本文摘要：摘要在采用钢筋混凝土结构和钢结构的传统立式工业厂房中，当其跨度比较大、荷载比较重时，采用钢混凝土组合结构体系能带来更好的综合效益。针对立式粮仓厂房堆放粮食、承受荷载较大的特点，以海南省某立式粮仓厂房框架结构为例，对其采用钢筋混凝土结构、钢结构和钢混
摘要在采用钢筋混凝土结构和钢结构的传统立式工业厂房中，当其跨度比较大、荷载比较重时，采用钢混凝土组合结构体系能带来更好的综合效益。针对立式粮仓厂房堆放粮食、承受荷载较大的特点，以海南省某立式粮仓厂房框架结构为例，对其采用钢筋混凝土结构、钢结构和钢混凝土组合结构分别进行方案设计并统计三种结构体系的经济指标。利用有限元计算软件对结构进行静力推覆分析和动力弹塑性时程分析，对比不同结构体系的承载力、抗侧刚度、层间位移角、出铰情况、破坏形式等指标。分析结果表明，钢混凝土组合结构体系以其优越的受力性能、便捷的施工性能以及良好的综合效益，在立式工业厂房中具有广阔的应用前景。
关键词立式工业厂房;结构体系;静力推覆分析;动力弹塑性时程分析;抗震性能;钢混凝土组合结构
引言
目前我国经济正在飞速发展，传统立式工业厂房的建设规模不断扩大，对结构形式的要求也在逐步提高[1]。传统立式工业厂房过去多采用钢筋混凝土结构形式，其侧向刚度大，价格较低，缺点是自重大、施工工期长、易开裂等。随着我国经济水平和钢产量的大幅提高，钢结构体系在传统立式工业厂房中逐渐得到应用，其特点是施工速度快，但侧向刚度小，用钢量偏大。
近年来，传统立式工业厂房呈现出荷载等级不断提高和跨度逐渐增大的发展趋势，同时对建筑的经济性和综合效益越来越重视，钢筋混凝土结构形式和钢结构形式已经逐渐不能满足设计、建造和使用的要求1]。与钢结构和钢筋混凝土结构相比，钢混凝土组合结构优势显著，造价比钢结构低，侧向刚度比钢结构大，施工性能和抗震性能优于钢筋混凝土结构5]。立式粮仓厂房需要进行粮食的堆放、储存，储粮层承受荷载较重，可达0kN/m，采用钢混凝土组合结构形式会带来更好的综合效益。
在进行立式工业厂房结构设计时，要对各种结构体系的综合效益进行分析比较，包括构件尺寸、有效使用空间、工程造价、使用性能、抗震性能等。为此，本文以海南省某粮仓厂房结构为研究背景，首先通过MIDAS.GEN和PKPM对粮仓进行钢筋混凝土结构、钢结构和钢混凝土组合结构的方案设计，并对三种不同的结构体系进行经济指标分析;然后采用基于MSC.MARC平台开发的组合结构体系非线性分析程序COMPONAMARC建立杆系模型，开展推覆荷载下的静力弹塑性分析和地震作用下的动力弹塑性分析。通过研究该粮仓厂房结构体系的技术经济性能、抗推覆性能和抗震性能，分别对钢筋混凝土结构、钢结构及钢混凝土组合结构方案进行对比，为立式工业厂房的设计提供参考。
1工程概况
1.1结构设计概况
拟建粮仓厂房共四层，首层层高9m，二层层高6m，三层层高6m，电梯机房层高4.5m，结构总高度25.5m。框架结构长50.1m，宽36.6m，楼盖总面积1833.66m。其中，首层和二层跨度11.1m，三层跨度18.3m，电梯机房跨度9.6m。
1.2结构设计荷载
拟建粮仓厂房首层、二层为储粮层，楼面恒载2kN/m，楼面活荷载考虑储粮荷载较大，取为30kN/m;屋面恒载4kN/m，屋面活荷载考虑电梯机房和其他屋面区域的功能差异，荷载取值分别为kN/m及2kN/m;电梯机房楼面恒载kN/m，楼面活荷载取为kN/m。各设计取值均满足相应规范要求[67]。1.3结构设计标准拟建粮仓厂房框架结构设计基准期为50年，设计使用年限50年。建筑的结构重要性系数为1.0，周期折减系数为0.7。抗震设防类别为丙类，抗震等级为三级，抗震设防烈度为度，设计基本地震加速度为0.30g，设计地震分组为第二组。建筑场地类别为Ⅱ类。
2结构方案设计
2.1钢筋混凝土结构设计方案
传统多层粮仓厂房都是钢筋混凝土框架结构，按照传统设计思路，首先进行钢筋混凝土结构方案的设计。混凝土采用C40，钢筋采用HRB400。首层、二层楼板板厚160mm，三层、电梯机房楼板板厚140mm。混凝土楼板、梁和柱的钢筋配置均根据PKPM设计结果予以适当的简化。
2.2钢结构设计方案
由于钢筋混凝土框架结构方案结构截面尺寸大，自重大，加上近年来又在大力提倡发展钢结构，现进行钢结构方案的设计。钢框架结构采用矩形钢管柱、焊接工字形钢梁，钢材强度等级为Q345。首层、二层楼板板厚160mm，板顶负筋为双向C12@200，上部分布筋为C6@110，下部垂直桁架方向受力筋为通长C12@200。三层、电梯机房楼板板厚140mm，板顶负筋为双向C8@200，上部分布筋为C6@130，下部垂直桁架方向受力筋为通长C8@200。采用Φ16圆柱头栓钉，每根钢梁上布置两列，横向间距70mm，纵向间距200mm。
2.3钢混凝土组合结构设计方案
由于钢结构方案用钢量大，经济性差，故在此基础上作进一步优化，进行钢混凝土组合结构方案设计。钢混凝土组合结构框架采用矩形钢管混凝土柱，框架梁采用焊接工字形钢梁。钢材强度等级为Q345，混凝土采用C40级。首层、二层楼板板厚140mm，板顶和板底均配置双向C14@80纵向钢筋，栓钉高100mm。三层、电梯机房楼板板厚120mm，板顶和板底均配置双向C12@100纵向钢筋，栓钉高80mm。采用Φ16圆柱头栓钉，每根钢梁上布置三列，横向间距90mm，纵向间距100mm。
3结构分析计算方法
首先，基于设计软件MIDASGEN对立式粮仓厂房框架结构进行弹性设计分析，计算不同荷载组合作用下的结构设计内力。接下来，通过设计软件PKPM对结构构件进行配筋，并统计三种设计方案的结构自重、用料情况以及主梁高度等参数。然后，基于有限元计算软件MSC.MARC进行推覆荷载下的静力弹塑性分析和地震作用下的动力弹塑性时程分析，考察不同的立式粮仓厂房框架结构在推覆荷载和地震作用下的整体侧移和层间变形，以及极限状态下结构的出铰情况和破坏模式等。
结构的分析计算采用清华大学组合结构课题组基于MSC.MARC平台开发的非线性分析子程序包COMPONAMARC。在建立非线性纤维梁柱模型时，楼板平面内变形按刚性楼盖假定考虑，楼板平面外变形对结构性能的影响采用考虑楼板空间组合效应的杆系模型来模拟[89]。
采用文献[10]中建立的非线性单轴材料本构关系，其中混凝土材料模型可考虑多次加卸载后强度和刚度的退化行为;钢材和钢筋模型能够合理地考虑其在往复荷载作用下的包辛格效应。此杆系模型能够准确反映结构在地震作用下的非线性滞回性能，其精度和数值稳定性已得到验证[1115]。对结构进行静力推覆分析时，采用基于多点位移控制的位移推覆方法[16]。
该方法通过附加刚性位移约束方程，确保各层水平荷载按恒定比例分布，并且能够实现在结构从弹性阶段发展到最终完全失去水平承载力时的全过程分析，因此可以作为结构倒塌分析的有效手段。模拟中采用分布质量模型，将每个梁格内楼面的重力荷载代表值按照45°方向分配到周边梁上，并换算成梁单元的密度。次梁与框架梁铰接，参与结构的竖向受力。
4计算结果及分析
钢筋混凝土结构进入弹塑性状态时，底层为柱端先出铰，不满足规范中“强柱弱梁”的设计目标。这是由于在进行钢筋混凝土结构方案设计时，参考的规范[7]中有关柱轴压比的规定限值偏高，因此设计出来的柱截面尺寸偏小;加之粮仓结构承受的荷载大，设计的框架梁尺寸较大，形成“强梁弱柱”的局面[17]，导致在罕遇地震下钢筋混凝土结构的梁构件不会屈服。钢结构底层有一部分为柱端先出铰，另外一部分为梁端先出铰。
钢混凝土组合结构底层均为梁端先出铰，使梁成为第一道有效的抗震防线。 钢筋混凝土结构进入弹塑性状态时均为柱端出铰，钢结构和钢混凝土组合结构梁端和柱端均有出铰。纵观结构的塑性发展过程，钢结构柱端出铰大部分先于梁端出铰，而钢混凝土组合结构在各层均为梁端出铰先于柱端出铰。
纵观立式粮仓厂房结构的塑性发展过程，钢筋混凝土结构底层为柱端出铰;而钢结构和钢混凝土组合结构底层均为梁端先出铰，使梁成为第一道防线，进而柱端出铰成为第二道防线;钢筋混凝土结构和钢结构二层均为柱端出铰，而钢混凝土组合结构二层依旧是梁端先出铰而柱端后出铰。
综合上述分析可知，在罕遇地震和多遇地震作用下，立式粮仓厂房采用钢混凝土组合结构体系能够在结构各层中均形成两道抗震防线，与钢筋混凝土结构和钢结构相比，可以有效提高结构的抗倒塌能力，使整体结构具有良好的抗震性能。这是因为钢混凝土组合结构自重较轻，地震作用相比钢筋混凝土结构有所降低;栓钉能够有效地阻止钢梁与混凝土翼板之间的相对滑移和掀起[1]，使钢梁与混凝土翼板处于整体受力状态，从而提高钢梁的稳定性和整体性，改善钢梁的动力性能。
结论
本文以海南省某立式粮仓厂房结构为研究背景，分别采用钢筋混凝土、钢结构和钢混凝土组合结构体系进行方案设计，通过技术经济指标分析、静力推覆分析和动力弹塑性时程分析，得到以下结论：
1)技术经济指标分析结果表明，立式工业厂房采用钢混凝土组合结构体系时，与钢筋混凝土结构体系相比可以明显减小构件的截面尺寸、增加有效使用空间以及显著地减轻结构自重;与钢结构体系相比能够有效地降低用钢量等，综合效益显著。
2)静力弹塑性推覆分析结果表明，立式工业厂房采用钢混凝土组合结构体系比钢筋混凝土结构体系能获得更高的承载力和更好的延性，并且防止结构进入弹塑性状态时出现柱端先出铰的破坏模式;同时比钢结构体系表现出更大的结构刚度和更好的整体稳定性，有效提高结构的抗侧力性能。
3)动力弹塑性时程分析的结果表明，立式工业厂房采用钢混凝土组合结构体系在地震作用下的结构响应相比钢筋混凝土结构体系大幅降低，可以有效地减小地震作用以及降低结构的破坏程度;同时钢混凝土组合结构体系在结构各层均可形成两道抗震防线，能够显著提高结构的整体抗倒塌能力，相比钢结构体系具有更加优越的抗震性能。
综上所述，钢混凝土组合结构体系以其优越的受力性能、便捷的施工性能和良好的综合效益，在多层立式工业厂房中具有广阔的应用前景。
参考文献
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作者：胡晓文，聂鑫
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