談化工車間設(shè)計與民用建筑的不同范文

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1工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計

二層車間及二層夾層以下為現(xiàn)澆鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)，以上為現(xiàn)澆鋼筋砼排架結(jié)構(gòu)。其中二層生產(chǎn)車間，一、二層的夾層附屬工具間、化驗室等和設(shè)備存放區(qū)樓面，以及二層軸1～2/A～D區(qū)域的控制室、配電室、機房、樓梯間屋面為現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu);二層夾層軸9～10/C～D樓面為鋼平臺;二層生產(chǎn)車間及其夾層設(shè)備存放區(qū)的屋面采用輕型鋼結(jié)構(gòu)。砼強度等級:柱為C30，梁板為C25。

1.2荷載取值與結(jié)構(gòu)布置

(1)二層生產(chǎn)車間的荷載:漿料釜設(shè)備凈重按恒載考慮，儲料凈重按活荷載考慮。漿料釜通過四個對稱支撐點固定在建筑。根據(jù)三點共面原理，考慮安裝及施工原因較難保證四個點均在同一水平面上，故漿料釜荷載按三個點平均分配，以策安全。設(shè)備洞口周邊布梁，見圖3。其它小型設(shè)備重，生產(chǎn)時漿料集中堆載，小型叉車等按等效均布活荷載考慮。(2)夾層設(shè)備存放區(qū):儲罐凈重按恒載考慮，儲料凈重按活載考慮。儲罐通過三個夾角為120度的支腿集中作用在樓面上，結(jié)構(gòu)布置時應(yīng)與工藝布置協(xié)調(diào)，將三個支腿分別放置在兩道縱向梁上，從而避免支腿對樓面板的沖切影響，見圖3。因結(jié)構(gòu)錯層，同一結(jié)構(gòu)層標(biāo)高不同，儲罐支腿作用力應(yīng)按集中荷載布置。注意如采用節(jié)點荷載布置，因節(jié)點荷載與梁構(gòu)件標(biāo)高不同，使節(jié)點荷載懸空未能參與計算。當(dāng)儲罐為平底在樓面上布置的位置不確定時，樓面結(jié)構(gòu)采用井字梁布置，儲罐總重按等效活荷載作用考慮。(3)電梯機房間荷載:電梯機房間除按規(guī)范取均布活荷載7kN/m2外，還須根據(jù)電梯廠家提供的電梯技術(shù)參數(shù)關(guān)于電梯設(shè)備反作用力的荷載值。電梯機房作用荷載大，不應(yīng)采用大懸挑結(jié)構(gòu)。故二層電梯間東北角處增設(shè)一根梁上柱，使機房更安全、可靠。

1.3結(jié)構(gòu)電算建模

(1)結(jié)構(gòu)建模:考慮一層墻體荷載及一層柱內(nèi)力分配等作用增設(shè)地拉梁為第一結(jié)構(gòu)層，層高1.8M，該層比擬為地下一層結(jié)構(gòu)，且嵌固端在基礎(chǔ)頂面處，不考慮土層水平抗力系數(shù)。二層軸2～10/A～C生產(chǎn)車間、軸1～2/A～D生產(chǎn)控制室和配電室、更衣室等，軸9～10/C～D試驗操作區(qū)，以及一層夾層軸2～8/C～D附屬工具間、化驗室為第二結(jié)構(gòu)層，層高4.05～6.65M。二層夾層軸2～8/C～D設(shè)備存放區(qū)，軸1～2/A～D生產(chǎn)控制室、配電室、更衣室、樓梯的屋面，電梯機房的樓面，以及軸9～10/C～D反應(yīng)釜試驗區(qū)設(shè)砼梁和軸2～10/A、軸10/A～C標(biāo)高10.000M處增設(shè)一道鋼筋砼梁為第三結(jié)構(gòu)層，層高4M。二層軸2～10/A～C生產(chǎn)車間和及其夾層軸2～8/C～D設(shè)備存放區(qū)的輕型鋼屋面上設(shè)置屋面鋼梁和鋼系桿，同時在該區(qū)域四周周邊標(biāo)高14.000M處增設(shè)一道鋼筋砼梁等為第四結(jié)構(gòu)層，層高4M。電動單梁吊車荷載偏安全地在第四結(jié)構(gòu)層布置。樓梯梁在各相應(yīng)的樓層處增設(shè)層間梯梁。框架結(jié)構(gòu)的錯層結(jié)構(gòu)部分不應(yīng)作為一個獨立結(jié)構(gòu)層建模［6］，否則引起計算軟件判為薄弱層，計算出現(xiàn)異常。(2)因結(jié)構(gòu)不規(guī)則及錯層，結(jié)構(gòu)分析選用SATWE和PM-SAP程序進行計算［6］，考慮雙向地震和±5%偶然偏心。車間的活荷載均按實際考慮，活荷載不折減，活荷載組合系數(shù)取1.0［1］，抗震組合系數(shù)取1.0［2］。因甲類生產(chǎn)車間，根據(jù)抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)屬重點設(shè)防［5］，按7度抗震構(gòu)造設(shè)防，框架結(jié)構(gòu)的抗震等級為三級［2］。

1.4電算結(jié)果的分析

(1)SATWE和PMSAP計算結(jié)果整體控制指標(biāo)。(2)計算結(jié)果比較分析①周期比T3/T1≈0.9，考慮車間結(jié)構(gòu)錯層、平面和豎向結(jié)構(gòu)不規(guī)則，荷載分部差異大，故按偶然偏心的扭轉(zhuǎn)影響與雙向抗震進行驗算，取不利情況。②嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)層間位移角為主，位移比為輔。層間位移角和位移比最不利情況均發(fā)生在屋面層，兩者計算結(jié)果有一定差異。兩者計算結(jié)果的X、Y方向?qū)娱g位移角不利情況相反，以PMSAP計算結(jié)果最為不利，其中X向不能滿足文［2］的框架結(jié)構(gòu)要求，但滿足文［3，9］的門式鋼架或框架結(jié)構(gòu)要求，由于屋面層為排架結(jié)構(gòu)，可滿足結(jié)構(gòu)安全。兩者計算結(jié)果的最大位移比均不滿足要求，但因車間結(jié)構(gòu)不規(guī)則及最大水平位移12.8mm，不大于建筑總高的0.1%，即14000×0.1%=14mm及30mm的最小值，符合要求，此時位移比不作為主控因素。③結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的總體控制指標(biāo)雖然基本滿足結(jié)構(gòu)安全要求，但結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力值或配筋值卻相差很大。經(jīng)分析采用SATWE的計算結(jié)果比較合理，見圖4(a)計算結(jié)果。而PMSAP計算結(jié)果表明，構(gòu)件應(yīng)力值或配筋值出現(xiàn)異常，其中二層框架梁配筋值比SATWE的計算結(jié)果的最大值相差達49%，夾層設(shè)備存放區(qū)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果卻未考慮儲罐附加荷載作用。原因PMSAP計算控制指標(biāo)二層結(jié)構(gòu)層比地梁層的質(zhì)量比為6.73遠大于1.5，不能滿足要求，使計算結(jié)果出現(xiàn)異常。故將一層地梁層不參與整體計算，則計算結(jié)果除屋面鋼梁外，其它與SATWE的計算結(jié)果基本吻合。其中設(shè)備存放區(qū)梁配筋值最大相差不超過16.7%，見圖4(b);地震作用X、Y向最大值層間位移角分別為1/2664和1/1875，滿足要求。為了進一步直觀地校核結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力情況，從整體結(jié)構(gòu)中抽出代表性的一品框、排架結(jié)構(gòu)，讀取相應(yīng)的作用力，采用pk軟件單品結(jié)構(gòu)進行校核。結(jié)果表明，除屋面鋼梁外，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計算結(jié)果可直觀地驗證。同時計算結(jié)果也表明，屋面輕鋼結(jié)構(gòu)不參與結(jié)構(gòu)整體空間計算，其計算結(jié)果偏不安全。可見，工程采用框架、排架結(jié)構(gòu)組合，砼結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)組合，結(jié)構(gòu)布置錯層、不規(guī)則、復(fù)雜等情況，該類型工程計算結(jié)果應(yīng)采用兩種不同的力學(xué)結(jié)構(gòu)計算軟件和多個計算模型進行整體計算比較、判定，采用合理計算結(jié)果，才能確保工程結(jié)構(gòu)安全。

2車間結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題的探討

2.1等效活荷載計算與結(jié)構(gòu)效應(yīng)

由于化工工業(yè)建筑的設(shè)備布置復(fù)雜，且施工和安裝時可能會變更位置，樓面常采用井字梁結(jié)構(gòu)布置。等效活荷載計算需要根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和儲罐設(shè)備布置情況考慮。選取二層夾層軸2～8/C～D設(shè)備存放區(qū)的一典型開間結(jié)構(gòu)平面布置，見圖5(a)，根據(jù)文［1］原則進行探討。(1)情況1:按設(shè)備存放區(qū)結(jié)構(gòu)布置，儲罐放置在板跨區(qū)間靠中，中間次梁間距1485mm不大于儲罐設(shè)備基礎(chǔ)尺寸，儲罐定位基本上固定。見圖1和圖5(a)在該跨區(qū)間內(nèi)最多布置兩個儲罐，中間兩次梁之間區(qū)域內(nèi)面積小于兩個儲罐底面積之和，則最不利等效活荷載取值為:qe=500*2/(1.485*7.5)=90kN/m2，為經(jīng)濟考慮，其它板區(qū)格區(qū)域荷載按相關(guān)規(guī)定取值。將等效活荷載代入計算，構(gòu)件配筋值計算結(jié)果與采用集中荷載布置的最不利情況基本一樣，見圖6(a)。(2)情況2:若采用平底儲罐設(shè)備布置的位置不固定，樓面結(jié)構(gòu)采用井字梁均勻布置，則儲罐布置在板跨區(qū)格中間時為計算框架梁配筋的最不利等效活荷載工況。故作用在板區(qū)格的受荷占儲罐總重的1/4，即500/4=125kN，再將該區(qū)格所占總受荷轉(zhuǎn)化單個區(qū)格板中部不利值，見圖5(b)，然后根據(jù)文［1，4，7］提供公式計算，不考慮樓面墊層對荷載擴散的有利作用。

2.2一層柱計算高度選用與角柱基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化

(1)經(jīng)電算結(jié)果比較，考慮地梁作用，一層柱計算高度算到地梁頂面，其計算結(jié)果較經(jīng)濟，使一層柱、二層梁和基礎(chǔ)計算結(jié)果更合理。不考慮地梁作用，一層柱計算高度算到基礎(chǔ)頂面，計算結(jié)果偏安全。原因是忽略地梁的存在，造成一層的計算高度較高，柱線剛度減小，引起二層梁內(nèi)力分配增加，故對二層梁的計算結(jié)果偏安全。對于一層層高較高，柱底內(nèi)力較大的框架柱，其配筋則不經(jīng)濟;對于基礎(chǔ)未考慮地梁承擔(dān)彎矩分配的有利影響，角柱基礎(chǔ)截面尺寸影響最大或不合理。

(2)角柱基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化選取東南角的角柱分別按有無地梁層討論柱底內(nèi)力對基礎(chǔ)影響，見表2。計算結(jié)果表明，無地梁層按不考慮一層砌體產(chǎn)生的局部彎矩影響時，X、Y向地梁分別承擔(dān)的最大彎矩為:ΔMxmax=244－139=105kN.m，占43%，ΔMxmay=180－133=47kN.m，占26%。即為增設(shè)地梁分擔(dān)的基礎(chǔ)內(nèi)力，顯然不考慮地梁作用對基礎(chǔ)截面設(shè)計是不盡合理。可見，角柱承擔(dān)的豎向內(nèi)力較邊柱和中柱小，但受雙向受彎矩作用均較大，對地基承載力不高，或不允許修正的地基承載力特征值的持力層，則對于低層建筑角柱基礎(chǔ)截面設(shè)計往往較大，甚至是最不利。特別對于高層建筑，基礎(chǔ)需考慮地震作用，角柱柱底受雙向彎矩作用大，計入地梁分擔(dān)部分彎矩作用，則基礎(chǔ)截面計算結(jié)果更合理、經(jīng)濟、安全的。

2.3屋面輕鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計

(1)檁條節(jié)點設(shè)計優(yōu)化根據(jù)文［3］屋面梁側(cè)向支撐的隅撐做法，見圖7(a)，該節(jié)點可根據(jù)工程實際情況進行優(yōu)化，不僅結(jié)構(gòu)受力合理，而且便于施工、美觀。增設(shè)隅撐是為了保證屋面梁受壓區(qū)平面外的穩(wěn)定性，即兩檁條間設(shè)有隅撐的間距為屋面梁平面外的計算長度，從而取得良好的經(jīng)濟效益［3，10］。隅撐受力為軸心受力作用，此時檁條作為側(cè)向支撐受偏心軸壓作用［3，12］。參照文［12］，將圖7(a)可修改為圖7(b)，不僅利于減少層高，使隅撐剛度提高，支撐桿和檁條更有利于增強屋面梁受壓區(qū)的側(cè)向支撐作用。對于較小跨度屋面梁，其截面尺寸受剛度限制和構(gòu)造要求，剛架結(jié)構(gòu)梁或柱的局部穩(wěn)定性應(yīng)滿足文［3］要求，即利用梁腹板屈曲后強度。參照文［12］，當(dāng)檁條高度為梁高的1/2～1時，可采用增設(shè)加勁板和檁條共同來保證屋面梁平面外的穩(wěn)定性，從而取替代隅撐，見圖7(c)。當(dāng)屋面梁高與檁條相等時，屋面梁下翼緣受壓區(qū)則不設(shè)隅撐，屋面梁平面外的穩(wěn)定性由檁條支撐，見圖7(d)。同時對于圖7(c，d)情況在結(jié)構(gòu)計算時梁或柱的平面外計算長度可按實際支撐長度或系桿的間距進行校核。反之，對于大跨度的鋼梁，或?qū)痈吒叩匿撝渥兘孛娓叽螅踔粮邔挶却笥?，考慮梁或柱腹板屈曲后強度［3］，則構(gòu)件較柔弱，檁條或墻梁截面高度相對較小，此時梁或柱平面外計算長度應(yīng)由系桿間距確定或適量增設(shè)系桿，不僅利于確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且利于確保施工過程的安全［3］。

(2)梁柱節(jié)點設(shè)計因屋面層為排架結(jié)構(gòu)，考慮電動單梁吊車水平橫向水平力作用及抗震時水平位移影響，鋼梁與砼連接處設(shè)置抗剪鍵承擔(dān)水平剪力，鋼梁支座采用鉸接連接，一端鋼梁鋼墊板螺栓孔采用長菱形開孔，使鋼梁協(xié)調(diào)水平位移變形;另一端采用一般圓孔，使鋼梁不形成機構(gòu)。

3結(jié)語

化工生產(chǎn)車間結(jié)構(gòu)設(shè)計需注意如下事項:(1)荷載取值與等效荷載的計算、結(jié)構(gòu)布置、建模基本參數(shù)設(shè)定、設(shè)防分類、抗震等級是工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點問題，是關(guān)乎結(jié)構(gòu)設(shè)計安全的關(guān)鍵。(2)化工生產(chǎn)車間設(shè)備重，結(jié)構(gòu)布置須根據(jù)工藝要求和設(shè)備支撐情況進行結(jié)構(gòu)布置。設(shè)備布置位置可變性，井字梁樓面荷載應(yīng)按等效活荷載計算。(3)電算結(jié)果整體控制指標(biāo)應(yīng)全面考察與判斷，嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)應(yīng)選用不同的力學(xué)結(jié)構(gòu)計算軟件和多計算模型進行校核。(4)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計和輕鋼結(jié)構(gòu)部分結(jié)點設(shè)計可根據(jù)工程實際情況進行優(yōu)化設(shè)計。

作者：楊文武單位：黎明職業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院