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第 43 卷 第 3 期 2013 年 2 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 3 Feb 2013 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: TU392. 3文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 03- 0103- 05 Structural design and analysis on the super heavy experiment factory with concreted- filled steel tubular structure for a wind power equipment analysis center Zhao Hongxun，Luo Lanyue，Rao Jianbing，Qin Yali ( China IPPR International Engineering Corporation，Beijing 100089，China) Abstract: Based on an engineering example，the structure type，joint type and control index for the super heavy concrete- filled steel tubular structure were analyzed The lower column of the main frame is the concrete-filled steel tubular column with four limbs，and the main frame and its elements were analyzed and compared with SAP2000 and PKPM /STPJ The finite element analysis was done for the complex joints，such as box-type shoulder beam of double web and the arcuate haunch beam-column joint，and the difference between the finite analysis and the simplified calculation was presented，thus it provides the experience for the similar engineering design Keywords: concreted-filled steel tubular laced column;overall structure calculation;joint design and construction;finite element analysis 作者简介: 赵宏训， 学士， 高级工程师， 一级注册结构工程师， Email: zhaohongxun ippr net。 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 0. 10g， 设计 地 震 分 组 为 第 二 组。 基 本 风 压 w0= 0. 45 kN/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0. 850. 950. 900. 92 Hc 1 200 H 1 360 l 425 l 825 钢管混 凝土框架 0. 680. 820. 880. 79 Hc 1 450 H 1 650 l 430 l 850 注: 1) Hc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。2) T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。3)l 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95. 2016. 40111. 61. 00 钢管混凝土框架65. 5016. 4081. 90. 73 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 0. 13s， 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 ( CECS 28: 2012) 1规定为 0. 5 2. 5 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 0. 8， 取 0. 8 2. 0 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 345-B 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 426 10， 径厚比 42. 6， 套箍指标 = 1 47。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 15% 20% 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 ( GB 500172003) 2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 /1 250 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 5. 1 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: N = 770kN;M = 1 198kN m;V = 1 200kN。 吊车梁对肩梁的压力设计值: P1= 4 696kN;P2= 1 250kN。 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:Q1= N/2 M /h1， Q2= N/2 + M /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: = M xWn ; = VS Itw 。 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0. 741. 361. 141. 041. 11 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。 5. 2 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 2- 2 或 5- 5， 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。 5. 3 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 2. 5 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 1CECS28: 2012 钢管混凝土结构技术规程S 北京: 中国计划出版社， 2012 2GB 500172003 钢结构设计规范S 北京: 中国计 划出版社， 2003 3钢结构设计手册编辑委员会 钢结构设计手册( 上 册) M 3 版 北京: 中国建筑工业出版社， 2004 4包头钢铁设计研究总院， 中国钢结构协会房屋建筑 钢结构协会编著 钢结构设计与计算M 2 版 北 京: 中国建筑工业出版社， 2006 ( 上接第 54 页) 上分析可以看出， 结构的半跨活荷载布置对结构的 极限承载力产生了较大影响， 而且缺陷越小影响越 大。在结构整体稳定分析时应考虑初始缺陷和不利 活荷载的分布对结构极限承载力的影响。本工程通 过分析得到结构安全系数为 3. 5， 略小于文献 4中 的 4. 2 取值， 但同样可以判定结构是安全的。综合 线性屈曲分析可知， 最终的结构安全系数约为线性 屈曲分析第 1 阶特征值的 40% 。 5结论 对杭州保税区大门的拱式空间结构做了详细的 整体稳定分析， 得到以下结论: 1) 结构的第 1 阶屈 曲模态为平面外失稳， 对应的屈曲特征值为 8. 9， 说 明较窄的结构支座使得结构平面外刚度较小， 容易 发生平面外失稳; 2) 完善结构的整体稳定分析中可 采用引入合理扰动荷载的方法获得结构的二次分叉 点屈曲的荷载-位移曲线， 随着引入扰动荷载的增 大， 结构的二次分叉屈曲点的极限承载力降低; 3) 初始缺陷对于拱结构的整体稳定极限承载力影响较 大， L/300 初始缺陷下的极限承载力约为 L/1 000初 始缺陷下的极限承载力的 76% ; 4) 不利活荷载的分 布应在结构整体稳定分析中考虑， 半跨活荷载分布 对拱结构极限承载力产生了较大的影响; 5) 结构整 体稳定安全系数为 3. 5， 约为线性屈曲第 1 阶特征 值的 40% 。 参考文献 1剧锦三， 郭彦林， 刘玉擎 拱结构的弹性二次屈曲性 能J 工程力学， 2002， 19( 4) : 109- 112 2沈世钊， 陈昕 网壳结构稳定性M 北京: 科学出版 社， 1999 3GB 500172003 钢结构设计规范S 北京: 中国计 划出版社， 2003 4JGJ 72010 空间网格结构技术规程S 北京: 中国 建筑工业出版社， 2011 701