立式工业厂房不同结构体系综合效益的比较分析*

胡晓文 聂 鑫

(1.清华大学土木工程系，北京 100084；2.清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084)

目前我国经济正在飞速发展，传统立式工业厂房的建设规模不断扩大，对结构形式的要求也在逐步提高[1]。传统立式工业厂房过去多采用钢筋混凝土结构形式，其侧向刚度大，价格较低，缺点是质量大、施工工期长、易开裂等。随着我国经济水平和钢产量的大幅提高，钢结构体系在传统立式工业厂房中逐渐得到应用，其特点是施工速度快，但侧向刚度小，用钢量偏大。

近年来，传统立式工业厂房呈现出荷载等级不断提高和跨度逐渐增大的发展趋势，同时对建筑的经济性和综合效益越来越重视，钢筋混凝土结构形式和钢结构形式已经逐渐不能满足设计、建造和使用的要求[1]。与钢结构和钢筋混凝土结构相比，钢-混凝土组合结构优势显著，造价比钢结构低，侧向刚度比钢结构大，施工性能和抗震性能优于钢筋混凝土结构[2-5]。立式粮仓厂房需要进行粮食的堆放、储存，储粮层承受荷载较重，可达30 kN/m2，采用钢-混凝土组合结构形式会带来更好的综合效益。

在进行立式工业厂房结构设计时，要对各种结构体系的综合效益进行分析比较，包括构件尺寸、有效使用空间、工程造价、使用性能、抗震性能等。为此，本文以海南省某粮仓厂房结构为研究背景，首先通过MIDAS.GEN和PKPM对粮仓进行钢筋混凝土结构、钢结构和钢-混凝土组合结构的方案设计，并对三种不同的结构体系进行经济指标分析；然后采用基于 MSC.MARC 平台开发的组合结构体系非线性分析程序 COMPONA-MARC建立杆系模型，开展推覆荷载下的静力弹塑性分析和地震作用下的动力弹塑性分析。通过研究该粮仓厂房结构体系的技术经济性能、抗推覆性能和抗震性能，分别对钢筋混凝土结构、钢结构及钢-混凝土组合结构方案进行对比，为立式工业厂房的设计提供参考。

1 工程概况

1.1 结构设计概况

拟建粮仓厂房共四层，首层层高9 m，二层层高6 m，三层层高6 m，电梯机房层高4.5 m，结构总高度25.5 m。框架结构长50.1 m，宽36.6 m，楼盖总面积1 833.66 m2。其中，首层和二层跨度11.1 m，三层跨度18.3 m，电梯机房跨度9.6 m。结构的立面布置如图1所示。

图1 粮仓厂房框架的立面布置 mmFig.1 The elevation layout for a granary workshop

1.2 结构设计荷载

拟建粮仓厂房首层、二层为储粮层，楼面恒载2 kN/m2，楼面活荷载考虑储粮荷载较大，取为30 kN/m2；屋面恒载4 kN/m2，屋面活荷载考虑电梯机房和其他屋面区域的功能差异，荷载取值分别为7 kN/m2及2 kN/m2；电梯机房楼面恒载4 kN/m2，楼面活荷载取为2 kN/m2。各设计取值均满足相应设计标准要求[6-7]。

1.3 结构设计标准

拟建粮仓厂房框架结构设计基准期为50 a，设计使用年限50 a。建筑的结构重要性系数为1.0，周期折减系数为0.7。抗震设防类别为丙类，抗震等级为三级，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.30g，设计地震分组为第二组。建筑场地类别为Ⅱ类。

2 结构方案设计

2.1 钢筋混凝土结构设计方案

传统多层粮仓厂房都是钢筋混凝土框架结构，按照传统设计思路，首先进行钢筋混凝土结构方案的设计。混凝土采用C40，钢筋采用HRB400。首层、二层楼板板厚160 mm，三层、电梯机房楼板板厚140 mm。混凝土楼板、梁和柱的钢筋配置均根据PKPM设计结果予以适当的简化。各层构件布置分别如图2～4所示，各层构件的截面尺寸分别如表1和表2所示。

图2 钢筋混凝土结构首层、二层平面布置 mmFig.2 The plan layout for the first and second floors of the concrete structure

图3 钢筋混凝土结构屋面平面布置 mmFig.3 The plan layout for the roof of the concrete structure

图4 钢筋混凝土结构电梯机房层平面布置 mmFig.4 The plan layout for the lift room floor of the concrete structure

表1 混凝土矩形框架梁截面尺寸Table 1 Sectional dimensions for concrete rectangular beams mm

表2 混凝土矩形框架柱截面尺寸Table 2 Sectional dimensions for rectangulan concrete columns mm

2.2 钢结构设计方案

由于钢筋混凝土框架结构的方案结构截面尺寸大，质量大，加上近年来又在大力提倡发展钢结构，现进行钢结构方案的设计。钢框架结构采用矩形钢管柱、焊接工字形钢梁，钢材强度等级为Q345。首层、二层楼板板厚160 mm，板顶负筋为双向φ12@200，上部分布筋为φ6@110，下部垂直桁架方向受力筋为通长φ12@200。三层、电梯机房楼板板厚140 mm，板顶负筋为双向φ8@200，上部分布筋为φ6@130，下部垂直桁架方向受力筋为通长φ8@200。采用φ16圆柱头栓钉，每根钢梁上布置两列，横向间距70 mm，纵向间距 200 mm。各层构件布置分别如图5～7所示，各层构件的截面具体尺寸分别如表3和表4所示。

表3 钢结构工字形钢梁截面尺寸Table 3 Sectional dimensions for steel I-beams of the steel structure mm

表4 钢结构框架柱截面尺寸Table 4 Sectional dimensions for columns of the steel structure mm

图5 钢结构首层、二层平面布置 mmFig.5 The plan layout for the first and second floors of the steel structure

图6 钢结构屋面平面布置 mmFig.6 The plan layout for the steel structure roof

图7 钢结构电梯机房层平面布置 mmFig.7 The plan layout for the lift room floor of the steel structure

2.3 钢-混凝土组合结构设计方案

由于钢结构方案用钢量大，经济性差，故在此基础上作进一步优化，进行钢-混凝土组合结构方案设计。钢-混凝土组合结构框架采用矩形钢管混凝土柱，框架梁采用焊接工字形钢梁。钢材强度等级为Q345，混凝土采用C40级。首层、二层楼板板厚140 mm，板顶和板底均配置双向φ14@80纵向钢筋，栓钉高100 mm。三层、电梯机房楼板板厚120 mm，板顶和板底均配置双向φ12@100纵向钢筋，栓钉高80 mm。采用φ16圆柱头栓钉，每根钢梁上布置三列，横向间距90 mm，纵向间距 100 mm。各层构件布置分别如图8～10所示，各层构件的截面具体尺寸分别如表5和表6所示。

表5 工字形组合梁截面尺寸Table 5 Sectional dimensions for composite I-beams of the composite structures mm

表6 组合结构框架柱截面尺寸Table 6 Sectional dimensions for columns of the composite structure mm

图8 组合结构首层、二层平面布置 mmFig.8 The plan layout for the first and second floors of the composite structure

2.4 方案技术经济指标分析

2.4.1质量比较

统计上述立式粮仓厂房钢筋混凝土结构、钢结构和钢-混凝土组合结构所受重力，结果如表7所示。对比表明，相比钢筋混凝土结构，钢-混凝土组合结构框架质量降低56.7%；而相比钢结构，钢-混凝土组合结构框架质量降低10.7%。

图9 组合结构屋面平面布置 mmFig.9 The plan layout for the composite structure roof

图10 组合结构电梯机房层平面布置 mmFig.10 The plan layout for the lift room floor of the composite structure

2.4.2用钢量比较

统计钢结构和钢-混凝土组合结构方案的结构整体用钢量，结果如表8所示。相比钢结构，钢-混凝土组合结构用钢量减少23.7%。

表8 结构用钢量统计Table 8 Statistics of structure steel consumption t

统计钢结构和钢-混凝土组合结构方案的钢梁用钢量，结果如表9所示。相比钢结构，钢-混凝土组合结构钢梁用钢量减少21.6%。

表9 梁用钢量统计Table 9 Statistics on steel consumption of beams t

表7 框架结构整体质量统计Table 7 Overall weight statistics of the frame structures t

统计钢结构和钢-混凝土组合结构方案柱的用钢量，结果如表10所示。相比钢结构，钢-混凝土组合结构柱的用钢量减少27.8%。

表10 柱用钢量统计Table 10 Statistics on steel consumption of columns t

2.4.3主梁高度比较

统计钢结构、钢-混凝土组合结构和钢筋混凝土结构设计方案中储粮层和屋面横向主梁的高度，结果如表11所示。相比钢筋混凝土结构，钢-混凝土组合结构框架的横向主梁高度首层、二层降低46.4%，三层降低33.3%；相比钢结构，钢-混凝土组合结构的横向主梁高度首层、二层降低16.7%，三层降低25.0%。

表11 结构横向主梁高度比较Table 11 Height comparisons of transverse main beams mm

统计钢结构、钢-混凝土组合结构和钢筋混凝土结构设计方案中储粮层和屋面纵向主梁的高度，结果如表12所示。相比钢筋混凝土结构，钢-混凝土组合结构的纵向主梁高度首层、二层降低25.0%，三层降低42.9%；相比钢结构，钢-混凝土组合结构的纵向主梁高度首层、二层降低13.3%，三层降低38.5%。

表12 结构纵向主梁高度比较Table 12 Height comparisons of longitudinal main beams mm

从上述对钢筋混凝土结构、钢结构和钢-混凝土组合结构设计方案的经济指标统计和分析可知：与钢筋混凝土结构方案相比，采用钢-混凝土组合结构方案，能够有效地减小构件的截面尺寸、增加有效使用空间以及显著地降低结构质量；与钢结构方案相比，可以明显地降低用钢量等，综合效益显著。这是因为钢-混凝土组合结构能够充分发挥混凝土和钢材各自的材料性能，钢梁和混凝土翼板通过栓钉形成整体共同受力[1]，组合梁截面整体受弯，增大了截面的弯曲刚度，提高了截面的抗弯承载力。

3 结构分析计算方法

首先，基于设计软件MIDAS.GEN对立式粮仓厂房框架结构进行弹性设计分析，计算不同荷载组合作用下的结构设计内力。接下来，通过设计软件PKPM对结构构件进行配筋，并统计三种设计方案的结构自重、用料情况以及主梁高度等参数。然后，基于有限元计算软件MSC.MARC进行推覆荷载下的静力弹塑性分析和地震作用下的动力弹塑性时程分析，考察不同的立式粮仓厂房框架结构在推覆荷载和地震作用下的整体侧移和层间变形，以及极限状态下结构的出铰情况和破坏模式等。

结构的分析计算采用清华大学组合结构课题组基于MSC.MARC平台开发的非线性分析子程序包COMPONA-MARC。在建立非线性纤维梁柱模型时，楼板平面内变形按刚性楼盖假定考虑，楼板平面外变形对结构性能的影响采用考虑楼板空间组合效应的杆系模型来模拟[8-9]。

采用文献[10]中建立的非线性单轴材料本构关系，其中混凝土材料模型可考虑多次加、卸载后强度和刚度的退化行为；钢材和钢筋模型能够合理地考虑其在往复荷载作用下的包辛格效应。此杆系模型能够准确反映结构在地震作用下的非线性滞回性能，其精度和数值稳定性已得到验证[11-15]。

对结构进行静力推覆分析时，采用基于多点位移控制的位移推覆方法[16]。该方法通过附加刚性位移约束方程，确保各层水平荷载按恒定比例分布，并且能够实现在结构从弹性阶段发展到最终完全失去水平承载力时的全过程分析，因此可以作为结构倒塌分析的有效手段。

模拟中采用分布质量模型，将每个梁格内楼面的重力荷载代表值按照45°方向分配到周边梁上，并换算成梁单元的密度。次梁与框架梁铰接，参与结构的竖向受力。

4 计算结果及分析

4.1 方案力学性能比较

选取三种结构方案同一位置的梁和柱，对比不同的结构形式在竖向荷载作用以及罕遇地震作用下的钢材或者钢筋应力值，结果如表13、14所示。所选取梁和柱的位置见图2、5、8红色标志处。

表13 竖向荷载作用下结构构件应力值Table 13 Stress values of structural members under vertical loads MPa

由上述三种结构方案的对比结果可知，在竖向荷载和地震荷载作用下，钢筋混凝土结构、钢结构和钢-混凝土组合结构的构件处于大致相当的应力控制水平之下。

4.2 静力推覆分析

4.2.1全过程曲线分析

采用倒三角荷载模式，对上述立式粮仓厂房的三种框架结构体系进行有限元模型研究，得到的静力推覆全过程曲线如图11所示。与钢筋混凝土结构相比，钢-混凝土组合结构的承载力显著提高，并且表现出良好的延性；而与钢结构相比，钢-混凝土组合结构刚度更大，承载力更高。

表14 罕遇地震(Taft波)作用下结构构件应力值Table 14 Stress values of structural members under rare earthquake loads MPa

组合结构；钢结构；混凝土结构。图11 静力推覆全过程曲线Fig.11 Whole process curves of pushover analysis

4.2.2结构破坏形式

a—钢筋混凝土结构-Y向；b—钢结构-Y向；c—钢-混凝土组合结构-Y向。柱端出铰；梁端出铰。图12 结构初始出铰分布Fig.12 Initial hinge distribution of the structure

定义出铰为组合梁纤维截面的外边缘纤维屈服[14]，结构进入弹塑性状态时的初始出铰位置分布如图12所示。钢筋混凝土结构进入弹塑性状态时，底层为柱端先出铰，不满足“强柱弱梁”的设计目标。这是由于在进行钢筋混凝土结构方案设计时，参考的GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[7]中有关柱轴压比的规定限值偏高，因此设计出来的柱截面尺寸偏小；加之粮仓结构承受的荷载大，设计的框架梁尺寸较大，形成“强梁弱柱”的局面[17]，导致在罕遇地震下钢筋混凝土结构的梁构件不会屈服。钢结构底层有一部分为柱端先出铰，另外一部分为梁端先出铰。钢-混凝土组合结构底层均为梁端先出铰，使梁成为第一道有效的抗震防线。

结构极限状态下塑性铰的分布如图13所示。钢筋混凝土结构进入弹塑性状态时均为柱端出铰，钢结构和钢-混凝土组合结构梁端和柱端均有出铰。纵观结构的塑性发展过程，钢结构柱端出铰大部分先于梁端出铰，而钢-混凝土组合结构在各层均为梁端出铰先于柱端出铰。

a—钢筋混凝土结构-Y向；b—钢结构-Y向；c—钢-混凝土组合结构-Y向。柱端出铰;梁端出铰。图13 结构最终出铰分布Fig.13 Final hinge distribution of the structure

综合上述分析可知，立式粮仓厂房采用钢-混凝土组合结构体系能够在结构各层中均形成两道抗震防线，与钢筋混凝土结构和钢结构相比，结构的整体抗倒塌能力得到大幅提高。

4.3 动力弹塑性时程分析

4.3.1地震波选取与输入

根据 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[18]要求，选取了3组地震波(El Centro波、Taft波和Bonds波)，采用X、Y向输入，地震波峰值加速度之比为1∶0.85。图14为计算选取的地震波时程曲线，其中El Centro波和Taft波持时为55 s，Bonds波持时为35 s。由于该粮仓厂房结构的设防烈度为8度(0.30g)，因此多遇地震的峰值加速度为110 cm/s2，罕遇地震的峰值加速度为510 cm/s2。

El Centro;Taft；Bonds。图14 地震波加速度时程曲线Fig.14 Time-history curves of acceleration for seismic waves

El Centro波;Taft波；Bonds波；GB 50011—2010反应谱。图15 地震波反应谱曲线Fig.15 Response spectrum curves of seismic waves

计算选取的地震波反应谱曲线如图15所示，可见钢筋混凝土结构模型的1阶自振周期(0.325 s)在GB 50011—2010中的地震影响系数曲线与用于主方向输入的Taft波的地震影响系数曲线对应的影响系数较为接近，且后者略大；钢-混凝土组合结构模型的1阶自振周期(1.081 s)和钢结构模型的1阶自振周期(1.128 s)的地震影响系数曲线与用于主方向输入3条地震波的地震影响系数曲线对应的影响系数都较为接近。3种结构形式的阻尼比均取为5%。

4.3.2结构响应时程

在罕遇地震作用下，X方向的结构位移响应较大，该方向不同结构体系的顶层位移时程曲线如图16所示。钢-混凝土组合结构在3条地震波作用下的位移响应与钢结构均基本相等且前者略小；钢筋混凝土结构在El Centro波和Bonds波作用下的位移响应明显大于钢结构和钢-混凝土组合结构，而在Taft波作用下的位移响应略大于钢结构和钢-混凝土组合结构。

a—El Centro波；b—Taft波；c—Bonds波。钢结构;钢-混凝土组合结构；钢筋混凝土结构。图16 顶层位移时程曲线Fig.16 Time-history curves of displacement on the structure top

对时程波作用下各层的层间位移角取包络，结果如表15所示。在多遇地震和罕遇地震作用下，钢筋混凝土结构的变形明显大于钢结构和钢-混凝土组合结构，而钢-混凝土组合结构的变形略小于钢结构。

表15 最大层间位移角Table 15 The maximum story drifts

综上所述，在罕遇地震和多遇地震作用下，立式粮仓厂房采用钢-混凝土组合结构体系能够降低结构顶层的位移响应和最大层间位移角，与钢筋混凝土结构和钢结构相比，可以减弱结构的剪切变形效应，提高结构的抗倒塌能力，降低结构的破坏程度。

4.3.3结构破坏形式

3种结构在El Centro波罕遇地震作用下的破坏模式如图17所示。钢筋混凝土结构的塑性铰全部出现在柱端，而钢结构和钢-混凝土组合结构的梁端和柱端均有塑性铰的分布。

纵观立式粮仓厂房结构的塑性发展过程，钢筋混凝土结构底层为柱端出铰；而钢结构和钢-混凝土组合结构底层均为梁端先出铰，使梁成为第一道防线，进而柱端出铰成为第二道防线；钢筋混凝土结构和钢结构二层均为柱端出铰，而钢-混凝土组合结构二层依旧是梁端先出铰而柱端后出铰。

综合上述分析可知，在罕遇地震和多遇地震作用下，立式粮仓厂房采用钢-混凝土组合结构体系能够在结构各层中均形成两道抗震防线，与钢筋混凝土结构和钢结构相比，可以有效提高结构的抗倒塌能力，使整体结构具有良好的抗震性能。这是因为钢-混凝土组合结构质量较轻，地震作用相比钢筋混凝土结构有所降低；栓钉能够有效地阻止钢梁与混凝土翼板之间的相对滑移和掀起[1]，使钢梁与混凝土翼板处于整体受力状态，从而提高钢梁的稳定性和整体性，改善钢梁的动力性能。

a—钢筋混凝土结构-X向；b—钢结构-X向；c—钢-混凝土组合结构-X向；d—钢筋混凝土结构-Y向；e—钢结构-Y向；f—钢-混凝土组合结构-Y向。柱端出铰；梁端出铰。图17 结构破坏模式Fig.17 Failure modes of the structure

5 结束语

1)技术经济指标分析结果表明，立式工业厂房采用钢-混凝土组合结构体系时，与钢筋混凝土结构体系相比可以明显减小构件的截面尺寸、增加有效使用空间以及显著地减轻结构自重；与钢结构体系相比能够有效地降低用钢量等，综合效益显著。

2)静力弹塑性推覆分析结果表明，立式工业厂房采用钢-混凝土组合结构体系比钢筋混凝土结构体系能获得更高的承载力和更好的延性，并且防止结构进入弹塑性状态时出现柱端先出铰的破坏模式；同时比钢结构体系表现出更大的结构刚度和更好的整体稳定性，有效提高结构的抗侧力性能。

3)动力弹塑性时程分析的结果表明，立式工业厂房采用钢-混凝土组合结构体系在地震作用下的结构响应相比钢筋混凝土结构体系大幅降低，可以有效地减小地震作用以及降低结构的破坏程度；同时钢-混凝土组合结构体系在结构各层均可形成两道抗震防线，能够显著提高结构的整体抗倒塌能力，相比钢结构体系具有更加优越的抗震性能。

综上所述，钢-混凝土组合结构体系以其优越的受力性能、便捷的施工性能和良好的综合效益，在多层立式工业厂房中具有广阔的应用前景。