升降温工况及室内外温度差等不利情况影响。因此设计时结合实际工程情况，为减小施工阶段混凝收缩变形对结构的不利影响，设计时主要采取以下施工或设计构造措施：

（1）设置施工温度后浇带，结构平面两个方向分别设置两道宽度为800mm的后浇带；

（2）采用补偿收缩混凝土，在混凝土中加掺入合适比例的膨胀外加剂或聚丙烯纤维等；

（3）适当加强楼板及框架梁的拉通钢筋配筋率等。

本工程采用PMSAP软件对超长结构在用阶段整体升降温度应力分析，楼板采用弹性模定义，升降温差采用±25℃，混凝土构件效应折减系数为0.30，弹性模量折减系数为0.80，并考虑温度工况荷载组合下的楼板温度应力分析，楼板设计时根据楼板温度分析结果及非温度组合工况包络配筋，楼板应力控制目标为楼板温度作用下的主应力不大于混凝土抗拉强度设计值ft=1.57MPa。

分析结果表明，支座负筋配筋以竖向荷载组合控制工况，而温度应力主要影响跨中区域及单向板的长跨方向楼板钢筋配筋，为抵抗温度应力，适当加大单向板分布及拉通钢筋配筋率，实际设计时按照板顶拉通钢筋及分布钢筋配筋率为0.2%进行楼板设计，并考虑实际建筑开窗面积较大，近外墙结构柱跨内的楼板温差变化比建筑中部楼板明显，周边柱网楼板、楼电梯洞口周边楼板配筋率相应加大至0.25%～0.30%双层双向拉通配筋[1-2]。

5 结束语

综合本文对大跨度、重荷载、超长生产车间的混凝土结构设计与分析，主要结论如下：

（1）对大跨结构合理选用高强钢筋，并控制高强钢筋比例，能有效控制结构构件尺寸及项目成本。

（2）在此类功能单一的工业建筑结构设计时，选择合理的结构布置及结构缝设置，平面结构布置宜简单、均匀对称。

（3）超长结构采用分区域浇筑施工，采用补偿收缩混凝土，结构平面分区域、分方向配置楼板拉通钢筋等措施，可有效控制楼板温度应力并减小混凝土收缩应力。