装配整体式空间钢网格正交斜放盒式结构在多层大跨度工业建筑中的设计与应用.pdf

第 44 卷 第 13 期 2014 年 7 月上 建筑结构 Building Structure Vol 44 No 13 Jul 2014 装配整体式空间钢网格正交斜放盒式结构在 多层大跨度工业建筑中的设计与应用 宋帅 1 麻凤海1 陈志鹏2 栾焕强3 魏艳辉4 1 大连大学建筑工程学院 大连 116622 2 东南大学土木工程学院 南京 210096 3 天津大学建筑工程学院 天津 300072 4 贵州大学空间结构中心 贵阳 550003 摘要 介绍装配整体式空间钢网格正交斜放盒式结构体系在某实际工程中的应用 并与普通钢框架结构体系进 行对比 分析了两种结构体系的周期 位移比 层间位移角 梁设计弯矩 楼面线弹性挠度和经济性能 结果表明 这种新型结构体系在力学性能和经济性能方面均优于普通钢框架结构体系 能够满足多层大跨度工业建筑的相关 要求 为今后该结构体系在大跨度结构设计中的应用提供参考 关键词 盒式结构 空间钢网格 正交斜放 多层大跨度 中图分类号 TU393 3文献标识码 A 文章编号 1002 848X 2014 13 0015 04 Design and application of orthogonal and diagnal cassette structure of assembled overall spatial steel grid in the multi storey large span industrial buildings Song Shuai1 Ma Fenghai1 Chen Zhipeng2 Luan Huanqiang3 Wei Yanhui4 1 College of Architectural Engineering Dalian University Dalian 116622 China 2 School of Civil Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 3 School of Civil Engineering Tianjin University Tianjin 300072 China 4 Space Structures esearch Center SS C of Guizhou University Guiyang 550003 China Abstract Orthogonal and diagnal cassette structural system of assembled overall spatial steel grid was introduced in the application of a practical project The normal steel frame structural system and the new system were compared of the aspects of the period displacement ratio story drift angle designed bending moment of the beam floor elastic deflection and economic performance The results show that the new structural system has better mechanical properties and economy performance compared with the normal steel frame structural system The new system can fulfill relevant requirements of multi storey large span industrial buildings which provides reference for the application of the orthogonal and diagnal cassette structural system in the large span structural design in the future Keywords cassette structure spatial steel grid orthogonal and diagnal multi storey large span 通讯作者 栾焕强 博士研究生 一 级 注 册 结 构 工 程 师 Email luanhuanqiang 163 com 0引言 长期以来 我国大跨度 18 36m 公共与工业 建筑绝大部分停留在单层建筑方面 传统的结构体 系造价高 投资大是限制其从单层大跨度向多层大 跨度发展的根本原因 为推广钢结构在多层大跨度 公共与工业建筑的应用 1 马克俭院士课题组提出 了装配整体式空间钢网格正交斜放盒式结构体 系 2 并首次应用于中国南车集团贵阳新产业基地 大自然沙文工业园项目 生产厂房 D103 与综合厂 房 D104 为考察这种新型结构体系抗震性能 力 学性能 经济性能 本文以该工程中生产厂房 D103 为例 图 1 详细分析了此结构体系与普通钢框架 结构性能的差异 生产厂房 D103 钢结构部分于 2013 年 12 月基本完成 目前正在安装外墙及内部 设备 1装配整体式空间钢网格正交斜放盒式结构体系 装配整体式空间钢网格正交斜放盒式结构体系 图 1生产厂房 D103 建筑结构2014 年 简称盒式结构 竖向是由钢密柱与 H 型钢层间连 系梁组成的单层钢网格承重墙架 横向为正交斜放 钢空腹夹层板 3 当多层厂房的长度 L 与跨度 B 之比 L B 1 5 时用正交斜放 与钢网格承重墙 架相连 在考虑楼盖剪切变形的情况下组成一个受 力合理 均匀 现场装配的全新结构体系 图 2 盒 式结构与普通钢框架结构体系的主要区别在于网格 式和由平面钢空腹梁正交斜放组成的钢空腹夹 层板 图 2钢网格正交斜放盒式结构轴视图 外围钢密柱的间距一般为 2 5 4 0m 柱截面 尺寸 按 照 建 筑 抗 震 设 计 规 范 GB 50011 2010 4 和 钢 结 构 设 计 规 范 GB 50017 2003 5 所要求的强度与稳定确定 所选取的层间 连系梁应能与柱组成刚性框架 空腹夹层板的结构 高度可取其跨度的 1 35 1 25 空腹夹层板的网格 数在两个跨度方向均不得小于 5 个 网格尺寸在 2 0 2 8m 之间 空腹夹层板的上 下钢肋采用 T 形 钢 剪力键采用方钢管 壁厚 8 10mm 见图 3 4 当方钢管剪力键受剪承载力不足或方钢管宽度小于 空腔高度时要在方钢管两侧焊接加劲板 图 4 中 L1 L2 L3分别为 T 形钢截面高度 空腔部分高度 剪 力键截面宽度与加劲板宽度之和 图 3空腹夹层板网格大样图 图 4空腹夹层板网格节点详图 2工程概况 大自然沙文工业园生产厂房 D103 共两层 1 层 层高8m 2 层层高6m 其中楼 屋盖结构层高0 92m 钢空腹网格梁高度为 0 84m 板厚为 0 08m 女 儿墙高 1 8m 总高度为 15 8m 生产厂房 D103 盒式结构平面布置 部分 如图 5 所示 建筑总面 积约为22 099m2 边柱柱距为 3 5m 中柱柱距为 7m 楼 屋 面 为 正 交 斜 放 钢 网 格 网 格 尺 寸 为 2 474m 2 474m 平面尺寸 长 143 5m 宽 77m 共 4 跨 21m 3 14m 1 本工程位于贵阳市白云区 抗震设防烈度为 6 度 0 05g 设计地震分组为第二组 基本风压为 0 3kN m2 楼面结构的主要荷载有 楼面恒荷载 包 括楼 板 自 重 取 3 5kN m2 楼 面 活 荷 载 取 6 0 kN m2 根据该场地地质勘察报告 场地类别为 类 特征周期 Tg 0 35s 结构阻尼比为 0 04 周期 折减系数为 1 考虑偶然偏心的影响 结构分析时 计算振型数取 6 个 图 5生产厂房 D103 盒式结构平面布置图 部分 3计算模型及主要设计参数 3 1 盒式结构 外围 网 格 式 H 形 密 柱 图 6 7 柱 距 为 3 500mm 柱截面尺寸为 H500 450 16 20 山墙 柱截面尺寸主要为 H294 200 8 12 局部洞口两 侧截面尺寸为 H400 350 16 20 中柱柱距为 7 000mm 截面尺寸为 H550 500 16 20 层间有 两道截面尺寸为 H150 150 7 10 的连系梁 钢 材采用 Q345 楼盖采用空腹夹层板楼盖 混凝土板 厚为 80mm 采用 C30 混凝土 钢筋采用 H B400 为更方便地模拟钢空腹夹层板模型 采用折算 过的等刚度的工字形截面来等效模拟空腹夹层板截 面 按两者高度相同 抗弯刚度相同进行换算 折算 结果见表 1 3 2 普通钢框架结构 为了与空间盒式结构进行对比 普通钢框架结 61 第 44 卷 第 13 期宋帅 等 装配整体式空间钢网格正交斜放盒式结构在多层大跨度工业建筑中的设计与应用 图 6盒式结构外围墙架单元图 图 7盒式结构梁柱节点详图 按等效刚度原则折算成实腹梁截面 楼面 表 1 构件 位置 实际采用截面 双层空腹 总高为 840mm 等效后实腹 截面 mm 中柱 周边梁 T195 300 10 16 中柱周边两排 H840 283 10 16 边柱 周边梁 T195 300 10 16 边柱周边两排 H840 283 10 16 其他T200 150 8 13 边柱周边两排 H840 136 8 13 构同样设置 4 跨 21m 3 14m 1 标准层结构 平面布置 部分 如图 8 所示 主梁跨度为 21m 次梁 1 跨度为 7m 间距 3 5m 混凝土楼板厚度 为 120mm 柱截面尺寸为 500 500 16 主梁截 面尺寸为 H1 200 450 20 25 次梁 1 截面尺寸 为 H500 300 10 16 次梁 2 截面尺寸为 H250 200 6 9 楼面恒荷载为 4 5kN m2 活荷载为 6 0kN m2 3 3 结构分析主要参数 计算模型仅包括地面以上部分 采用 SATWE 图 8普通钢框架结构平面布置图 部分 软件进行风荷载 竖向荷载和地震作用下结构的弹 性分析 4反应谱分析结果 4 1 动力特性分析 两种结构的动力特性见表 2 由表可知 盒式 结构的抗侧刚度比普通钢框架结构的大 盒式结构 和普通钢框架结构的周期比都远小于 高层建筑混 凝土结构技术规程 JGJ 3 2010 6 要求的限值 0 9 均能满足要求 盒式结构的周期比略小于普通 钢框架结构周期比 其抗扭性能要优于普通钢框架 结构 结构的动力特性表 2 结构体系振型周期 s动力特性周期比 盒式结构 1 阶 2 阶 3 阶 1 487 1 205 1 128 X 向平动 Y 向平动 扭转 0 758 普通钢框架 结构 1 阶 2 阶 3 阶 1 498 7 1 210 9 1 169 4 X 向平动 Y 向平动 扭转 0 780 4 2 层间位移角和位移比 采用振型分解反应谱法得到的结构最大的位 移指标见表 3 模型计算时均采用刚性楼板假 定 由表可知 弹性层间位移角均小于 建筑抗 震设计规范 GB 50011 2010 4 要求的限值 1 250 可见两种结构的刚度均较好 在考虑偶然 偏心的情况下 结构的最大层间位移角和位移比 都小于规范 4 规定的限值 可见结构的刚度布置 均匀 抗扭刚度较大 结构的位移指标表 3 结构位移指标 盒式结构普通钢框架结构 X 向 Y 向 X 向 Y 向 最大层间位移角1 1 6181 2 3101 1 3971 1 424 位移比1 081 201 091 26 5梁设计弯矩包络图对比 由图 9 a 可知 盒式结构的钢空腹夹层板梁最 大负弯矩 2 436kN m 位于中柱周边 最大正弯 71 建筑结构2014 年 矩 624kN m 位于跨中 无主次梁之分 由图 9 b 可知 普通钢框架结构最大负弯矩 4 905kN m 位 于 与 中 柱 相 连 的 主 梁 端 部 最 大 正 弯 矩 3 442kN m 位于主梁跨中 钢空腹夹层板空腹梁 最大负弯矩为常规钢框架梁的 1 2 左右 最大正弯 矩为常规钢框架梁的 1 5 5 左右 由于钢空腹夹层 板各空腹梁无主次梁之分 而普通钢框架结构将力 由次梁传给主梁 因此其内力分布更加均匀 合理 适合在多层大跨度结构中应用 图 9两种结构梁设计弯矩包络图 6楼面线弹性挠度对比 盒式结构的钢空腹夹层板 T 形钢梁上翼缘焊 接栓钉 栓钉个数 规格均根据钢 混凝土组合梁 计算确定 考虑组合梁作用 即考虑混凝土板的 刚度贡献 盒式结构的最大线弹性挠度发生在跨 中 为 60 9mm 设计时预起拱为 40mm 实际挠度 为 20 9mm 普通钢框架结构的最大挠度亦发生在 跨中 为 53 91mm 两者相差不大且均小于 钢结 构设计规范 GB 50017 2003 5 中规定的限值 1 400 7经济技术指标对比 盒式结构应用于多层大跨度工业和公共建筑能 较好地满足相应规范对结构设计的要求 是一种力 学性能较好的结构形式 在某些性能指标上基本与 普通钢框架结构相当或略优 1 21m 跨钢空腹夹层板结构高度为 840mm 由上 下 T 形钢与竖向剪力键组成 中间为空腔 尺 寸约为 2 000mm 440mm 空调通风管道 消防管 道 电线等均可从中穿过 节约了吊顶所用的空间与 费用 结构高度 840mm 相对于普通钢框架结构高 度1 200mm 减小 360mm 另外管道从空腹穿过可节 约层高 440mm 总计节约层高 800mm 层高的降低 既可降低造价 又能节约能耗 2 参照两种结构计算模型 对用钢量与混凝 土用量进行计算 计算结果见表 4 由表可知 盒式 结构比普通钢框架结构节省用钢量约 27kg m2 共 计 596t 节省约 19 6 比普通钢框架结构节省混 凝土约 40mm m2 节省约 33 3 节约钢材和混凝 土的效果明显 材料用量情况表 4 结构类型 用钢量 kg m2 混凝土折算厚度 mm m2 盒式结构11180 普通钢框架结构138120 注 1 用钢量不包括钢筋用量 2 混凝土厚度不包括基础混