某建筑装潢垃圾综合利用项目主厂房结构设计要点

2022-07-21于澎涛

工程建设与设计 2022年12期

于澎涛

（上海环境工程设计研究院有限公司，上海 200072）

1 引言

目前，我国大部分建筑装潢垃圾的处理方式是郊外堆放，这样处理会对水体、大气及土壤产生污染，造成用地紧张的困境，并严重影响市容和环境卫生。装潢垃圾的综合利用是循环经济可持续发展的重要措施。本项目为常州市某建筑装潢垃圾综合利用项目，总规模3×105t/a。本文结合项目案例对主厂房的结构设计要点进行介绍。

2 工程概况

本工程位于常州市新北区魏化路以南，滨江一路以西。主厂房总建筑面积9 578.44 m2，轴线尺寸71.8 m×127.5 m。结构形式为门式刚架轻型房屋钢结构，双坡屋面（坡度5%），檐口高度17.700 m（室内外高差300 mm）。刚架对称双跨布置，单跨跨度35.900 m，两跨分别布置50 kN（5 t）地操式检修吊车各1 台，工作级别A3。典型刚架立面图如图1 所示。主厂房内设备平台使用钢筋混凝土框架结构。主厂房建筑抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级。所在地区的抗震设防烈度为7 度，设计地震加速度为0.10g；设计地震分组为第一组；场地类别为Ⅲ类；特征周期Tg=0.45 s，阻尼比为0.05[1]。屋面活荷载（刚架计算）0.30 kN/m2；屋面活荷载（檩条计算）0.50 kN/m2；基本风压0.4 kN/m2，地面粗糙度为B 类；重现期100 a 雪压0.4 kN/m2[2]。本工程审图时间为2021 年6 月，结构计算软件版本为PKPMV5.2。

图1 典型刚架立面图

3 上部结构设计

主厂房结构设计依据GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（以下简称《门规》）和GB 50068—2018《建筑结构可靠性设计统一标准》等规范、标准，钢构件应力比限值取0.90；屋面钢梁挠跨比限值取1/180；刚架柱顶位移限值h/180；由柱顶位移和构件挠度产生的屋面坡度改变值不大于坡度设计值的1/3。刚架梁、柱材质为Q355B，边柱截面为H650 mm×350 mm×8 mm×16 mm；中柱截面为H450 mm×420 mm×8 mm×18 mm；檐口变截面钢梁截面为H（1 200~700）mm×250 mm×8 mm×12 mm；屋脊变截面钢梁截面为H（700~1 550~700）mm×400 mm×10 mm×18 mm；跨中钢梁截面为H700 mm×280 mm×8 mm×14 mm。计算结果见表1。

表1 计算结果

3.1 房屋高度

根据工艺专业吊车轨顶标高提资，综合考虑吊车顶部安全距离、檐口钢梁高度等因素，房屋高度定为18.000 m。《门规》的适用范围是房屋高度不大于18 m，高宽比小于1.0，此适用范围主要是针对风荷载系数的要求而规定的[3]。主厂房高度18 m，处在《门规》适用范围的上限，使用《门规》进行结构设计并按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》（以下简称《荷规》）中封闭式双坡屋面体形系数进行安全校核。对比两规范风荷载取值，《门规》钢梁风吸力取值较大，而钢柱风荷载取值偏小。屋面钢梁的应力比由《门规》风荷载控制；边柱上阶柱应力比由《门规》风荷载控制，而边柱下节柱及中柱上、下节柱的应力比均由《荷规》风荷载控制。在《门规》和《荷规》风荷载作用下，柱顶位移分别为H/391 和H/260。

3.2 雪荷载取值

《门规》第4.3.1 条规定，刚架雪荷载计算采用100 年重现期的雪压。刚架跨度较大，屋面雪荷载分3 种工况：

1）全跨积雪的均匀分布；

2）不均匀分布；

3）半跨积雪的均匀分布

对于全跨积雪的均匀分布工况，根据《荷规》按“有女儿墙及其他突起物的屋面”情况的积雪分布系数μr取值，对檐口积雪不利位置进行荷载调整。雪荷载3 种工况及屋面活荷载均按互斥活荷载方式输入。

檩条计算时，活荷载和雪荷载分别输入，一般位置檩条活荷载值大于雪荷载值，而女儿墙附近檩条则相反，此处按有女儿墙及其他突起物的屋面情况的积雪分布系数进行雪荷载计算，且考虑此处双坡屋面边区风荷载的不利因素，檐口位置檩条做局部加密处理。

3.3 钢梁的平面外计算长度

《门规》实施前，门式刚架钢梁的平面外计算长度取隅撑的间距，即檩条间距的2 倍，一般为3 m。现行《门规》第7.1.6条条文说明明确规定：“……，隅撑不能作为梁的侧向支撑，不能充分地给梁提供侧向支撑，而仅仅是弹性支座。……，隅撑支撑的梁的计算长度不小于两倍的隅撑间距。”现行《门规》规定隅撑仅作为梁的平面外弹性支座，钢梁的平面外计算长度根据梁下翼缘和隅撑的相对刚度确定。钢结构CAD 软件STS依据规范，为钢梁平面外计算长度计算提供3 种方法：

1）按支撑计算；

2）按隅撑作为支撑点计算；

3）取支撑与隅撑计算的较小值。

其中，方法（2）要求设置隅撑相关信息，并将隅撑信息布置到钢梁构件，隅撑作为弹性支座确定钢梁平面外计算长度。主厂房屋面在各抗风柱顶节点位置，沿厂房纵向在各榀刚架间均设置刚性系杆。当刚架跨度较大时，钢梁翼缘厚度和宽度计算值均较大，由程序计算确定的平面外计算长度会出现大于屋面水平支撑节点间距的情况，这样处理不合理。

本工程选用第3 种方法，平面外计算长度取支撑和隅撑计算的较小值。

3.4 钢柱平面外计算长度和柱间支撑计算

边柱上阶柱布置单片双角钢人字形支撑（2- 110 mm×8 mm），下阶柱设双层双片角钢交叉支撑（2- 110 mm×70 mm×6 mm），在檐口、牛腿及下阶柱中心标高位置沿厂房纵向设置通长水平刚性系杆，边柱柱间支撑立面图详见图2；中柱上阶柱布置单片双角钢交叉支撑（2- 90 mm×6 mm），下阶柱设双层双片角钢交叉支撑（2- 125 mm×80 mm×8 mm），在屋脊和牛腿位置沿厂房纵向设置通长水平刚性系杆，中柱柱间支撑立面图详如图3 所示。柱间支撑均按拉杆进行设计。考虑到主厂房高度为《门规》适用范围的上限值，边柱沿厂房高度布置间距3 m 的墙面隅撑，边柱平面外计算长度取柱间支撑节点间距和两倍隅撑间距的较小值；中柱平面外计算长度取柱间支撑节点间距。

图2 边柱柱间支撑立面图

图3 中柱柱间支撑立面图

主厂房设计时对边柱、中柱纵向柱列（包含柱间支撑和水平系杆）分别建立二维计算模型，并按下列方式进行模型输入：

1）柱底按铰接处理；

2）柱顶分别输入钢梁导算至柱顶的恒、活节点荷载；

3）钢柱平面外计算长度取刚架计算的平面内计算长度，平面内计算长度取柱间支撑节点间距；

4）风荷载以柱顶水平节点荷载方式输入；

5）吊车的纵向水平力以水平节点荷载方式输入；

6)交叉支撑平面外计算长度取整长，平面内计算长度取整长的1/2；

7）双片支撑截面按角钢组合截面输入，根据角钢中性轴位置相同原则确定组合截面的肢背间距；

8）柱间支撑范围内双片水平系杆按压杆设计，根据构件轴压力包络值验算分肢的局部稳定。

3.5 钢结构吊装要求

钢结构吊装安全事故频发，为避免类似事故发生，设计文件应严格按照规范条款对钢结构安装提出指导意见。《门规》第14.2.6 条对钢结构主构件的安装要求做了详细规定，内容包括构件安装顺序、基础顶面二次灌浆要求、关键构件吊装前的稳定验算、施工临时措施及大型构件吊点安装验算等内容。钢结构设计说明中增加《门规》第14.2.6 条的相关内容，以便钢结构安装安全有序进行。

4 基础设计

4.1 基础计算及桩选型

部分设计师使用PKPMV5.2 及之前版本做门刚桩基计算时，把PK 模型导入门刚三维设计模块，上部结构计算后接力JCCAD 模块进行桩基设计，此方法计算结果有误。PK 模型中的工况，如左风1 和右风1 等，是刚架平面内的二维荷载工况。接力JCCAD 模块后，左风2 和右风2 两种工况会丢失，左风1 和右风1 被转为风X和风Y两种三维荷载工况，直接反号后得到风X-和风Y-工况。使用上述计算方式会丢失两种平面荷载工况，并增加两种非必要的荷载组合，从而导致计算结果错误。Morgain 提供二维模型的基础计算方法，导入PK基础计算文件JCdata.out，读入所有标准组合和基本组合并确定各目标组合，据此进行桩基设计，按此方法进行门刚桩基设计相对准确可行。

计算分析表明，柱底弯矩Mmax 工况对边柱桩基设计起控制作用，最大桩拔力为260 kN，中柱竖向荷载大，未出现桩拔力。桩长20 m，单桩竖向抗压、抗拔承载力特征值分别为700 kN 和300 kN。预应力混凝土实心方桩具有良好的桩身抗拔性能，从经济性和接桩方式等方面综合考虑，选用建华建材企业标准Q/321183 JH001—2020《先张法预应力混凝土实心方桩》中的300 mm×300 mm 预应力实心方桩[4]。

4.2 共柱承台计算

主厂房设备平台为钢筋混凝土框架结构，框架柱布置在主厂房双向轴网相交位置。在钢柱附近，框架柱的定位避开钢柱柱脚底板，与钢柱之间设抗震缝，钢柱柱脚底板以下框架柱和钢柱共用基础短柱。框架结构和门刚分别按三维和二维方式计算，基础计算方式也不相同。设备平台框架模型增加地梁层，基础短柱在钢柱节点位置通过自定义荷载工况，添加+X风、-X风、+Y风和-Y风等工况并以节点荷载方式输入相应工况下的钢柱柱底反力。JCCAD 模块进行荷载组合时，把自定义工况和普通工况，根据工况的类型和方向进行叠加，然后进行共柱承台计算。