本文摘要：摘要在采用鋼筋混凝土結構和鋼結構的傳統立式工業廠房中，當其跨度比較大、荷載比較重時，采用鋼混凝土組合結構體系能帶來更好的綜合效益。針對立式糧倉廠房堆放糧食、承受荷載較大的特點，以海南省某立式糧倉廠房框架結構為例，對其采用鋼筋混凝土結構、鋼結構和鋼混
摘要在采用鋼筋混凝土結構和鋼結構的傳統立式工業廠房中，當其跨度比較大、荷載比較重時，采用鋼混凝土組合結構體系能帶來更好的綜合效益。針對立式糧倉廠房堆放糧食、承受荷載較大的特點，以海南省某立式糧倉廠房框架結構為例，對其采用鋼筋混凝土結構、鋼結構和鋼混凝土組合結構分別進行方案設計并統計三種結構體系的經濟指標。利用有限元計算軟件對結構進行靜力推覆分析和動力彈塑性時程分析，對比不同結構體系的承載力、抗側剛度、層間位移角、出鉸情況、破壞形式等指標。分析結果表明，鋼混凝土組合結構體系以其優越的受力性能、便捷的施工性能以及良好的綜合效益，在立式工業廠房中具有廣闊的應用前景。
關鍵詞立式工業廠房;結構體系;靜力推覆分析;動力彈塑性時程分析;抗震性能;鋼混凝土組合結構
引言
目前我國經濟正在飛速發展，傳統立式工業廠房的建設規模不斷擴大，對結構形式的要求也在逐步提高[1]。傳統立式工業廠房過去多采用鋼筋混凝土結構形式，其側向剛度大，價格較低，缺點是自重大、施工工期長、易開裂等。隨著我國經濟水平和鋼產量的大幅提高，鋼結構體系在傳統立式工業廠房中逐漸得到應用，其特點是施工速度快，但側向剛度小，用鋼量偏大。
近年來，傳統立式工業廠房呈現出荷載等級不斷提高和跨度逐漸增大的發展趨勢，同時對建筑的經濟性和綜合效益越來越重視，鋼筋混凝土結構形式和鋼結構形式已經逐漸不能滿足設計、建造和使用的要求1]。與鋼結構和鋼筋混凝土結構相比，鋼混凝土組合結構優勢顯著，造價比鋼結構低，側向剛度比鋼結構大，施工性能和抗震性能優于鋼筋混凝土結構5]。立式糧倉廠房需要進行糧食的堆放、儲存，儲糧層承受荷載較重，可達0kN/m，采用鋼混凝土組合結構形式會帶來更好的綜合效益。
在進行立式工業廠房結構設計時，要對各種結構體系的綜合效益進行分析比較，包括構件尺寸、有效使用空間、工程造價、使用性能、抗震性能等。為此，本文以海南省某糧倉廠房結構為研究背景，首先通過MIDAS.GEN和PKPM對糧倉進行鋼筋混凝土結構、鋼結構和鋼混凝土組合結構的方案設計，并對三種不同的結構體系進行經濟指標分析;然后采用基于MSC.MARC平臺開發的組合結構體系非線性分析程序COMPONAMARC建立桿系模型，開展推覆荷載下的靜力彈塑性分析和地震作用下的動力彈塑性分析。通過研究該糧倉廠房結構體系的技術經濟性能、抗推覆性能和抗震性能，分別對鋼筋混凝土結構、鋼結構及鋼混凝土組合結構方案進行對比，為立式工業廠房的設計提供參考。
1工程概況
1.1結構設計概況
擬建糧倉廠房共四層，首層層高9m，二層層高6m，三層層高6m，電梯機房層高4.5m，結構總高度25.5m。框架結構長50.1m，寬36.6m，樓蓋總面積1833.66m。其中，首層和二層跨度11.1m，三層跨度18.3m，電梯機房跨度9.6m。
1.2結構設計荷載
擬建糧倉廠房首層、二層為儲糧層，樓面恒載2kN/m，樓面活荷載考慮儲糧荷載較大，取為30kN/m;屋面恒載4kN/m，屋面活荷載考慮電梯機房和其他屋面區域的功能差異，荷載取值分別為kN/m及2kN/m;電梯機房樓面恒載kN/m，樓面活荷載取為kN/m。各設計取值均滿足相應規范要求[67]。1.3結構設計標準擬建糧倉廠房框架結構設計基準期為50年，設計使用年限50年。建筑的結構重要性系數為1.0，周期折減系數為0.7�？拐鹪O防類別為丙類，抗震等級為三級，抗震設防烈度為度，設計基本地震加速度為0.30g，設計地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅱ類。
2結構方案設計
2.1鋼筋混凝土結構設計方案
傳統多層糧倉廠房都是鋼筋混凝土框架結構，按照傳統設計思路，首先進行鋼筋混凝土結構方案的設計�；炷敛捎肅40，鋼筋采用HRB400。首層、二層樓板板厚160mm，三層、電梯機房樓板板厚140mm。混凝土樓板、梁和柱的鋼筋配置均根據PKPM設計結果予以適當的簡化。
2.2鋼結構設計方案
由于鋼筋混凝土框架結構方案結構截面尺寸大，自重大，加上近年來又在大力提倡發展鋼結構，現進行鋼結構方案的設計。鋼框架結構采用矩形鋼管柱、焊接工字形鋼梁，鋼材強度等級為Q345。首層、二層樓板板厚160mm，板頂負筋為雙向C12@200，上部分布筋為C6@110，下部垂直桁架方向受力筋為通長C12@200。三層、電梯機房樓板板厚140mm，板頂負筋為雙向C8@200，上部分布筋為C6@130，下部垂直桁架方向受力筋為通長C8@200。采用Φ16圓柱頭栓釘，每根鋼梁上布置兩列，橫向間距70mm，縱向間距200mm。
2.3鋼混凝土組合結構設計方案
由于鋼結構方案用鋼量大，經濟性差，故在此基礎上作進一步優化，進行鋼混凝土組合結構方案設計。鋼混凝土組合結構框架采用矩形鋼管混凝土柱，框架梁采用焊接工字形鋼梁。鋼材強度等級為Q345，混凝土采用C40級。首層、二層樓板板厚140mm，板頂和板底均配置雙向C14@80縱向鋼筋，栓釘高100mm。三層、電梯機房樓板板厚120mm，板頂和板底均配置雙向C12@100縱向鋼筋，栓釘高80mm。采用Φ16圓柱頭栓釘，每根鋼梁上布置三列，橫向間距90mm，縱向間距100mm。
3結構分析計算方法
首先，基于設計軟件MIDASGEN對立式糧倉廠房框架結構進行彈性設計分析，計算不同荷載組合作用下的結構設計內力。接下來，通過設計軟件PKPM對結構構件進行配筋，并統計三種設計方案的結構自重、用料情況以及主梁高度等參數。然后，基于有限元計算軟件MSC.MARC進行推覆荷載下的靜力彈塑性分析和地震作用下的動力彈塑性時程分析，考察不同的立式糧倉廠房框架結構在推覆荷載和地震作用下的整體側移和層間變形，以及極限狀態下結構的出鉸情況和破壞模式等。
結構的分析計算采用清華大學組合結構課題組基于MSC.MARC平臺開發的非線性分析子程序包COMPONAMARC。在建立非線性纖維梁柱模型時，樓板平面內變形按剛性樓蓋假定考慮，樓板平面外變形對結構性能的影響采用考慮樓板空間組合效應的桿系模型來模擬[89]。
采用文獻[10]中建立的非線性單軸材料本構關系，其中混凝土材料模型可考慮多次加卸載后強度和剛度的退化行為;鋼材和鋼筋模型能夠合理地考慮其在往復荷載作用下的包辛格效應。此桿系模型能夠準確反映結構在地震作用下的非線性滯回性能，其精度和數值穩定性已得到驗證[1115]。對結構進行靜力推覆分析時，采用基于多點位移控制的位移推覆方法[16]。
該方法通過附加剛性位移約束方程，確保各層水平荷載按恒定比例分布，并且能夠實現在結構從彈性階段發展到最終完全失去水平承載力時的全過程分析，因此可以作為結構倒塌分析的有效手段。模擬中采用分布質量模型，將每個梁格內樓面的重力荷載代表值按照45°方向分配到周邊梁上，并換算成梁單元的密度。次梁與框架梁鉸接，參與結構的豎向受力。
4計算結果及分析
鋼筋混凝土結構進入彈塑性狀態時，底層為柱端先出鉸，不滿足規范中“強柱弱梁”的設計目標。這是由于在進行鋼筋混凝土結構方案設計時，參考的規范[7]中有關柱軸壓比的規定限值偏高，因此設計出來的柱截面尺寸偏小;加之糧倉結構承受的荷載大，設計的框架梁尺寸較大，形成“強梁弱柱”的局面[17]，導致在罕遇地震下鋼筋混凝土結構的梁構件不會屈服。鋼結構底層有一部分為柱端先出鉸，另外一部分為梁端先出鉸。
鋼混凝土組合結構底層均為梁端先出鉸，使梁成為第一道有效的抗震防線。 鋼筋混凝土結構進入彈塑性狀態時均為柱端出鉸，鋼結構和鋼混凝土組合結構梁端和柱端均有出鉸�？v觀結構的塑性發展過程，鋼結構柱端出鉸大部分先于梁端出鉸，而鋼混凝土組合結構在各層均為梁端出鉸先于柱端出鉸。
縱觀立式糧倉廠房結構的塑性發展過程，鋼筋混凝土結構底層為柱端出鉸;而鋼結構和鋼混凝土組合結構底層均為梁端先出鉸，使梁成為第一道防線，進而柱端出鉸成為第二道防線;鋼筋混凝土結構和鋼結構二層均為柱端出鉸，而鋼混凝土組合結構二層依舊是梁端先出鉸而柱端后出鉸。
綜合上述分析可知，在罕遇地震和多遇地震作用下，立式糧倉廠房采用鋼混凝土組合結構體系能夠在結構各層中均形成兩道抗震防線，與鋼筋混凝土結構和鋼結構相比，可以有效提高結構的抗倒塌能力，使整體結構具有良好的抗震性能。這是因為鋼混凝土組合結構自重較輕，地震作用相比鋼筋混凝土結構有所降低;栓釘能夠有效地阻止鋼梁與混凝土翼板之間的相對滑移和掀起[1]，使鋼梁與混凝土翼板處于整體受力狀態，從而提高鋼梁的穩定性和整體性，改善鋼梁的動力性能。
結論
本文以海南省某立式糧倉廠房結構為研究背景，分別采用鋼筋混凝土、鋼結構和鋼混凝土組合結構體系進行方案設計，通過技術經濟指標分析、靜力推覆分析和動力彈塑性時程分析，得到以下結論：
1)技術經濟指標分析結果表明，立式工業廠房采用鋼混凝土組合結構體系時，與鋼筋混凝土結構體系相比可以明顯減小構件的截面尺寸、增加有效使用空間以及顯著地減輕結構自重;與鋼結構體系相比能夠有效地降低用鋼量等，綜合效益顯著。
2)靜力彈塑性推覆分析結果表明，立式工業廠房采用鋼混凝土組合結構體系比鋼筋混凝土結構體系能獲得更高的承載力和更好的延性，并且防止結構進入彈塑性狀態時出現柱端先出鉸的破壞模式;同時比鋼結構體系表現出更大的結構剛度和更好的整體穩定性，有效提高結構的抗側力性能。
3)動力彈塑性時程分析的結果表明，立式工業廠房采用鋼混凝土組合結構體系在地震作用下的結構響應相比鋼筋混凝土結構體系大幅降低，可以有效地減小地震作用以及降低結構的破壞程度;同時鋼混凝土組合結構體系在結構各層均可形成兩道抗震防線，能夠顯著提高結構的整體抗倒塌能力，相比鋼結構體系具有更加優越的抗震性能。
綜上所述，鋼混凝土組合結構體系以其優越的受力性能、便捷的施工性能和良好的綜合效益，在多層立式工業廠房中具有廣闊的應用前景。
參考文獻
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作者：胡曉文，聶鑫
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