某垃圾电厂项目结构建模方案比较

某垃圾电厂项目结构建模方案比较

朱贞菁

（上海机电设计研究院有限公司，上海 200040）

摘要：为了满足新的工业生产需求，网架屋面在工业厂房设计中得到了广泛的运用，本文旨在通过某个厂房的设计，运用YJK和MST软件，理解厂房的结构形式，建设四种不同程度简化的模型。模型在构件设置，节点设置等方面有区别，通过比较计算结果，来浅析建模方案的可靠性和应用场景。几个模型变化也是现实设计方法和设计软件进步的一个过程，该过程体现了结构设计软件的对设计方法和结构的形式的影响。

关键词：YJK建模；网架；格构柱；

0 引言

工业厂房的设计特点是结构体系完整成熟，结构设计目的是满足各种工业生产需求，结构形式追求更大的使用功能空间，更短的施工周期，更高效可复制的标准化设计模式。工业厂房的结构体系目前主要采用钢结构，随着工业生产规模的不断扩大，为了满足更有效的生产线布置，现在大跨网架屋面也在工业厂房设计中得到广泛运用。

过去屋面网架通常是与主体结构分开计算，主体模型中网架的作用按支座荷载考虑。目前随着软件设计性能的提升，网架与主体结构共同计算已经非常普遍。

本文旨在通过建立几种不同简化方式的模型，比较这些模型的计算结果参数，浅析这几种模型的应用场景。

1 设计模型参数

以某垃圾电厂项目为例，在垃圾焚烧发电厂中的烟气净化处理区域，需要放置一系列大型设备，有反应塔、布袋除尘器、刮板机等，要求厂房屋面净空高、跨度大，所以结构设计方案一般采用钢格构柱支承网架屋面的单层钢结构厂房形式。

本文设计模型采用的基本设计参数，柱网采用3x3，柱距20m，柱顶高度50m，屋面恒、活载均为0.5 KN/m²，风荷载0.45KN/m²，地震分组第二组，设防烈度7度，0.1g，场地类别Ⅳ类。

根据上述参数，采用以下几种形式建立模型。

图1 柱网平面布置图

图2 模型立面布置图

模型一：厂房柱按柱单元构件建立，屋面采用刚性杆模拟，在柱单元构件柱顶设铰接节点。

模型二：厂房柱按柱单元构件建立，屋面网架用网架设计软件设计后导入整体模型，网架连接处构件与柱顶端节点铰接连接。

模型三：厂房柱按空间网格构件建立，屋面网架用网架设计软件设计后导入整体模型，网架连接处构件与柱顶端节点铰接连接。

模型四：厂房柱按空间网格构件建立，屋面网架用网架设计软件设计后导入整体模型，网架连接处构件与四个柱肢分别连接。本工程有将格构柱四肢分别与网架弦杆相连的连接节点，此模型即模拟这种连接方式。

四种模型主体结构均采用YJK进行结构计算，而网架屋面部分采用MST软件设计后导入YJIK与主体结构整体受力分析。

2 模型整体信息比较

2.1 模型建模方式对比

前三种模型都是对同一种设计情况的模拟。三个模型在荷载布置上的区别是，模型一是将屋面网架计算中的支座反力按节点荷载布置于柱顶；模型二的恒、活荷载、风荷载、地震作用均是计算软件根据计算参数自动导荷生成；模型三因为全是空间结构，作用荷载均需换算成点荷载，风荷载无法自动生成，所以是通过荷载规范中风压公式计算后布置于网架柱的不同高度节点上。

看计算中的设计信息，模型一仅有16根柱构件,25根梁构件，模型二有12根柱构件，其余均为斜杆构件，模型三则是由上百根斜杆构件组成。

模型一是一种简化模型，忽略屋盖及连接节点处实际的刚度。模型二是现在设计中常用的建模方式。模型三和模型四的格构柱都不是单根构件，而是整个模型作为一个空间结构体进行计算。

2.2 整体计算结果对比

钢结构工业厂房是对风荷载敏感建筑物，一般风荷载工况是控制工况而不是地震工况，所以风荷载下位移可近似评价各模型相对的侧向刚度。下面是这4个模型经过计算后得到的基本周期和在风荷载工况下柱顶最大位移值。

表1 模型整体信息

如表格所列，前三种模型计算结果的振型及位移结果信息基本相同，虽然是不同程度的简化模型，通过不同杆件形式的模拟，但是得到的结果基本相同。

模型四的周期值低于前三种模型模拟的结果，结构柱顶位移变小。格构柱四肢均与网架杆件相连，模型结果与预期结构整体刚度会变大相符。

由表格中模型位移数据看出，四个模型的侧向刚度是递增的。模型一是对屋盖做了刚性杆假定，不是真实情况。模型二是对屋面刚度的还原。模型三则是对柱构件刚度的还原。模型四则是将屋盖与柱连接节点处刚度增加。建模信息的丰富也让结构刚度更加真实，所以模型位移值虽然相近，但是在递减变化。模型四是反应工程实际情况，其他模型相对模型四更保守安全，都具有一定的准确性。

3 模型内力计算结果对比

前两个模型中厂房柱作为单元构件，内力结果清晰，但无法读取每个柱肢单独内力工况。模型三和模型四柱底恒载工况则需将四肢分别内力叠加可得格构柱整体的柱底反力。任一柱肢、腹杆的内力情况也可得。现取一根角柱，模型内力情况见下表。

表2 模型内力结果一

模型三和模型四柱底恒载内力比前两个模型所得略大，更详细的杆件信息使得自重计算更加精确。模型中柱的内力计算结果也与角柱情况相同。

因为钢结构厂房风荷载一般为控制工况，而且垃圾电厂净高要求高，风荷载引起的柱底弯矩对基础抗倾覆计算尤为重要。

模型三与模型四中网格空间结构柱是由二力杆构成，柱肢对基础产生的弯矩无法直观体现，该数值需根据四根柱肢杆件产生的两对力偶叠加获得。经过计算，风荷载工况及地震工况下柱底内力结果见下表。

表3 模型内力结果二

前三个模型在风荷载工况下内力值相近，与柱顶位移情况相符合，三个模型对同一结构形式的模拟结果基本相同。模型四柱顶节点刚度变大，对于厂房柱构件，模型不是一端固接一端铰接的连接形式，更接近一端固接一端弹性连接的连接节点，柱端弯矩值会相应降低，模型模拟结果与力学模型结果相符。

4 模型应用场景浅析

四个模型通过计算所得都较为合理，下面分析一下几个模型在本工程中的实际应用与取舍。

模型一无法满足精确设计的要求，但是建模过程简易，荷载布置明确，力学路径清晰。实际工程中工业生产设备的尺寸和载荷会因品牌不同而千差万别，在厂房设计方案阶段，这种简化后的模型对柱高、柱距、载荷等信息调整布置简单，可以让工程师对工业设备不同的布置方案有相对直观的了解，对结构形式、结构性能及用钢量也能有快速的认知。

模型二是目前常用的设计模型，其余模型模拟情况是否合理也基本是通过与这个模型相比较得知。

模型三是对模型二的进一步深化。在实际的工业厂房项目中，有大量的工业管道支架设置在梁柱构件上，墙架构件也同样为多肢构件，在这些情况下，按空间网格构件模拟的梁柱可以准确布置载荷，模拟实际节点刚度。模型计算中有每一根柱腹杆及弦杆的内力信息，能满足实际使用设计深度。并且在用钢量统计方面也更加准确，经济指标在工业厂房设计中也有重要影响。

模型四则是以往结构设计中避免出现的复杂受力情况，不利于手算复核，但是随着设计软件性能的提升，越多复杂的工况都可以通过电脑来模拟计算，这个垃圾电厂项目的实际设计成品也是采用了四肢分别连接的节点形式，并且通过MIDAS GEN来复核计算，结果相一致。

5 结论汇总

1、同一个工业建筑单体，通过对结构形式和功能性的充分理解，可以用多种模型进行表达，充分利用结构设计软件建模便捷设计过程。；

2、对于本文的垃圾电厂项目，模型三和模型四都是理想的建模方案，区别在于节点的处理方式。本项目最终采用了模型四的方案，因为对于柱跨适中的网架屋盖，温度应力对网架支座连接形式影响还是比较小的，而网架与柱肢连接处刚度和结构整体刚度都有提升；

3、结构设计软件性能的提升也有促进结构的设计方法的改变，我们可以从更多的角度来研究结构形式。过去常用的设计方案都是利于手算复核的，随着结构设计软件功能的完善，结构形式可以变得更加复杂。

工业厂房设计一直没有民用商用建筑那样的充满活力，但随着“去工业化”设计理念的推出，相信钢结构厂房的设计会有新的生机出现，利用好软件建模计算能力来迎接工业设计更多的可能性。

参 考 文 献

[1] 网架网壳设计与施工. 北京：中国建筑工业出版社，2006.

[2] 空间网格结构技术规程：JGJ7—2010. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 董石霖，罗尧治，赵阳.大跨度空间结构的工程实践与学科发展[J].空间结构，2005（4）：4-11,16.