九牧永春智慧产业园输送线通廊结构设计

周平

（中机第一设计研究院有限公司，合肥230601）

1 工程概况

九牧永春智慧制造产业园位于泉州市永春县轻工基地。园区内规划建设一条连接103 厂房与107 厂房的通廊， 通廊内设置两条输送线，并在107 厂房外设置3 台提升机。

2 设计条件

2.1 场地条件和荷载取值

场地土自上而下分别为：填土、残积砂质黏土、全风化花岗岩、强风化花岗岩，其中填土厚度为8.50～20.30 m。 103 与107 厂房的±0 m 黄海高程分别为139.00 m 和130.00 m。

根据现行规范[1-2]，本工程抗震设防烈度为7 度（0.10 g），场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第三组。 由于通廊两侧高差9 m， 应估计不利地段对设计地震动参数产生的放大作用，故水平地震影响系数最大值取为0.088。

应业主要求，输送线沿途的活载标准值为10 kN/m2，其他荷载根据实际情况和GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[3]取值。基本风压为0.55 kN/m2，风载体型系数采用文献的结论，通廊迎风面、背风面、上表面、下表面的体型系数取值分别为+0.80、-0.80、-0.89、-0.79[4]。 温度荷载按±20℃取值。

2.2 工艺要求

应工艺要求，货物从103 厂房出发，沿输送线经通廊至提升机前，通过横向输送线分别送入3 台提升机内，提升机将货物降至107 厂房的地面（130.00 m），再由地面输送线送入厂房内。每条输送线宽1.9 m，并预留检修通道。因此通廊净宽不少于7.2 m，提升机塔架顶层需要6 m（井道3 m＋横向输送线3 m）的净宽。

2.3 制约因素

通廊横跨挡土墙、市政道路、10 kV 输电线以及消防车道。通廊的支座必须避开上述地段，形成最大跨度34 m 的桁架结构。 通廊下方净空高度不小于5 m，保证市政道路和消防车道的通行。

提升机塔架（以下简称塔架）位于107 厂房与消防车道间的绿化带上， 消防车道宽6 m， 绿化带宽3.7 m。 根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018 年版），环形消防车道不能被阻断，其最小宽度为4 m[5]，这使得塔架的底部宽度受到很大限制，总宽度不能超过4.5 m，其中占用消防车道部分不能超过2 m。

3 结构选型

3.1 通廊

通廊的跨间承重结构采用两跨钢桁架结构， 跨度分别为21 m 和34 m，共3 榀桁架，高度为4.9 m。 桁架一端与103 厂房脱开，另一端支承在塔架上。 桁架弦杆为200 mm×300 mm矩形管，斜腹杆为φ194 mm×16 mm 圆管。次梁截面为H250 mm×200 mm×6 mm×10 mm，楼面铺设带肋花纹钢板，供检修人员通行。

3.2 塔架

塔架采用钢框架-支撑结构，高度为19.6 m，共4 层，顶层作为输送线进入提升机的平台。 前文提及，塔架顶层平台所需净宽6 m，而底部宽度受限，因此塔架顶部采用悬挑结构，将第3 层整体向外挑出2 m，形成巨型牛腿，桁架支承在牛腿末端，搭接长度为1 m。 塔架结构宽度为4.2 m，长度为15.75 m，东侧距107 厂房外墙1.4 m，西侧占用部分消防车道。 由于塔架宽度较小，且承受偏心荷载，因此，在X 向设置较多支撑，除中间框架的顶层为给横向输送线提供空间外， 其他框架均全高设有支撑；Y 向考虑到地面输送线的净空要求，仅在检修电梯处设一道支撑。

3.3 基础

根据地勘报告，本工程采用旋挖钻孔灌注桩，以强风化花岗岩为持力层。V 形柱下基础桩径800 mm，其中第二道基础靠近挡土墙，为防止桩基破坏挡土墙，桩距离挡土墙边缘不小于5 m，且荷载直接传至岩层，不会对挡土墙产生额外的土压力。

塔架采用桩筏基础，因塔架紧邻107 厂房，只适合小型旋挖设备施工，因此塔架桩径d 采用600 mm，原107 厂房亦采用桩基础。 塔架基桩属于非挤土桩，根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》， 基桩与原有管桩的中心距不应小于3.0d（1.8 m）[6]。 因此本工程通过调整桩间距，在保证桩最小中心距的前提下，使桩位尽可能贴近107 厂房，既提高塔架基础的抗倾覆能力，也避免挤土效应对厂房造成不利影响。

4 滑动支座的运用

考虑到桁架纵向刚度很大，横向刚度和支架刚度较小，在最初的结构方案中，桁架弦杆与塔架顶层之间采用刚性连接，试图借助塔架的侧向刚度弥补桁架刚度的不足。

本工程采用PMSAP 对结构进行多遇地震作用下的计算分析，发现以下问题。

1）塔架承受较大倾覆力矩，在最小轴力的荷载组合下，塔架所有柱底均产生1 100 kN 以上的拉力，最大值达2 632.3 kN。经核算，基础能通过抗拔桩承受倾覆力矩，共计设置28 根抗拔桩，但由此造成造价偏高，基础造价估算为100 万元。

2）桁架与塔架连接处附近有较多构件应力比超限。 若简单地加大构件截面，将造成材料浪费。

通过分析得知，产生以上问题的主要原因有以下几方面。

1）荷载主要集中于桁架，且塔架的侧向刚度远大于桁架支承钢柱，在纵向水平地震作用下，桁架产生的惯性力多数通过刚性连接传递到塔架顶层，导致连接处构件受力过大，并产生较大的倾覆力矩。

2）本工程纵向温度区段为64.1 m，温度变形产生的内力亦会对塔架产生倾覆力矩。

3）桁架支承在塔架悬挑结构上形成偏心荷载，并产生倾覆力矩。

由此可知，解决问题的关键在于减小桁架水平力的传递。为降低造价，本工程将桁架上弦与塔架屋面脱开，并在桁架与塔架支承处采用滑动支座。根据PMSAP 对改进后结构的计算结果，塔架柱底拉力大幅度减小，最大值为947.0 kN，显示倾覆力矩过大的问题已显著改善。 同时，滑动支座附近构件的内力均明显减小。

采用滑动支座后，原结构尚须做进一步优化和补充，具体内容如下。

1）由于设置滑动支座和桁架上弦脱离塔架，塔架对桁架的水平约束被极大地削弱， 因此应加强桁架上下弦的平面内刚度，既限制桁架在滑动支座处的Y 向水平位移，也避免上弦产生局部振动。 具体做法为增大屋面水平支撑的截面，并修改通廊主跨的楼面次梁布置，形成水平支撑。

2）桁架支承结构由单排柱修改为V 形柱。 一方面加强支承结构纵向刚度，限制通廊在滑动支座处的X 向水平位移；另一方面减小了桁架跨度，对减小挠度、提高楼面舒适性均有一定帮助。 此外，V 形柱位于绿化带和停车场内，不影响厂区道路交通。

3）腹杆连接节点优化加强，在节点板上增设加劲肋，从构造上加强节点在桁架平面外转动刚度， 从而加强通廊的横向刚度，减小屋面在地震作用下的变形。

4）经过上述优化后，再用PMSAP 对结构进行弹塑性时程分析，考察结构在罕遇地震作用下的位移反应，特别是滑动支座处的位移是否满足要求。 选用3 条地震波，分别察看滑动支座顶部和底部节点的位移时程响应曲线，结果表明，滑动支座各向位移变形均小于规范限值（见表1）。

表1 罕遇地震下滑动支座最大响应位移mm

5）由于倾覆力矩减小，塔架基础可做优化。 结合增加基础自重等措施，基桩已不承受拉力，桩数减少25%，基础造价减少约15 万元。

5 结构防连续倒塌设计

当结构遭遇极端情况时，其荷载作用难以精确预估，结构可能发生超出预期的破坏，因此，应合理增加冗余约束，布置备用传力路径，防止发生严重的后果。

5.1 V形柱在防止结构整体坍塌中的作用

在最初的方案中， 桁架在103 厂房外的支承结构采用单排钢管柱，依靠塔架提供纵向刚度，然而当设置滑动支座后，其纵向刚度大幅削弱。 在大震作用下，钢管柱的柱顶和柱脚势必最先产生塑性铰。 分析此时体系的几何构造（见图1），扩大基础至支座C，刚片Ⅰ、Ⅱ由3 根相互平行但不等长的链杆相连，体系是瞬变的。 若桁架的水平位移过大，超出滑动支座的位移限值，可能产生整体坍塌的严重后果。 因此，本工程在柱两侧各增加一根斜撑，形成V 形柱，增强桁架结构底层的纵向抗侧力刚度。 斜撑可以承受全部纵向水平力，使钢柱柱顶不产生塑性铰。 同时，由于斜撑对柱变形的约束，斜撑、柱与桁架可视为一个刚片，即使柱脚形成塑性铰，刚片Ⅰ、Ⅱ仍通过两个铰和一根链杆相连，体系几何不变且有多余约束，从而避免通廊的整体坍塌。

图1 通廊的几何构造分析

5.2 塔架抗倾覆设计

由于塔架兼作通廊的支承结构，且承受较大倾覆力矩，一旦发生倾覆后果十分严重，因此，必须采取针对性措施使其有足够的抗倾覆冗余度。

1）桩基按抗拔桩设计，单桩抗拔极限承载力Tuk＝600 kN。抗拔桩的作用有两方面：一是当倾覆力矩超出塔架的抗倾覆能力时， 抗拔桩可作为第二道防线， 提供额外的抗倾覆力矩； 二是抗拔桩的破坏形式主要是桩身混凝土被拉断或桩被整体拔出，这两种破坏均会引起较大变形，给人以明显的破坏预兆，可以及时采取堆载等加固措施，阻止严重后果的发生。

2）筏板偏心布置。 塔架悬挑结构位于西侧，因此筏板亦向西延伸，令桁架重力荷载的作用点落在筏板范围内，使其不会对基础产生倾覆力矩。

3）增加筏板及其覆土的自重。 塔架筏板尺寸为16.35 m×6.9 m×1.35 m，覆土厚度为1 m，基础自重约5 800 kN。适当增大筏板的厚度，既增加自重，也提高了筏板刚性，同时，由于筏板加宽，抗倾覆力的力臂得以加大，进一步提高抗倾覆能力。

4）加强柱脚节点。 塔架柱脚采用外包式柱脚，并加强短柱纵筋和箍筋的配置，防止柱脚先于上部结构破坏。

6 结论

1）桁架结构支承在建（构）筑物时，合理地设置滑动支座可以有效减小水平力的传递，避免对建（构）筑物产生不利影响。 同时应加强桁架的刚度和整体性，减小结构在罕遇地震下的位移变形，防止桁架从支座上滑落。

2）V 形柱的设置可以避免桁架在大震作用下形成瞬变体系，从构造上加强桁架结构的防倒塌能力，且对于加强桁架支承结构纵向刚度、减小挠度等也有积极作用。

3）提升机塔架兼作通廊的支承结构时，加强其抗倾覆能力很有必要。 合理设置筏板和抗拔桩可形成抗倾覆的两道防线，使结构可靠性有足够的冗余度。