工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中,管道支架是是其重要組成部分,管道支架的做法、走向受工藝影響很大。由于管道支架隨管線走線全廠區(qū)布置,在部分化工工業(yè)項(xiàng)目中所占工程量比重也較大,比較合理的設(shè)計(jì)方案對(duì)于工業(yè)項(xiàng)目的土建成本控制是有重要作用的。抵抗諸如地震作用、風(fēng)荷載以及管道水平推力等側(cè)向力的抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要組成部分,抗側(cè)力構(gòu)件的利用效率對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程量的節(jié)約有重要意義。本文將以某工程室外管架為例,對(duì)設(shè)計(jì)中常用的兩種方案進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)對(duì)比,以期得出較合理的設(shè)計(jì)方案。
內(nèi)蒙某工業(yè)項(xiàng)目室外管橋,最大單段管道支架直線長(zhǎng)度為354m,為釋放溫度應(yīng)力,分成若干區(qū)段。管架柱列間距為4.0m~6.0為主,部分區(qū)段跨越馬路,跨度較大,需要按桁架設(shè)計(jì)考慮。管道支架跨度尺寸為5.0m。三層,底層層高為5.0m,其余層高均為2.0m。
柱間支撐設(shè)置需要避開(kāi)馬路及廠房入口等。
基本風(fēng)壓:0.55kN/m2,地面粗糙度為B類(lèi)。
由于管道支架為鏤空構(gòu)件,管道層以下部分偏安全考慮體型系數(shù)為0.30,管道層范圍內(nèi)由于有管道擋風(fēng),偏安全考慮風(fēng)載體型系數(shù)為1.0。
工藝管道荷載:500kg/m,管道支架長(zhǎng)度方向。
建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí):二級(jí)
抗震設(shè)防類(lèi)別:丙類(lèi)
抗震設(shè)防烈度:7度,第二組,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。
阻尼比取0.02
抗震等級(jí):四級(jí)
主要鋼構(gòu)件均采用Q345B級(jí)鋼。
4.1.1 截面選型
(1)鋼柱和鋼梁均采用H型鋼,梁柱均為雙向剛接,采用栓焊混合連接型式,雙剪,摩擦型連接;柱腳采用剛接。
(2)柱間支撐采用中心支撐,X型交叉支撐,采用T型剖分鋼。
(3)管道層為減小鋼梁平面外計(jì)算長(zhǎng)度,設(shè)置水平支撐,水平支撐采用角鋼。
4.1.2 抗震措施
(1)需要滿(mǎn)足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)剪弱彎的要求,當(dāng)框架梁無(wú)法滿(mǎn)足極限承載力的要求時(shí),考慮梁翼緣在連接處局部加寬的方式來(lái)處理。
(2)需要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)域的屈服承載力進(jìn)行驗(yàn)算,不能滿(mǎn)足規(guī)范要求時(shí),柱的節(jié)點(diǎn)域局部貼焊鋼板進(jìn)行處理。
(3)需要滿(mǎn)足強(qiáng)柱弱梁的要求,由于鋼柱采用H型鋼,弱軸方向剛度較弱,無(wú)法滿(mǎn)足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)中式8.2.5-1或式8.2.5-2要求,通過(guò)調(diào)整截面,使鋼柱軸壓比控制在0.4以下,根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)要求,可不進(jìn)行強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算。
(4)長(zhǎng)細(xì)比限制:根據(jù)《石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T3055-2007)5.18條中表4:管架柱長(zhǎng)細(xì)比不大于150,柱間支撐按壓桿設(shè)計(jì),長(zhǎng)細(xì)比不大于120,縱梁長(zhǎng)細(xì)比偏安全按受壓控制,長(zhǎng)細(xì)比控制在150。
4.2.1 截面選型
(1)鋼柱和鋼梁均采用H型鋼,梁柱連接橫向剛接,采用栓焊混合連接型式,雙剪,摩擦型連接,縱向鋼梁與鋼柱鉸接;柱腳采用鉸接。
(2)柱間支撐采用中心支撐,X型交叉支撐,采用T型剖分鋼。
(3)管道層為減小鋼梁平面外計(jì)算長(zhǎng)度,設(shè)置水平支撐,水平支撐采用角鋼。
4.2.2 抗震措施:同 4.1.2.
A.橫向剛架:
(1)鋼柱強(qiáng)軸應(yīng)力比最大為0.33,弱軸應(yīng)力比為0.52;
(2)鋼梁應(yīng)力比最大為0.29;
(3)柱頂最大為11.9mm。
B.縱向剛架:
(1)鋼柱強(qiáng)軸應(yīng)力比最大為0.33,弱軸應(yīng)力比為0.52;
(2)鋼梁應(yīng)力比最大為0.25;
(3)柱頂最大位移0.4mm。
說(shuō)明:方案一由于為梁柱之間采用雙向剛接,平面模型僅能考慮一個(gè)方向的彎矩,因此需要將兩方向的平面模型的應(yīng)力比進(jìn)行疊加,才能較真實(shí)、全面的反應(yīng)鋼柱的應(yīng)力比狀況。經(jīng)兩方向應(yīng)力比疊加后鋼柱應(yīng)力比為 0.85.
A.橫向剛架:
(1)鋼柱強(qiáng)軸應(yīng)力比最大為0.52,弱軸應(yīng)力比為0.87;
(2)鋼梁應(yīng)力比最大為0.48;
(3)柱頂最大位移42.4mm。
B.縱向剛架:
(1)鋼柱強(qiáng)軸應(yīng)力比最大為0.33,弱軸應(yīng)力比為0.52;
(2)鋼梁應(yīng)力比最大為0.35;
(3)柱頂最大位移1.2mm;
方案一(梁柱雙向剛接+縱向柱間支撐)與方案二(梁柱僅橫向剛接+縱向柱間支撐)相比,梁柱支撐相同截面的情況下;鋼梁應(yīng)力比方案一較小,其中橫向剛架梁方案一優(yōu)勢(shì)較大,縱向剛架梁差別不大;鋼柱應(yīng)力比兩種方案比較接近,柱頂位移方案一較小。
經(jīng)計(jì)算,由于方案一柱底剛接,故基礎(chǔ)一般為大偏心,基礎(chǔ)相對(duì)于方案二較大,由于剛接柱腳做法因素,基礎(chǔ)短柱也較方案二較大。
在施工方便程度上,由于方案一梁柱雙向剛接,相對(duì)于方案二剖口焊數(shù)量較大,施工進(jìn)度較慢,施工質(zhì)量受焊縫質(zhì)量影響較大。
[1]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010.
[2]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003.