某风电设备研发中心特重型钢管混凝土结构试验厂房设计研究

第43卷第3期2013年2月上建筑结构BUILDINGSTRUCTUREVOL43NO3FEB2013某风电设备研发中心特重型钢管混凝土结构试验厂房设计研究赵宏训，骆兰月，饶建兵，秦亚丽中国中元国际工程公司，北京100089摘要结合某工程实例，针对重型钢管混凝土结构厂房总体结构选型、节点形式、控制指标等进行了分析研究。下柱采用独特的四肢钢管混凝土结构，运用SAP2000和PKPM/STPJ软件对主刚架及构件进行计算对比，并对肩梁、梁柱弧形加腋连接等复杂节点进行了有限元分析，给出与简化计算的差别，为类似工程积累了设计经验。关键词钢管混凝土格构柱整体结构计算节点设计及构造有限元分析中图分类号TU3923文献标识码A文章编号1002848X201303010305STRUCTURALDESIGNANDANALYSISONTHESUPERHEAVYEXPERIMENTFACTORYWITHCONCRETEDFILLEDSTEELTUBULARSTRUCTUREFORAWINDPOWEREQUIPMENTANALYSISCENTERZHAOHONGXUN，LUOLANYUE，RAOJIANBING，QINYALICHINAIPPRINTERNATIONALENGINEERINGCORPORATION，BEIJING100089，CHINAABSTRACTBASEDONANENGINEERINGEXAMPLE，THESTRUCTURETYPE，JOINTTYPEANDCONTROLINDEXFORTHESUPERHEAVYCONCRETEFILLEDSTEELTUBULARSTRUCTUREWEREANALYZEDTHELOWERCOLUMNOFTHEMAINFRAMEISTHECONCRETEFILLEDSTEELTUBULARCOLUMNWITHFOURLIMBS，ANDTHEMAINFRAMEANDITSELEMENTSWEREANALYZEDANDCOMPAREDWITHSAP2000ANDPKPM/STPJTHEFINITEELEMENTANALYSISWASDONEFORTHECOMPLEXJOINTS，SUCHASBOXTYPESHOULDERBEAMOFDOUBLEWEBANDTHEARCUATEHAUNCHBEAMCOLUMNJOINT，ANDTHEDIFFERENCEBETWEENTHEFINITEANALYSISANDTHESIMPLIFIEDCALCULATIONWASPRESENTED，THUSITPROVIDESTHEEXPERIENCEFORTHESIMILARENGINEERINGDESIGNKEYWORDSCONCRETEDFILLEDSTEELTUBULARLACEDCOLUMNOVERALLSTRUCTURECALCULATIONJOINTDESIGNANDCONSTRUCTIONFINITEELEMENTANALYSIS作者简介赵宏训，学士，高级工程师，一级注册结构工程师，EMAILZHAOHONGXUNIPPRNET。0引言随着我国工业建设的不断发展，钢结构厂房得到了越来越多的应用。在大吨位高大厂房设计中，柱子用钢量经常占到整个厂房总用钢量的50以上。为节约钢材、减小投资，在大吨位吊车厂房中采用钢管混凝土格构柱显示出其优越性。经多方案比较，我院在华锐风电海上风电设备研发中心特重型试验厂房设计中采用了钢管混凝土格构柱门形框架系统，取得了良好的技术经济效益。1工程概况华锐风电海上风电设备研发中心特重型试验厂房位于江苏省盐城市，主要承担大型风电设备关键部件的装配、试验、研制工作。厂房所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为010G，设计地震分组为第二组。基本风压W0045KN/M2，地面粗糙度类别为B类。厂房横向为两跨，每跨36M，纵向总长204M。设双层吊车，其中上层最大吊车350T，轨顶标高25M，下层最大吊车125T，轨顶标高18M，吊车工作等级均为A5。厂房剖面见图1。主体结构采用钢管混凝土框架结构，其中框架图1厂房剖面图柱下柱为钢管混凝土格构柱，上柱为焊接工字形实腹柱，吊车梁为焊接工字形12M跨钢吊车梁，梁式制动结构，制动板兼走道板。屋面采用等截面焊接工字形钢梁，屋面檩条采用12M跨高频焊接轻型H型钢檩条，屋面板为复合保温压型钢板。外墙墙梁采用12M跨冷弯薄壁卷边C形钢，墙板为复合保温压型钢板。建筑结构2013年2结构选型比较以前传统的重型、特重型工业厂房，一般采用钢筋混凝土或全钢阶形格构柱梯形钢屋架上铺刚性预制钢筋混凝土大型屋面板的排架式结构。其结构形式具有屋盖重量大、抗震性能不好、施工较复杂及经济指标差等特点，特别是汶川大地震中该种结构形式的工业厂房震害严重，造成大量人员伤亡。近年来通过对重型工业厂房结构选型的研究探索，传统大型板重型屋盖结构形式已经被逐渐淘汰，全钢阶形格构柱工字形屋面梁及轻型屋盖的门式刚架系统得到普遍应用，该种结构形式也经受住了实践的检验。对于三四百吨及以上的特重型吊车的高大厂房，是否有更经济合理的结构形式，一直是研究的重点。为了既满足使用及安全需要，又做到经济合理，设计过程中进行了钢管混凝土格构柱和全钢格构柱两种不同结构形式的分析比较，确定采用12M柱距钢管混凝土框架结构。为满足纵向刹车力需要，中部设置3道上、下柱间支撑，端跨设置上柱支撑。为保证屋面刚度，上、下柱间支撑位置均设置屋盖横向水平支撑，两檐口边跨及屋脊设置纵向水平支撑，形成空间整体支撑体系。山墙结合大门布置，设置抗风柱，上层吊车梁顶标高位置设置水平抗风桁架。由于吊车吨位较大、轨顶标高较高、车间高度大，为满足吊车在水平荷载作用下的侧移限值、降低用钢量和工程造价，排架柱柱脚与基础的连接、柱顶与屋面钢梁的连接，均采用刚性连接。计算分析结果及经济指标分别见表1、表2。单榀框架技术指标对比表1结构选型构件应力比下柱上柱屋面梁横向基本自振周期/S轨顶处位移柱顶位移屋面梁挠度TQ钢框架085095090092HC1200H1360L425L825钢管混凝土框架068082088079HC1450H1650L430L850注1HC为自基础顶面至吊车梁顶面高度H为自基础顶面至柱顶的高度。2T为全部荷载标准值产生的挠度Q为可变荷载标准值产生的挠度。3L为屋面梁跨度。单榀框架用钢量指标表2结构类型用钢量/KG/M2框架柱屋面梁合计合计用钢量的比值钢框架952016401116100钢管混凝土框架65501640819073由表1计算结果可看出，相比全钢柱方案，钢管混凝土结构方案的构件应力比均减小，且最大减小率为20，周期减小013S，轨顶标高及柱顶标高侧移减小约18。由表2计算结果可看出，采用钢管混凝土格构柱比全钢格构柱框架梁柱部分共可减小用钢约27。通过以上分析比较，证明采用钢管混凝土格构式下柱的门形框架结构体系，在保证具有更高的安全储备和使用性能前提下，具有更好的经济性和施工简便的特点，其技术指标完全能满足重型、特重型吊车高大厂房的使用要求。3钢管混凝土柱形式与截面确定钢管混凝土格构式组合柱主要截面形式有双肢柱、三肢柱和四肢柱。双肢柱主要用于中小型吊车厂房，对于重型、特重型厂房，一般应采用三肢用于边跨或四肢圆钢管格构式组合柱。柱肢钢管采用螺旋焊接管或直缝焊管，内灌高强度等级混凝土。柱肢间通过水平和斜缀杆连成整体。缀杆直径较小，可采用无缝钢管，壁厚不大于柱肢管壁，与柱肢钢管相贯焊接。其中斜缀杆与水平面夹角45左右，腹杆在柱肢上的间距不小于50MM，以减小焊接应力。另外套箍指标在钢管混凝土结构中是一个很重要的参数，套箍指标过小，钢管的套箍能力不足会引起脆性破坏，套箍指标过高，使用荷载下会产生塑性变形，浪费钢材。对于套箍指标，钢管混凝土结构技术规程CECS2820121规定为0525之间。对双层大吨位吊车厂房而言，因存在较大动力荷载，笔者认为不宜低于08，取0820比较合理。本工程下柱采用钢管混凝土格构式组合柱，钢管材质采用345B螺旋焊接钢管，内灌C40混凝土。通过方案比较及计算调整，考虑整体刚度及经济指标因素，采用四肢格构柱，柱肢钢管均为42610，径厚比426，套箍指标147。柱肢截面形式及尺寸见图2。框架上柱采用焊接工字形实腹钢柱，通过肩梁与格构式钢管混凝土下柱可靠连接。图2柱肢截面4整体结构设计计算分析机械厂房整体结构体系一般为框架柱、屋面梁、401第43卷第3期赵宏训，等某风电设备研发中心特重型钢管混凝土结构试验厂房设计研究吊车梁、制动结构、柱间支撑、屋面支撑以及墙架柱等构件组成的空间骨架体系。按各部分作用大致归并为横向平面框架、纵向平面框架、屋盖系统、吊车梁及制动系统、柱间及屋面支撑系统、墙架及维护系统等。对于主框架的计算，长期以来基本都是简化成横向及纵向平面框架进行计算分析。厂房在均布荷载如风、雪、地震荷载作用下所有框架的受力及位移情况基本相同，基本没有或只有较弱的空间分配作用。对于中轻级吊车厂房，吊车横向制动力对整体框架受力影响比较小，不起控制作用，简化成平面框架作为计算的基本单元而不考虑空间作用是可行的。但是对于三四百吨以上的特重型厂房，往往是吊车水平制动荷载对强度及变形起控制作用。特重型厂房吊车吨位大，计算需要吊车梁及制动结构的断面很大，有很强的平面外刚度，柱间支撑、屋面支撑等构件根据计算需要断面也比较大，整个厂房结构体系空间刚度很强。厂房局部受到的吊车横向制动力等集中荷载可以分配到相邻一系列框架上而减小直接受载框架的作用。将横向平面框架、纵向平面框架、吊车梁及制动梁、柱间及屋面支撑、墙架柱等系统进行整体空间计算分析，能够更加准确地计算出各构件实际受力状况及变形，既满足结构安全，又具有比较显著的经济效果。本工程采用了PKPM系列的“重型厂房平面排架计算软件STPJ”及“大型有限元分析软件SAP2000”分别进行了平面框架计算分析和空间结构计算分析，图3为空间结构计算模型。图3空间结构计算模型从计算结果分析，各部位地震作用不起控制作用，构件最大应力及变形主要由吊车荷载和风荷载控制。吊车荷载起控制作用时，厂房横向作用分别采用空间结构和平面框架分析，在相同构件断面的前提下，横向框架侧移及构件应力空间分析比平面框架分析计算结果均小1520左右。对于特重型厂房，结构或构件的变形控制也是计算调整的重要内容。整体结构计算时主要包括柱顶和吊车轨顶标高横向及纵向位移、屋面梁在全部荷载和可变荷载作用下的挠度等。我国钢结构设计规范GB5001720032针对观感和正常使用条件下给出了一些容许值。但对于具有中级工作制的特重型高大厂房，对吊车荷载作用下吊车轨顶标高处位移限值没有明确规定。本工程结合工程实际及以往经验，在吊车荷载组合下位移角按1/1250控制，屋面梁挠度根据规范除活荷载按L/500控制外，其余荷载按L/400控制。这里需要说明的是，对于吊车吨位较小，如小于200T的轻型屋面厂房，挠度可适当放宽，但对于三四百吨以上重型厂房或重级工作制吊车厂房，因为柱顶需要通过屋面梁传递很大的水平荷载，还应严格控制屋面梁挠度，否则宜考虑二阶效应的影响。5节点设计及构造51肩梁设计多层吊车厂房阶形柱的肩梁是厂房结构中最关键的部位之一。它相当于转换梁，把上部荷载包括吊车荷载及屋盖荷载通过转换传递给下柱，同时又将下部格构柱各柱肢连接成整体。为保证阶形柱能够整体工作，肩梁必须具有足够的刚度和强度，常用肩梁按构造分为单壁式和双壁式两种结构形式。单壁式肩梁由一块竖向腹板及上下盖板组成，形成工字形断面双壁式肩梁的上下和左右两侧均有盖板封闭，形成箱形断面。单壁式肩梁构造简单、用料省，普遍用于实腹式和格构式阶形柱中双臂式肩梁构造比较复杂、施焊较困难、用钢量大，但是整体刚度好、强度高，一般在单壁式肩梁不能满足要求时采用。本工程上柱肩梁采用单壁式肩梁，下盖板设计成整块钢板，柱肢位置开洞穿入，既能满足肩梁下盖板受拉可靠性要求，又可起到下柱柱肢加强环的作用。肩梁顶面支承吊车梁的巨大压力，肩梁腹板采用穿过柱肢钢管形式，腹板顶面刨平，并和上盖板顶紧，依靠端面承受压力。为简化节点，有利于柱顶与钢梁连接，上柱采用焊接实腹工字形柱，两侧翼缘均采取下柱开槽插入连接，上柱肩梁节点见图4。图4肩梁节点图作用在肩梁上的荷载为上柱柱底内力和吊车梁传至肩梁的荷载，本文以左跨吊车最大轮压组合为例进行了肩梁计算对比，其中501建筑结构2013年上柱柱底内力设计值为N770KNM1198KNMV1200KN。吊车梁对肩梁的压力设计值P14696KNP21250KN。传统做法是将肩梁简化为简支梁3，将上柱底部轴力及弯矩折算成竖向荷载，如图5所示Q1N/2M/H1，Q2N/2M/H1，其中H1为上柱翼缘板中心间的距离。肩梁腹板的正应力和剪应力近似按下式计算MXWNVSITW。对于钢管混凝土格构柱这种复杂肩梁，简化计算显然有很大的局限性，本工程采用大型有限元分析程序SAP2000进行了补充计算，肩梁有限元分析模型见图6。肩梁图4各板件简化计算及有限元分析结果见表3。图5肩梁简化计算受力简图图6肩梁有限元分析模型肩梁简化计算及有限元分析板件最大应力/N/MM2表3板件简化计算125150250130210有限元分析170110220125190简化计算/有限元分析074136114104111从计算结果可看出，肩梁上盖板简化计算应力比有限元分析偏低26左右，肩梁下盖板简化计算应力比有限元分析偏高36左右，肩梁腹板简化计算比有限元分析偏高14左右。柱肢顶梁腹板简化计算比有限元分析偏高11左右。其余板件差别不大。这是因为对于肩梁复杂受力构件，按简支梁的假定与实际受力状况有一定差别，如果对肩梁进行简化计算，上盖板应力指标应留有余地或适当加强。另外肩梁腹板与钢管柱之间的连接焊缝不是均匀受力，剪力主要靠内侧焊缝传递。因此工程设计时宜适当加大肩梁处钢管的壁厚，并且加强此处的焊缝连接。52梁柱连接节点设计近年来钢结构厂房梁柱连接节点种类很多，主要有端板式连接、全焊连接、上、下翼缘焊接及腹板高强螺栓的栓焊连接、加腋节点和弧形加腋节点等。其中端板式连接特点是现场安装方便，并大量用于轻型门式刚架厂房。但因节点抗弯刚度依赖于端板刚度，很难满足使用过程中梁柱交角不变的要求，因此不能属于完全刚性节点，不宜用于重型、特重型吊车厂房等有较大水平荷载，且对转动刚度有严格要求的情况。全焊连接具有节点转动刚度大，构造与计算假定一致，但高空焊接工作量大，特别是对腹板大面积立焊，占用吊装设备时间长、施工质量不易保证等特点。本工程采用弧形加腋和栓焊相结合的连接方式，一方面通过弧形加腋，减小梁端弯曲应力，另一方面，使连接节点避开最大受力部位，达到安全经济的目的。栓焊组合连接，上、下翼缘采用坡口全熔透等强对接，腹板采用高强螺栓连接，满足抗剪要求，如图7所示。图7梁柱节点示意图对于边柱弧形加腋的截面正应力、剪应力验算可采用弧截面法4。计算简图见图8，图中所示加腋弧段中，可取任意需验算的弧形截面22或55，将其展开后进行截面正应力及剪应力的验算。具体计算方法可详见参考文献4。实际受力情况下，翼缘因受腹板约束，上、下翼缘应考虑最大应力影响。另外必要时建议补充有限元分析。节点设计同时需满足构造要求，受压翼缘宽厚比不应小于10，弧形腹板在加腋起始点及终点均设601第43卷第3期赵宏训，等某风电设备研发中心特重型钢管混凝土结构试验厂房设计研究图8柱顶加腋节点计算简图加劲肋，为保证腹板局部稳定，其他部位根据需要增设加劲肋。53柱脚设计钢管混凝土柱脚与基础的连接可分为铰接柱脚和刚性固定式柱脚，刚性固定式柱脚按构造形式可分为插入式和端承式，对于重型厂房柱脚，为满足变形及刚度需要，一般应选择刚性固定式柱脚。本工程根据具体情况，为节约钢材、降低造价，同时便于施工，采用插入式刚性柱脚连接。插入深度按不小于25倍管肢外径取值，同时不小于格构柱全高断面的1/2及不小于吊装时钢柱总长度的1/20。考虑到圆钢管表面比较光滑、比表面积较小等因素，为增加钢管柱肢与基础的粘剪强度，柱脚埋入混凝土部分加焊栓钉，规格16MM，长60MM，间距250MM。用20MM厚钢板封闭柱脚钢管的端头，柱脚做法见图9柱脚节点示意图9。6结语工程实例研究表明，对于重型、特重型工业厂房，与全钢框架结构厂房相比，采用钢管混凝土框架结构从安全性、实用性、经济性等方面均具有一定的优越性。同时随着现代软硬件计算工具和手段的提高，对于重型、特重型工业厂房，进行空间模型整体计算及复杂节点的有限元详细分析，不仅是必要的也是可行的。参考文献1CECS282012钢管混凝土结构技术规程S北京中国计划出版社，20122G