混凝土柱钢梁结构在污泥处理厂房中的应用.pdf

3 6 0 相关专业 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 混凝土柱钢梁结构在污泥处理厂房中的应用 许 怡 ( 上 海市政 工程设 计研究 总 院( 集 团 ) 有 限公 司 ， 上 海市 2 0 0 0 9 2) 摘要 ：混 凝土柱钢梁 结构是一种 采用钢筋混凝 土柱作为竖 向构件 ，屋 面采用钢梁轻 钢体系 的结构 形式 。它不 同于门式 刚架结 构， 也不同于钢筋混凝土框架结构。该文从结构分析要点出发， 通过对关键构造的探讨和经济性 比较， 并结合工程实例， 研究混凝 土钢梁结 构在污泥处理 厂房 中的应用 。 关键 词 ： 混凝土柱钢梁 ； 门式 刚架 ； 厂房结 构 中图分类 号 ： T U 3 7 5 3、 T U 3 9 2 文献 标识 码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 3 6 0 0 2 0引言 随着 城市污 水处理 厂大规模 的建设运行 ， 污 泥产生量大幅增加 。为使污泥处理达到减量化 、 无 害化 、 稳 定化 、 资源化 的 目标 ， 在污泥处理 厂房 的 设计 中一般设置污泥干化 系统 、 污泥焚烧 系统 、 烟 气除尘系统、 除臭系统等。污泥处理厂房的跨度一 般 在 2 0 3 0 m， 高度在 l 5 2 0 m。工业 厂房 的结构 选 型时 ， 可考虑门式刚架或混凝土柱钢梁结构。门 式 刚架跨越能力强 、平面布置灵活 、外形简洁优 美 、 施工方便， 在工业厂房的设计中应用广泛。由 于污泥具有一定 的腐蚀性 ，采用 门刚结构 时需对 钢结构进行防腐及防火处理。随着防火涂料和后 续 维护成本 的上升 ，不少业 主要求采用混凝土柱 钢 梁结构 。混凝土柱钢梁结构在现行规范 中没有 明确其设计方法和构造要求 ，本文将结合工程实 例 ， 探讨此类结构的分析要点、 关键构造， 并从经 济性角度评价此类结构的适 用性 ，为类似工程提 供借鉴 。 1 结构 分析要点 1 1 荷载取值 目 前我国关于荷载取值的规范有 建筑结构 荷载规范 ( G B 5 0 0 9 2 0 1 2 ) 和 门式刚架轻型房屋 技术规程( 2 0 1 2 年版) ( C E C S 1 0 2 ： 2 0 0 2 ) ， 由于这两 本规范在荷载取值 、 计算方式上存在个别差异， 导 致了设计 、审图及一些设计软件 中的某些 参数取 值出现混乱。 1 1 1 风荷载取值 在 门刚规范 的风荷载计算中， 基本风压的 取值需按 荷载规范 的规定值乘以 1 0 5采用， 而 且风荷载的体型系数已包含了阵风效应，仅适用 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 5 2 2 作者简介： 许怡( 1 9 8 1 一 ) ， 女 ， 上海人 ， 硕士， 高级工程师 ， 研究 方 向 ： 结构工 程。 于屋 面平均高度不 大于 1 8 IT I 的门式 刚架 轻型房 屋。 对于污泥处理厂房而言， 其高度可能超过1 8T I ， 应按 荷载规范 进行取值计算。 1 1 2 雪荷载取值 在污泥处理厂房设计 时 ，建筑专业应尽可能 避免多坡屋面 ， 以避免 中问 V型谷形成滑雪效应。 同时 ， 应 降低女儿墙高度 ， 以减小堆雪效应 。雪荷 载计算时 ，应注意屋面积雪不均匀分布系数 的影 响 ， 特别是 女儿墙较高时 ， 积雪不均匀分布系数会 达到 1 4 ， 同时还应注意双坡屋面半坡积雪不均匀 分布 系数差别较大的影 响 ，防止 出现计算不安全 的误差隐患 。在寒冷地 区也可 以考虑在雪荷载取 值时适当增大安全储备。 1 1 3 屋面恒 、 活载取值 屋面恒荷载计算 时 ， 钢梁 自重另行计算 ， 单层 彩色压型钢板加保温棉取 0 2 0 k N m ， 双层彩色压 型钢板 加保 温棉取 0 2 5 k N m ， 檩条 、 水平 支撑 系 统取 0 1 k N m ， 吊挂 电器设备 、 消防水喷洒管道等 悬挂荷载取 0 1 k N m 。 屋 面活荷载 的取值按 荷载规范 规定不上人 屋面活荷载为 0 5 k N m ， 在 门刚规范 中对受荷 水平投影面积超过 6 0 i n 的刚架构件 ， 活荷载可取 为 0 3 k N m 。 在污泥处理厂房 的活荷载取值时 ， 考 虑到设备安装 时存在增设 风管及 支架 的可能性 ， 需提高安全储备 ， 故一般采用 0 5 k N m 。 1 2 钢梁挠 度 混凝 土柱钢梁结构 中钢梁正 常使用状况下 的 挠度取值是目前争议比较大的问题。 钢结构设计 规范 ( G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) 规定楼 ( 屋 ) 盖主梁受弯构 件挠度限值 V t 为 1 4 0 0 。 门刚规范 则规定支承 压型钢板 屋面和冷 弯型钢檩条 的门式刚架斜梁 ， 构件挠度限值为 L 1 8 0 。严格来说 ， 混凝 土柱钢梁 结构的挠度控制应按照 钢规控制， 但挠度限值 1 4 0 0必然会导致增大钢梁截面 ， 造价上升 。而直 接套用 门刚规范 的挠度限值 l 1 8 0 ， 可能导致挠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与 防洪 相关专业3 6 1 度过大 ， 排水不顺畅 ， 还 给人不安全 的感觉 。在污 泥处理厂房的设计中，对于屋面设置悬挂起重机 的屋面钢梁 ， 挠度 限值按 1 4 0 0计算。对于无悬挂 起重机 的屋面钢梁 ，可控制挠度限制在 1 2 5 0左 右 ，再适当考虑施工预起拱值 ，这样经济性 比较 好， 一般也能满足 钢规 l 4 0 0的挠度限值。 1 3 模型计算 在此类结构 的设计 中， 主要 采用 P K P M进行系 列软件进行整体计算和单榀复算。在进行整体建 模 时 ， 平面外柱 轴线 ( 除抗 风柱外 ) 可 布置混凝 土 梁。由于污泥处理厂房层高较高 ， 为满足抗震要求 的柱顶位移的限值 ， 可布置多道混凝土梁( 即连系 梁 ) ，位置高度宜结合外立面 门窗高度进行布置 。 这 样在平 面外能使 混凝土柱 梁形成平 面框架 ， 在 无 重级起重 机 吊车梁 的情况下 ，纵 向水 平力 由混 凝土梁承担， 不布置柱间支撑也能满足规范要求。 在进 行整体计算 时 ， 采用 S A T WE程 序 。程序 会根据整体分析得出的结果按照混凝土结构设计 规范进行混凝土柱和混凝土连系梁的配筋计算 ， 按 选定的钢梁构件给 出钢梁的应力 比。同时根据 整体分析计算的柱底 内力完成基础设计 。 对于混凝土柱钢梁结构还应进行单榀复算 ， 即采用 S T S钢结构程序 中的 P K进行建模计算 。 这 是因为考虑到 S A T WE与 P K的差异 ， 钢梁( 一般为 双坡屋面 )轴力对柱的推力 、混凝 土柱顶位移过 大、 钢梁挠度过大等影响。一般来说 P K的计算结 果 ， 钢梁是 能采用的 ， 而混凝 土柱应与整体计算结 果作 比较后 ， 取大值 。 2 关键构造 2 1 屋面钢梁与柱顶的连接 梁与柱 的连接一般 可分为刚性 、半刚性及铰 接连接。在门式刚架结构中， 钢梁与钢柱采用刚接 连接。在混凝土钢梁结构 中， 由于混凝土与钢材的 材料差异， 节点抗拉、 抗冲切性能很差。而且刚接 节点的设计和施工均较复杂， 一旦连接松动， 钢梁 将会受到 比设计 内力大很多 的弯矩 。基于 以上原 因 ， 在污泥处理厂房 的设计 中， 柱顶与钢梁 一般采 用铰接连接 。采用铰接连接 ， 柱可不受弯矩影响 ， 柱 的断面配筋较钢筋混凝土框架柱小很多。 钢梁两端铰接于柱 ， 水平推力较大 ， 目前处理 方式 主要有三种 。一种是柱顶增设抗剪件 来承受 水平推力产 生的剪力 ， 见 图 1 所示 。第二种是一端 支座锚固螺栓孔开成椭圆孔，水平力靠椭圆孔释 放， 见图 2 所示。第三种是在钢梁下增设拉杆来承 受水平推力。第二种方式虽然能有效地减小水平 力 ，但 长孔的大小必须根据结构分析确定 的最大 滑动位移确定 ， 而且必须留有余量 ， 在工程设计中 较为复杂。第三种方式在构件制作时增设拉杆， 减 小 了厂房的净高 ， 不利于室 内管道的铺设 ， 故业 主 一 般也不太愿意采用此方式 。故在污泥处理厂房 的设计 中， 通 常采用第一种方式 ， 通过增设抗剪件 来承受水平 力。 图 1 支座 采用抗剪件 示意图 图 2 支座采用椭 圆孔示 意图 2 2 支撑系统 钢结构屋面的横 向水平支撑和柱间支撑 的布置 可按照 门刚规范 进行布置。 门刚规范 中规定 支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑。 钢 结构规范 中则要求采用角钢刚性支撑 。在污泥处 理厂房的设计中， 对于满足 门刚规范 适用条件 的厂房 ， 可采用 圆钢支撑 ， 否则应采用角钢支撑 。 3 经济性比较 某污泥处理厂房平面尺寸为 2 4 m x 7 2 m， 单 跨建筑 ， 跨度 2 4 m， 柱网间距 6 m， 高度为 1 5 m， 屋面设 2 t 电动单梁起重机 。 基础均采用预应力混 凝土管桩 。 方案一采用门式刚架结构形式 ，刚架柱截面 H ( 1 0 0 0 3 O O ) 3 2 01 01 4 ， 梁截面 H( 1 0 0 0 8 0 0 ) 3 0 081 2 。墙 面围护采用彩钢板。 方案二采用混凝土柱钢梁结构，混凝土柱截 面 5 0 0 m m8 0 0 m m， 梁截面 H 9 0 03 0 081 2 。 在 柱高 范 围 内设 置 三道钢 筋 混凝 土梁 ，梁截 面 3 5 0 m m 6 0 0 m m。 墙面围护采用蒸压加气混凝土 ( 下转第 3 6 5页 ) 阂圈 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与防洪 相关专业3 6 5 规范 自2 0 1 2年 1 2 月 1日起实施 ， 为管廊设计提 供 了更全 面和系统 的指 导依据 ，对其 发展建设是 一 个很好的推动力 ， 但较 日本 、 台湾等地区呈网状 系统 的发展趋势还存在较大差距 。 综合 管廊投资主体不 明确 ，各种 市政基础管 网间缺乏协调体制 ，尚未形成一个完 整和层次清 晰的市政体 系。前期投 资较 大 、 协调工作量大 、 后 期运 营维 护成本 高 ， 制约 了其推广和发展 ， 目前仍 广泛采用传统直埋敷设方式。 综合 管廊管理体制上存在条块分 割 、交叉重 复 、 多头管理等问题， 导致建设地下综合管廊面临 道路 开挖难 、 执 法管理难 、 资金落 实难 、 清理 整顿 难等层层 阻碍 。维修养 护或扩容增容 之间的矛盾 需要专门机构来管理和协调 ，管理维修费用的来 源应作进一步研究 ， 运 营管理模式有待探讨 。 4 结语 综合管廊是综合利用地下空间的一种手段， 是市政基础设施建设的跨越式发展的典范，是市 政基础设施建设现代化， 管线集约化， 智能化的体 现和标志。它充分考虑未来城市快速发展对市政 设施 的负荷需求 ， 集约化建设 、 统一管理 的建设运 营新方式 ， 充分解决 了管线直埋带来 的诸 多难题 ， 有效地推动地区基础设施的现代化水平提升， 实 现持续发展 ， 是市政管线建设 的趋势和方 向。虽然 其巨大的建设投资和高昂的运营成本决定了综合 管廊 的大规模高速发展达到发达 国家 的水平还需 要较长的一段时间，但是它所带来的综合效应开 始被人们认识并重视 。坚信待完善相关政策、 规 范 ， 健 全法律 、 法规 ， 明确综合管 廊 的建设 条件和 建设标准 ， 确定各管线主管部门的责任与义务 ， 利 用科学的发展模式 ， 将使综合管廊建设制度化、 标 准化 ， 步人高速可持续发展轨道， 实现综合管廊的 综合效益。 参 考文献 1 】 GB 5 0 8 3 8 2 0 1 2 ， 城市综 合管廊 工程技术规 范 s 1 2 】 D G T J 0 8 2 0 1 7 2 0 0 7 ， 世博会园区综合管廊建设标准 s 】 3 李德强 综合管廊设计与施工【 M 】 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 9 ( 上接第 3 6 1页) 砌块。 表 1为方案一与方 案二的各项费用 比值统计 表。 表 1费用 比值 统计表 从表 1可 以看 出 ，混凝 土钢梁结构与 门式 刚 架结构土建成本相差不大 ，但 在后 期维护成本方 面具有 明显优势。 4 结语 混凝土钢梁结构既具有 门式 刚架跨越能力强 的优点 ，又能弥补门式刚架防腐防火等方面成本 高的缺点 ， 特别适用 于大跨度 的污泥处理厂房。在 结构设计 时 ， 荷载取值应按规范最不利 ， 钢梁 与柱 顶采用铰 接连接方式 ，结构分析 时应进行整体 和 单榀计算 。只有在设计中考虑全面 ， 才能消除此类 结构 的不安全 隐患 。 参考文献 1 】 C E C S 1 0 2 ： 2 0 0 2 ，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 ( 2 0 1 2年 版 ) S 】 2 】G B 5 0 0 0 9 2 0 1 2 ， 建筑 结构荷 载规范 s 】 3 】G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ， 钢结 构设计 规范 S 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m