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谈化工车间设计与民用建筑的不同

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1工程结构设计

1.1结构选型与结构设计

二层车间及二层夹层以下为现浇钢筋砼框架结构,以上为现浇钢筋砼排架结构。其中二层生产车间,一、二层的夹层附属工具间、化验室等和设备存放区楼面,以及二层轴1~2/A~D区域的控制室、配电室、机房、楼梯间屋面为现浇钢筋砼结构;二层夹层轴9~10/C~D楼面为钢平台;二层生产车间及其夹层设备存放区的屋面采用轻型钢结构。砼强度等级:柱为C30,梁板为C25。

1.2荷载取值与结构布置

(1)二层生产车间的荷载:浆料釜设备净重按恒载考虑,储料净重按活荷载考虑。浆料釜通过四个对称支撑点固定在建筑。根据三点共面原理,考虑安装及施工原因较难保证四个点均在同一水平面上,故浆料釜荷载按三个点平均分配,以策安全。设备洞口周边布梁,见图3。其它小型设备重,生产时浆料集中堆载,小型叉车等按等效均布活荷载考虑。(2)夹层设备存放区:储罐净重按恒载考虑,储料净重按活载考虑。储罐通过三个夹角为120度的支腿集中作用在楼面上,结构布置时应与工艺布置协调,将三个支腿分别放置在两道纵向梁上,从而避免支腿对楼面板的冲切影响,见图3。因结构错层,同一结构层标高不同,储罐支腿作用力应按集中荷载布置。注意如采用节点荷载布置,因节点荷载与梁构件标高不同,使节点荷载悬空未能参与计算。当储罐为平底在楼面上布置的位置不确定时,楼面结构采用井字梁布置,储罐总重按等效活荷载作用考虑。(3)电梯机房间荷载:电梯机房间除按规范取均布活荷载7kN/m2外,还须根据电梯厂家提供的电梯技术参数关于电梯设备反作用力的荷载值。电梯机房作用荷载大,不应采用大悬挑结构。故二层电梯间东北角处增设一根梁上柱,使机房更安全、可靠。

1.3结构电算建模

(1)结构建模:考虑一层墙体荷载及一层柱内力分配等作用增设地拉梁为第一结构层,层高1.8M,该层比拟为地下一层结构,且嵌固端在基础顶面处,不考虑土层水平抗力系数。二层轴2~10/A~C生产车间、轴1~2/A~D生产控制室和配电室、更衣室等,轴9~10/C~D试验操作区,以及一层夹层轴2~8/C~D附属工具间、化验室为第二结构层,层高4.05~6.65M。二层夹层轴2~8/C~D设备存放区,轴1~2/A~D生产控制室、配电室、更衣室、楼梯的屋面,电梯机房的楼面,以及轴9~10/C~D反应釜试验区设砼梁和轴2~10/A、轴10/A~C标高10.000M处增设一道钢筋砼梁为第三结构层,层高4M。二层轴2~10/A~C生产车间和及其夹层轴2~8/C~D设备存放区的轻型钢屋面上设置屋面钢梁和钢系杆,同时在该区域四周周边标高14.000M处增设一道钢筋砼梁等为第四结构层,层高4M。电动单梁吊车荷载偏安全地在第四结构层布置。楼梯梁在各相应的楼层处增设层间梯梁。框架结构的错层结构部分不应作为一个独立结构层建模[6],否则引起计算软件判为薄弱层,计算出现异常。(2)因结构不规则及错层,结构分析选用SATWE和PM-SAP程序进行计算[6],考虑双向地震和±5%偶然偏心。车间的活荷载均按实际考虑,活荷载不折减,活荷载组合系数取1.0[1],抗震组合系数取1.0[2]。因甲类生产车间,根据抗震设防分类标准属重点设防[5],按7度抗震构造设防,框架结构的抗震等级为三级[2]。

1.4电算结果的分析

(1)SATWE和PMSAP计算结果整体控制指标。(2)计算结果比较分析①周期比T3/T1≈0.9,考虑车间结构错层、平面和竖向结构不规则,荷载分部差异大,故按偶然偏心的扭转影响与双向抗震进行验算,取不利情况。②严格控制结构层间位移角为主,位移比为辅。层间位移角和位移比最不利情况均发生在屋面层,两者计算结果有一定差异。两者计算结果的X、Y方向层间位移角不利情况相反,以PMSAP计算结果最为不利,其中X向不能满足文[2]的框架结构要求,但满足文[3,9]的门式钢架或框架结构要求,由于屋面层为排架结构,可满足结构安全。两者计算结果的最大位移比均不满足要求,但因车间结构不规则及最大水平位移12.8mm,不大于建筑总高的0.1%,即14000×0.1%=14mm及30mm的最小值,符合要求,此时位移比不作为主控因素。③结构计算结果的总体控制指标虽然基本满足结构安全要求,但结构构件的应力值或配筋值却相差很大。经分析采用SATWE的计算结果比较合理,见图4(a)计算结果。而PMSAP计算结果表明,构件应力值或配筋值出现异常,其中二层框架梁配筋值比SATWE的计算结果的最大值相差达49%,夹层设备存放区结构计算结果却未考虑储罐附加荷载作用。原因PMSAP计算控制指标二层结构层比地梁层的质量比为6.73远大于1.5,不能满足要求,使计算结果出现异常。故将一层地梁层不参与整体计算,则计算结果除屋面钢梁外,其它与SATWE的计算结果基本吻合。其中设备存放区梁配筋值最大相差不超过16.7%,见图4(b);地震作用X、Y向最大值层间位移角分别为1/2664和1/1875,满足要求。为了进一步直观地校核结构构件应力情况,从整体结构中抽出代表性的一品框、排架结构,读取相应的作用力,采用pk软件单品结构进行校核。结果表明,除屋面钢梁外,其结构应力的计算结果可直观地验证。同时计算结果也表明,屋面轻钢结构不参与结构整体空间计算,其计算结果偏不安全。可见,工程采用框架、排架结构组合,砼结构和轻钢结构组合,结构布置错层、不规则、复杂等情况,该类型工程计算结果应采用两种不同的力学结构计算软件和多个计算模型进行整体计算比较、判定,采用合理计算结果,才能确保工程结构安全。

2车间结构设计中的几个问题的探讨

2.1等效活荷载计算与结构效应

由于化工工业建筑的设备布置复杂,且施工和安装时可能会变更位置,楼面常采用井字梁结构布置。等效活荷载计算需要根据结构布置和储罐设备布置情况考虑。选取二层夹层轴2~8/C~D设备存放区的一典型开间结构平面布置,见图5(a),根据文[1]原则进行探讨。(1)情况1:按设备存放区结构布置,储罐放置在板跨区间靠中,中间次梁间距1485mm不大于储罐设备基础尺寸,储罐定位基本上固定。见图1和图5(a)在该跨区间内最多布置两个储罐,中间两次梁之间区域内面积小于两个储罐底面积之和,则最不利等效活荷载取值为:qe=500*2/(1.485*7.5)=90kN/m2,为经济考虑,其它板区格区域荷载按相关规定取值。将等效活荷载代入计算,构件配筋值计算结果与采用集中荷载布置的最不利情况基本一样,见图6(a)。(2)情况2:若采用平底储罐设备布置的位置不固定,楼面结构采用井字梁均匀布置,则储罐布置在板跨区格中间时为计算框架梁配筋的最不利等效活荷载工况。故作用在板区格的受荷占储罐总重的1/4,即500/4=125kN,再将该区格所占总受荷转化单个区格板中部不利值,见图5(b),然后根据文[1,4,7]提供公式计算,不考虑楼面垫层对荷载扩散的有利作用。

2.2一层柱计算高度选用与角柱基础设计优化

(1)经电算结果比较,考虑地梁作用,一层柱计算高度算到地梁顶面,其计算结果较经济,使一层柱、二层梁和基础计算结果更合理。不考虑地梁作用,一层柱计算高度算到基础顶面,计算结果偏安全。原因是忽略地梁的存在,造成一层的计算高度较高,柱线刚度减小,引起二层梁内力分配增加,故对二层梁的计算结果偏安全。对于一层层高较高,柱底内力较大的框架柱,其配筋则不经济;对于基础未考虑地梁承担弯矩分配的有利影响,角柱基础截面尺寸影响最大或不合理。

(2)角柱基础设计优化选取东南角的角柱分别按有无地梁层讨论柱底内力对基础影响,见表2。计算结果表明,无地梁层按不考虑一层砌体产生的局部弯矩影响时,X、Y向地梁分别承担的最大弯矩为:ΔMxmax=244-139=105kN.m,占43%,ΔMxmay=180-133=47kN.m,占26%。即为增设地梁分担的基础内力,显然不考虑地梁作用对基础截面设计是不尽合理。可见,角柱承担的竖向内力较边柱和中柱小,但受双向受弯矩作用均较大,对地基承载力不高,或不允许修正的地基承载力特征值的持力层,则对于低层建筑角柱基础截面设计往往较大,甚至是最不利。特别对于高层建筑,基础需考虑地震作用,角柱柱底受双向弯矩作用大,计入地梁分担部分弯矩作用,则基础截面计算结果更合理、经济、安全的。

2.3屋面轻钢结构节点设计

(1)檩条节点设计优化根据文[3]屋面梁侧向支撑的隅撑做法,见图7(a),该节点可根据工程实际情况进行优化,不仅结构受力合理,而且便于施工、美观。增设隅撑是为了保证屋面梁受压区平面外的稳定性,即两檩条间设有隅撑的间距为屋面梁平面外的计算长度,从而取得良好的经济效益[3,10]。隅撑受力为轴心受力作用,此时檩条作为侧向支撑受偏心轴压作用[3,12]。参照文[12],将图7(a)可修改为图7(b),不仅利于减少层高,使隅撑刚度提高,支撑杆和檩条更有利于增强屋面梁受压区的侧向支撑作用。对于较小跨度屋面梁,其截面尺寸受刚度限制和构造要求,刚架结构梁或柱的局部稳定性应满足文[3]要求,即利用梁腹板屈曲后强度。参照文[12],当檩条高度为梁高的1/2~1时,可采用增设加劲板和檩条共同来保证屋面梁平面外的稳定性,从而取替代隅撑,见图7(c)。当屋面梁高与檩条相等时,屋面梁下翼缘受压区则不设隅撑,屋面梁平面外的稳定性由檩条支撑,见图7(d)。同时对于图7(c,d)情况在结构计算时梁或柱的平面外计算长度可按实际支撑长度或系杆的间距进行校核。反之,对于大跨度的钢梁,或层高高的钢柱,其变截面高大,甚至高宽比大于3,考虑梁或柱腹板屈曲后强度[3],则构件较柔弱,檩条或墙梁截面高度相对较小,此时梁或柱平面外计算长度应由系杆间距确定或适量增设系杆,不仅利于确保结构的稳定性,而且利于确保施工过程的安全[3]。

(2)梁柱节点设计因屋面层为排架结构,考虑电动单梁吊车水平横向水平力作用及抗震时水平位移影响,钢梁与砼连接处设置抗剪键承担水平剪力,钢梁支座采用铰接连接,一端钢梁钢垫板螺栓孔采用长菱形开孔,使钢梁协调水平位移变形;另一端采用一般圆孔,使钢梁不形成机构。

3结语

化工生产车间结构设计需注意如下事项:(1)荷载取值与等效荷载的计算、结构布置、建模基本参数设定、设防分类、抗震等级是工业建筑结构设计的重点问题,是关乎结构设计安全的关键。(2)化工生产车间设备重,结构布置须根据工艺要求和设备支撑情况进行结构布置。设备布置位置可变性,井字梁楼面荷载应按等效活荷载计算。(3)电算结果整体控制指标应全面考察与判断,严重不规则的结构应选用不同的力学结构计算软件和多计算模型进行校核。(4)框架结构设计和轻钢结构部分结点设计可根据工程实际情况进行优化设计。

作者:杨文武单位:黎明职业大学土木建筑工程学院

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