时间：2023-08-11 09:14:36
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前言
随着我国公路工程投资建设规模的快速发展，作为公路工程附属结构的涵洞的数量与日俱增。国内一些管理单位、高等院校以及设计单位通过对一些已建高速公路涵洞进行调查发现，相当多的涵洞存在病害，譬如：洞身不均匀沉降导致路面开裂；涵洞渗水、积水；洞身局部开裂；沉降缝错位、撕裂等等，不一而足。
1 涵洞定义
根据《公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)》(以下简称《通用规范》)第1.0.11条规定，桥梁和涵洞以单孔跨径5m为界，单孔跨径
2 设计规程、规范
与桥梁相比，涵洞的技术复杂程度较低、工程规模较小。但，因为它横穿公路，又不同于路外一般的排水构造物，结构措施不到位或地基处理不当都可能会产生病害并危及道路安全。
在《细则》颁布前，公路涵洞没有专用设计规范，仅在《通用规范》和《公路场工桥涵设计规范》（JTG D61-2005)中能见到一些原则性的、简单的规定，所占篇幅较少。设计人员采用的设计规范具有较大的随意性。结构设计人员往往首先采用自己最熟悉的本专业的规范，如：建筑结构规范、给排水结构规范、桥梁规范或水工规范等等，甚至经常出现混用不同规范体系的情况，这是很不合理的，可能导致设计结果在安全度、适用性方面留下隐患。随着《细则》的颁布实施，公路涵洞设计以公路体系规范作为设计依据，规范体系较为完整、全面，也更具针对性。
2.1 规程、规范的使用原则建议
2.1.1 建议以公路规范体系作为设计依据。
2.1.2 不同规范体系不能混用。虽然结构专业现行各规范体系基本都遵照以概率理论为基础的极限状态设计方法，但各规范体系所采用的目标可靠指标可能不同，如表1所示。各规范体系的材料强度分项系数、荷载分项系数、荷载组合规定、计算公式都不尽相同。显而易见，混用规范体系很容易造成设计结果的可靠度不足或偏大，因此，应避免这种做法。
2.1.3 各规范体系虽不能混用，但可以相互补充、局部引用。这主要指一些特定荷载的取值和计算方法、一些特定结构的结构分析方法、特定的构造措施等在不同规范体系之间的取长补短和相互借鉴。例如:过路圆形管涵的结构设计可以部分借鉴排水管道规范，因为排水管道规范关于管道及接口、管基的内容要比《细则》更为详尽，也更加权威。应该特别注意的是，为了避免混用规范体系，在局部引用其它体系规范时，一定要在设计依据中明确指出引用某规范的某一章节，甚至某一公式。那种将所能想到的规范名称统统列在设计说明书中的做法是不可取的。
2.2 建议采用的设计规程、规范
《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004) ;《公路涵洞设计细则》(JTG/T D65-04-2007);《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004);《公路桥涵地基与基础设计规范》(JT-GD63-2007) ; 《公路工程抗震设计规范》 ( JTJ 004-89);《公路污工桥涵设计规范》(JTG D61-2005) ;《给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程》(CECS 143 ：2002)第6一8章;《给水排水工程混凝土构筑物变形缝设计规程》( CECS117：2000);《混凝土结构耐久性设计与施工指南》 (CCES 01-2004,2005年修订版)。以上规程、规范应随着版本的不断更新采用最新颁布施行的版本。根据工程的具体情况，这些规范可适当取舍。
3 结构设计标准
3.1 设计基准期
《通用规范》第1.0.6条规定:公路桥涵结构的设计基准期为100年。
3.2 设计使用年限
国务院颁布的《建设工程勘察设计管理条例》第二十六条明确规定“编制施工图设计文件，应当满足设备材料采购、非标准设备制作和施工的需要，并注明建设工程合理使用年限”。
目前，我国公路体系规范对于桥涵结构设计使用年限未做规定，这不仅与国际惯例不符，也与我国《建设工程勘察设计管理条例》的要求相背离。国际上对桥隧等基础设施工程的设计使用年限多为100年，且有进一步延长的趋势。如:欧共体规定为100年，美国规定为不小于75-100年，日本建筑学会规范规定为100年；在国内，现行铁路、地铁规范明确规定为100年，工民建规范规定为5-100年，且均为强制性条文。显然，在这方面我国公路体系规范已欠全面。为了适应国际化发展趋势并满足国内法律法规的要求，公路桥涵逐步完善设计使用年限的规定势在必行，设计单位、设计人员对此应有足够的认识。
设计使用年限指的是“正常设计、正常施工、正常使用、正常维护”条件下工程在技术性能上能满足安全和使用要求的最低年限。可以看出，体现设计人员责任的最主要部分是“正常设计”，内容包括采用合适的设计基准期、采用正确的原则和方法进行承载能力极限状态、正常使用极限状态设计以及足够耐久性的设计。在设计文件中列出设计使用年限并非意味着设计单位或个人单方面对设计使用年限的独立承诺，它要靠设计、施工、管理与维护各方的共同努力来实现。
根据中国土木工程学会标准《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(以下简称《指南》)第3.2.2条，公路混凝土涵洞的设计使用年限分级为一、二级，对应的设计使用年限分别为100年、50年。见表2。
这样的规定是合适的，虽然涵洞的技术复杂程度较低、工程规模较小，但其维修、翻建或拆除不仅会影响路面结构，而且会影响到路基，不仅会造成较大的经济损失，对交通的干扰也很大，会严重影响道路的使用功能。
3.3 安全等级和结构重要性系数
建议涵洞结构的安全等级为二级，结构重要性系数γ0=1.0。
《通用规范》第1.0.6条、《细则》第9.1.2条规定:涵洞结构的安全等级为三级，结构重要性系数γ0=0.9，标准偏低，与《指南》规定的涵洞的设计使用年限不匹配。换个角度考虑，正因为涵洞在整个道路工程中所占比重较小，适当提高其设计标准还是划算的。
中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0098-06
1 工程概况
乌鲁木齐市外环快速路道路扩容改建工程（二期）A1标段主线Pn2001～Pn2037共37片盖梁因处于山坡地带、两侧为既有道路，且墩柱高度较高、下部地基承载力差等原因，无法采用满堂支架法施工盖梁，根据现场场地受限的实际情况在墩柱顶部预留孔洞采用剪力棒法施工盖梁。
2 盖梁支架结构
由于墩高较高，盖梁的施工采用三角斜腿托架支撑的形式。墩身上预留孔洞按图穿插剪力棒，将三角托架通过剪力棒销接于哑铃型墩身上。剪力棒直径为100 mm，剪力棒上下间距1.6 m，横向中心间距2.7 m。然后在三角托架上部放置工字钢垫梁，垫梁上放置贝雷梁组合架，贝雷梁组合架上放置I16工字钢分配梁，分配梁上支立间距为60×60 cm的碗扣支架，碗扣支架上放置I14的工字钢横梁，横梁上放置定型钢模底模板，这样就搭设好了整个盖梁的施工平台。如图1所示（未示碗扣支架）。
3 设计荷载
盖梁为变截面盖梁，最高处为2.549 m，最矮处为1.669 m，长度为17.5 m，混凝土一次浇筑完成。
钢筋混凝土容重取为26.5 kN/m3。
4 设计控制因素
（1）挠度控制：最大挠度控制在L/400以内。（2）受力控制：Q235B型钢按150 MPa控制，碗扣支架立杆在步距60c m的情况下容许值按[N]=40 kN计算。
5 碗扣支架受力计算
由于该梁为变高截面，按最大梁高处计算碗扣钢管承载力。梁高为2.549m，钢管间距0.6×0.6m，单根钢管承担的混凝土重量；NG=1.3×2.549×0.6×0.6×26.5=31.6kN
6 分配梁计算
6.1 分配梁受力情况
分配梁采用I16工字钢，垂直分布在贝雷梁组合结构顶面，图2所示。
根据盖梁的截面积可以计算出，单根立杆承载情况如下：中间两根立杆承受的盖梁混凝土面积是2.8 m2，分配梁间距是60 cm，那么该部分混凝土荷载就是：
2.8m×0.6m×26.5kN/m3×1.2≈54kN
则每根立杆承受的荷载就是27kN。对于外侧两根立杆，主要承受模板荷载及部分混凝土荷载，最外边立杆受力按5kN考虑，次外边的立杆按15 kN考虑，那么可以根据该受力情况进行分配梁的计算。
6.2 分配梁结构计算
6.2.1 分配梁计算模型
见图3。
6.2.2 分配梁反力
见图4。
从分配梁的反力可知，单侧的两片贝雷梁受力完全不同，因此在施工时，两片贝雷梁需要并列放置，并单独加工横向连接支撑架，并与桥墩另外一侧的两片贝雷梁一同连接起来，形成共同受力体系。如果两片贝雷梁并列放置，那么可以看作是共同受力，从上面的计算可知，两片贝雷梁承受的竖向力之和是5.6t-0.9t=4.7 t，那么每片贝雷梁承受的荷载就是2.35 t（每60cm间距），均布荷载大小就是：2.35 t÷0.6m=3.92 t/m。
6.2.3 分配梁位移
见图5。
可见，分配梁的位移很小，即碗扣支架立杆的竖向位移很小，能够满足要求。
6.2.4 分配梁应力
见图6。
分配梁的应力最大是58 MPa，小于容许值150 MPa，能够满足要求。
6.3 贝雷梁结构计算
6.3.1 贝雷梁计算模型
为简化计算，将贝雷梁看做单根梁进行计算，而不是看做桁架进行计算，贝雷梁的刚度I=250497.2cm4，采用工字钢模拟刚度进行检算。贝雷梁承受的均布荷载最大处是3.92 t/m（按4 t/m计算），端部则是3 t/m，如图7所示：
6.3.2 贝雷梁反力
见图8。
单片贝雷梁的支撑反力是28.1t，那么三角架承受的荷载就是2×28.1t=56.2t。
6.3.3 贝雷梁位移
见图9。
6.3.4 贝雷梁弯矩
见图10。
贝雷梁最大弯矩是55 tm，小于容许值78 tm，能够满足要求。
6.3.5 贝雷梁剪力
见图11。
贝雷梁最大剪力是20 t，小于容许值24 t，能够满足要求。
7 三角托架计算
7.1 三角托架受力情况
三角托架焊接为一个整体结构，在桥墩的单侧采用双25 b槽钢焊接而成，采用剪力棒与墩身预留孔洞相连，三角托架上放置横向的工字钢垫梁，垫梁上则放置的是贝雷梁，图12所示。
7.2 三角托架上垫梁受力计算（图13）
工字钢垫梁采用双25 b槽钢，承受贝雷梁传递的集中荷载28.1 t，应力计算双25 b槽钢垫梁的组大应力是127.3 MPa，小于150 MPa，满足要求。
7.3 三角托架受力计算
7.3.1 计算模型
见图14。
7.3.2 位移
见图15。
最大位移2 mm。
7.3.3 应力
见图16。
最大应力110 MPa，小于容许应力150 MPa，满足要求。
7.3.4 反力
见图17。
上端剪力棒承受的力是58 t，下端则承受的是水平及竖向力的合力82 t。用此力来进行剪力棒的检算。
8 剪力棒计算
从上面的三角架计算可知，剪力棒承受的最大荷载是82 t，由于三角架杆件是双25 槽钢口对口焊接而成，剪力棒承受的荷载图18所示。
剪力棒的直径是100 mm，承受82 t的剪切力荷载，那么剪力棒的剪应力是：
τ=1.5×820kN×（3.14×100mm×100mm
÷4）=157MPa
采用Q345B材质，其抗剪容许应力是160 MPa，满足要求。
9 墩柱偏心受压检算
9.1 计算荷载
由于三角托架安装好后，承受贝雷梁传递的荷载，而三角托架传递给墩柱的则是偏心受压荷载，偏心距是2.055 m，偏心力是56.2 t×2=112.4 t。下面根据墩柱的配筋进行其偏心受压计算：
偏心弯矩M=231 tm；竖向力N=112.4 t。
9.2 设计资料（图19）
混凝土：C30fc=14.30 N/mm2
主筋：HRB335（20MnSi）fy=300N/mm2Es=2.000×105N/mm2
箍筋：HRB335（20MnSi）fyv= 300N/mm2
受拉钢筋合力中心到近边距离as=35 mm
尺寸：b×h×l0=2000×1500×20000 mm
h0=h-as=1465mm
弯矩Mx：2310.00kN・m
压力设计值：N=1124.00kN
配筋方式：对称配筋
9.3 计算结果
9.3.1 主筋，
（1）计算偏心距ei
附加偏心距，按混凝土结构设计规范7.3.3，取20 mm和偏心方向截面最大尺寸的1/30两者中的大值。
ea=max（20，h/30）=50.00mm
ei=e0+ea=2055+50.00= 2105.00mm
按混凝土结构设计规范7.3.10-2
=19.08>1，取ζ1=1.0
按混凝土结构设计规范7.3.10-3
ζ2=
1.02
因为l0/h=13.33
按混凝土结构设计规范7.3.10-1
η=
=×
1.09
按混凝土结构设计规范7.3.4-3，轴向压力作用点至纵向受拉钢筋的合力点的距离：
e=ηei+h/2-as=1.09×2105.00+ 1500/2-35=3006.03mm
轴向压力作用点至纵向受压钢筋的合力点的距离：
e's=ηei-h/2+as'=1.09×2105.00 -1500/2+35=1576.03mm
（2）相对界限受压区高度ξb。
按混凝土结构设计规范7.1.2-5
εcu=0.0033-（fcu，k-50）×10-5=0.0033
-（30-50）×10-5=0.0035>0.0033
取εcu=0.0033
按混凝土结构设计规范公式（7.1.4-1）
ξb=
=0.55
（3）配筋率范围。
抗震等级为非抗震结构，按混凝土结构设计规范10.3.1ρmax=0.050
按混凝土结构设计规范9.5.1，取ρmin=0.0060
（4）计算ξ。
按混凝土结构设计规范7.1.3 α1= 1.00
按混凝土结构设计规范式7.3.4-1
N≤α1fcbx+f'yA's-σsA
当采用对称配筋时，可令
f'yA's=σsA
因此
ξ=
=0.0268
（5）计算As。
按照混凝土结构设计规范7.2.5，有
As=
=4129.28mm2
取As=9000.00mm2
实际配筋：
15B32+15B32，As=24127.43mm2
可见满足要求。
9.3.2 计算箍筋
按混凝土结构设计规范10.3.2，实际配置箍筋
B16@100
其中s为箍筋间距，Asv为箍筋总面积
9.3.3 轴心受压构件验算
（1）计算钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数。
l0/b=20000/1500=13.33
其中b为截面的短边尺寸
查混凝土结构设计规范表7.3.1并插值得=0.930
（2）验算垂直于弯矩作用平面的受压承载力。
按混凝土结构设计规范7.3.1
Nu=0.9（fcA+2f'yA's）
=0.9×0.930×（14.30×3000000.00+2×300.00×24127.43）
=48024096.14N>N=1124000N
可见满足要求。
经过设计检算，拟采用穿剪力棒法满足盖梁受力要求，可以组织施工。
10 剪力棒法盖梁施工工艺
10.1 预留孔设置
当墩柱浇注至预留孔设计高度时，在相应位置预埋，管径为110mmPVC管，预留管安装位置为盖梁底部以下380 cm、540 cm，预留孔距墩柱外侧为34.5 cm。需注意的是预留管安装前管口封口，避免混凝土充填。
10.2 拖架的预压
托架预压的目的是：（1）通过预压的手段检验支架整个系统的结构受力的情况，确保支架在施工过程中绝对安全；（2）通过预压掌握支架的弹性变形和非弹性变形的大小，更加准确地掌握支架的刚度等力学性能，控制立模标高，确保盖梁施工质量、标高满足设计和规范要求。
10.3 底模调校
根据预压结果调整底模高程，底模高程调整通过调整钢管顶托来实现：先用水准仪从水准点把标高引到任意一个柱顶上，然后把仪器架在另一个柱顶上调校底板标高，调校时按照从一端到另一端的顺序依次调校（测量时应测每两块模板接缝处），调校时考虑弹性变形影响预留超高值，底板调校完毕后应再复测一次，确保高程准确。使用全站仪在墩柱上放出盖梁中心线，调整盖梁底模板使盖梁底模板中线与放样线重合。底模调校完毕后应对柱顶混凝土进行凿毛清洗处理，凿毛后的柱顶标高应高于底板1～2 cm，以便柱头嵌入盖梁内，最后对底模涂刷脱模剂。
10.4 盖梁钢筋骨架及预应力筋的制作与安装
盖梁钢筋骨架在钢筋加工场焊接绑扎完成，首先是钢筋主骨架的绑扎，钢筋主骨架采用在已硬化好的地面上用墨线按设计骨架尺寸在地面上画出主骨架尺寸，按样图进行骨架焊接，以保证骨架钢筋偏差控制在允许偏差范围内。在绑扎主骨架时，可用碗扣支架及I16工字钢搭设安装平台。待安装好主骨架钢筋后，需按设计要求安装预应力波纹管道，波纹管的安装严格按预应力钢束坐标布置，偏差在规范允许范围内，以确保孔道直顺、位置准确。在孔道布置中要做到：不死弯，不压、挤、踩、踏，防损伤；发现波纹管损伤，及时以胶带或接头管封堵，严防漏浆。坐标定位后，按设计要求间距焊接定位网片，使钢束成为一圆顺的曲线。孔道安装固定完成后，进行钢绞线穿束。穿束时需多人配合进行穿束对编好束的钢绞线进行，穿束的过程中要随时注意平衡使劲，避免盲目的用劲，导致波纹管位置发生偏移。穿束时还应注意，两端外露的钢绞线长度保持一致。根据实际情况，考虑孔道长度、千斤顶、锚具和端头预留长度等因素，一般下料长度按孔道长度加2×85 cm计算。完成上述工作后，用炮车将加工好的成型的盖梁钢筋骨架运至工地现场，采用合适的吊车进行起吊。起吊时应布置合理的吊点，采用工字钢作为扁担起吊，以免骨架变形。
10.5 盖梁模板制作安装
为了使成品混凝土外光内实，盖梁模板采用定型钢模。盖梁钢筋定位后，支立侧模，盖梁侧模为大块定型钢模，前后对拉杆定位，模板外纵横设槽钢背肋。底模与侧模连接，不得有错台。连接处夹双面海绵胶条，以防漏浆，外模加固通过底模下设置钢筋拉杆和梁顶设置拉杆来实现。安装端模时将波纹管逐根入内，锚垫板安装完成后，应检查波纹管是否处于正确位置。盖梁中的各种预埋件应在模板安装时一并埋设，并采取可靠的稳固措施，确保安装位置准确。
10.6 混凝土浇筑
盖梁混凝土按照“由中间向两侧” 对称浇筑的顺序进行。盖梁混凝土浇筑前，应复核墩顶标高、平面尺寸、预拱度设置是否符合设计要求，检查波纹管、预埋件的位置是否正确，波纹管表面是否有孔洞，发现孔洞用胶带密封，以防浇筑砼时砂浆漏进波纹管内。锚垫板位置确保垂直于管道轴线，与模板间紧密，堵塞严密不漏浆。混凝土商品砼，采用自转式砼罐车运送至现场，泵送入模。盖梁混凝土应在砼初凝前一次浇筑完成，并注意加强，保证砼密实。振捣时要注意不触及波纹管和锚具，砼浇筑过程中要派专人检查模板、固定螺栓和支撑是否有松动和脱落，发现异常情况，及时处理。在混凝土浇筑完成后，及时养护。采用洒水养护，盖梁顶覆盖塑料薄膜，其上加无纺布保湿、保温，洒水次数应能保持砼表面充分湿润，养生时间一般为7天，每天洒水次数视环境湿度与温度控制，洒水以能保证混凝土表面保持湿润状态为好，养生期内不得使砼受外力作用。
10.7 预应力施工
盖梁混凝土强度达到设计强度的100%，且龄期不小于7 d时，可按设计要求进行张拉。张拉前对千斤顶和油泵、油表（一泵两块）进行配套标定，并计算出张拉力、油压关系曲线公式，选取具有国家专业资格认证的试验检测单位进行标定。张拉前清理干净锚具、垫板接触处板面的混凝土残渣。在张拉位置搭设简易支架或吊架，配以导链等将千斤顶就位。张拉钢绞线束要对称张拉，采用双控，以张拉力为主，伸长量作为校核，伸长量误差容许在±6%以内。张拉前进行管道摩阻、喇叭口摩阻等预应力瞬时损失测试，根据试验测得结果调整张拉力。当张拉完毕油表回零后，钢绞线回缩量允许回缩6 mm，当超过此值，则认为滑丝，必须进行处理并补足吨位锚固。
10.8 管道真空压浆
张拉完毕后在24 h内进行压浆，压浆采用PE真空辅助压浆技术，压浆设备选用UB-3型水环真空泵4台及其配套灌浆泵、阀门等设备。压浆前管道内应清除杂物及积水，压入管道的水泥浆应饱满密实，强度等级不小于设计。
10.9 锚穴式封端
将露出锚具外部多余的预应力钢绞线采用砂轮机切割，严禁使用电焊机切割。对锚具进行防水、防锈处理，然后设置锚穴内钢筋网，微膨胀砼进行封端。封端时把梁端上面横隔墙以及下面横隔墙上边缘处钢筋凿露出来，把梁体纵向钢筋顺桥中线调直，或者用φ12的钢筋弯成L型与梁体钢筋焊接接长，焊接长度为6cm。端部砼接口砼凿毛，清扫凿除的砼表面浮碴，绑扎封端钢筋网片。伸缩缝预埋板安装，立模灌筑砼。
10.10 模板与支架拆除
当盖梁混凝土抗压强度达到2.5 Mpa时，并保证不致因拆模而受损坏时，可拆除盖梁侧模板。拆模时，可用锤轻轻敲击板体，使之与混凝土脱离，再用吊车拆卸，不允许用猛烈地敲打和强扭等方法进行，并吊运至指定位置堆放。模板拆除后，及时清理模板内杂物，并进行维修整理，以方便下次使用。一般在张拉压浆完成两天后即可拆除支架，遵循从“跨中向支座依次循环卸落支架”的原则，具体拆除的顺序：先拆除跨中部分，然后由中间向两边对称拆除，使盖梁逐渐受力，防止因突然受力引起裂纹等。
11 结语
剪力棒法在市政高墩盖梁上的应用，为项目节约了大量的周转材料，缩短了施工周期，加快了施工进度。实践证明市政高架桥梁在场地受限的地理条件下，高墩长悬挑盖梁施工中是完全适用的。
参考文献
中图分类号：S611文献标识码： A
一、前言
近年来，我国在化工厂管廊结构的建设中取得了很大的成绩，但随之而来的设计方面的问题也越来越多。新时期下，我们要加强对化工厂管廊结构设计问题的分析，根据实际情况，设计出合理的管廊结构设计方案，解决因设计不合理而产生的问题。
二、必要性
管廊结构作为最常见的结构形式，一直以来就存在范围较广、数量众多的特点，并伴随着我国近年来石化行业的大发展，装置规模越做越大，管廊相应也日趋大型化、复杂化。因此有必要深入了解其结构特性，重视其不同形式间的工程用量比较，总结经验，以使管廊设计在技术上先进、经济上合理、工程上安全可靠。
三、化工厂管廊结构设计
1、管廊宽度的设计要点
在对化工工厂内管廊进行基础设计时，应当根据P&ID作出管廊管道走向图，对管廊上管道数量和管径大小进行确定。在计算管间间距总和时，应当将管廊上管道最大密度处作为计算依据，得出管廊宽度，并预留出20%-30%的增添管道余量。同时，在计算过程中还应当考虑保温和伴热管线的保温层厚度，以及应力管线在管廊上的径向位移量。
2、管廊的高度设计要点
化工工厂内的管廊在道路上横穿时，其净空高度必须大于4.5m；在大型消防车通行的情况下，其净空高度必须大于5m；若设有人行通道，则管廊净空高度必须大于2.2m；若管廊采用桁架时，还必须根据桁架底高进行计算。为了提高管廊空间的利用效率，应在管廊下布置泵，在布置泵时要充分考虑泵的维护操作问题，所以要预留超过3.5m的空间。若需要布置换热器，还必须考虑换热器的安装高度及其上方配管所需的空间。
四、管廊结构设计要点
1、纵梁式管架的设计要点
纵梁式全钢外管架一般以一个温度区段作为计算单元。按 《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）要求，除了对其强度、整体稳定性以及连接强度进行计算外 ，在结构计算分析中还应注意以下问题。
(1)横梁承受管道的竖向荷载和水平推力 ，按双向受弯兼受扭构件计算 ，计算单元范围内的管道推力作用于固定点横梁上 ，该横梁截面宜做成抗扭强劲的矩形封闭形式 ，以减少扭矩产生的剪应力。
(2)纵梁承受轴向水平力和由横次梁所传递的垂直荷载，由于水平力作用在横次梁顶面 ，应计算偏心而引起的附加弯矩 ，因此纵梁应按拉弯或压弯杆件计算。
(3)平面钢桁架斜腹杆宜尽量设计为拉杆 ，充分发挥钢材的受拉特性 ，节省钢材 ，当管道较少时 ，宜采用立体空间桁架 ，可减少水平支撑的用钢量。
2、桁架式管架的设计要点
（1）横梁--在垂直荷载作用下按两端铰接于桁架的简支梁计算，在纵向水平推力（即小管线的固定点弹性力或管道的摩擦力）作用下则按两端嵌固与桁架的固接梁计算。对一般横梁按双向受弯构件进行计算，对固定管架的横梁，还应计算由水平推力所产生的扭矩。
（2）桁架--在垂直荷载作用下按两端简支于管架柱的静定下承式平行弦桁架计算，对管道及桁架的风荷载则由两榀桁架的上弦杆（或下弦杆）与上弦水平支撑（或下弦水平支撑）组成的水平桁架承担。桁架即承担管道的轴向水平力和由横梁所传递的垂直荷载，同时可能还承担着有转弯管道时所传递来的荷载，由于水平力作用在横梁顶面，在计算时应考虑由于偏心而引起的附加弯矩，因此桁架按拉弯或压弯杆件计算。桁架的挠度控制在1/500L。
（3）活动管架―在管道径向（即平面内，横向）按刚接框架计算，在管道轴向（即平面外，纵向）按两端铰接构件计算。纵向水平力由柱间支撑或固定管架承担，一般取一个温度区段作为一个计算单元。
（4）固定管架―在管道径向（即平面内，横向）按刚接框架计算，在管道轴向（即平面外，纵向）按两端铰接构件计算。
3、管架的抗震设计要点
一般管架的抗震设防类别为丙类，对于抗震设防烈度位8度和8度一下的地区可不进行抗震验算，但应按照《构筑物抗震设计规范》（GB 50191）采取抗震措施。符合下列条件之一者应进行横向水平地震作用验算：
（1）管架上直径大于等于500mm的管道多余或等于三根时；
（2）容易产生较大次生灾害的单根管道，直径大于等于500mm时；
（3）管架上有直径大于等于1000mm的管道时；
（4）管架顶部支承空冷器等重型设备时；
（5）设有重型顶盖的管架；
三层及三层以上管架应进行横向及纵向地震作用验算； 当抗震设防烈度位8度时，大直径管道跨度大于或等于24m、管廊式管架的桁架跨度大于或等于24m以及长悬臂管架应验算竖向地震作用。
4、有振动管道的管架设计要点
当管架上敷设的振动管道重量占全部管道重量30%以上时，可定位有振动管道的管架。此种管架宜采用桁架式、纵梁式的钢筋混凝土管廊或钢管廊，中间管架宜采用刚性管架，管架两端应设钢柱间支撑。
对有振动管道的管架，宜按照下述原则进行计算:
a.当有振动管道的管架未采取减振措施时，振动管道的垂直荷载和水平推力的标准值应分别乘以1.5的动力系数。
b.当有振动管道设有限制振动的管卡或其它减振措施，振动管道的垂直荷载和水平推力的标准值应分别乘以1.3的动力系数。
c.管架的自振频率应与振动管道的脉冲频率避开±20%，对多根振动管道的管架则应分别避开各自管道的脉冲频率±20%。
五、实例分析
1、工程概况
该石化装置为我公司总承包，沙特一家大型公司投资，项目场地位于沙特境内。本人主
要参与管廊结构的设计。管廊总长276.75m，主要柱距6m，局部柱距14m；跨距6m；高9m，主要结构3层，局部错层并附带悬挑构件，见图1。
2、设计规定
(1)设计依据：由于该项目为涉外项目，主要按照业主指定的标准（SBAICENGINEERINGSTANDARDS）及美国相关规范进行设计，同时兼顾我公司统一规定及国内行标《石油化工管架设计规范》（SH/T3055-2007）、《化工、石油化工管架、管墩设计规定》（HG/T20670-2000）等。
(2)管廊结构方案：依据工艺管线布置及管线自身挠度要求，选用纵梁式管廊。
1）横向管架：梁柱及柱脚均采用刚接，基础承担柱底弯矩，梁柱均采用W型钢。
2）纵向管架：梁柱为铰接连接，每个温度区段长度不大于100m，温度区段间的连接采用滑动连接，并在温度区段中部设置柱间支撑，承担管道的纵向水平推力（由固定管架推力和中间滑动管架摩擦力共同组成）；采用铰接柱脚，柱底无弯矩；柱间支撑采用T型钢
(3)管廊布置要求：
1）管廊纵向平行于道路是，路边与管廊外边柱中心线间距不小于1.5m。
2）管廊跨马路时，路边与管廊外边柱中心线间距不小于1.5m；跨越主要道路时，管廊梁底高于道路最高点不小于6.5m，跨越二级道路时，管廊梁底高于道路最高点不小于5m.
(4)水平支撑系统的设置（采用T型钢）：
1）管廊纵向跨度不小于7.6m时，须设置水平支撑。
2）管道的固定支座支撑梁承担平面外弯矩和扭矩时，须设置水平支撑。
(5)结构变形控制：
1）结构顶点水平侧移限制：H/150(H为管架高度)
2）管道支撑梁允许挠度比：L/300(L为梁跨度)
3、荷载计算
(1)管道竖向荷载：
1）根据管道专业提供的管道荷载信息，同时确定管道支座位置，按以上信息计算管道传至支撑梁的荷载。管径不大于300mm时，按均布荷载传至支撑梁，否则，按集中荷载考虑。
2）由于业主要求后期可能会增加管线，考虑1.20kN/m2的预留荷载，按均布荷载作用于管架横梁上。
(2)电缆桥架竖向荷载：
根据电气专业提供的电缆桥架位置、荷载及跨距要求，确定管架横梁上的荷载。
(3)风荷载：管廊纵向刚度较大，且纵向迎风面较小，所以可以仅考虑管架横向风荷载。
分三部分计算管架所受横向风载，并分层作用于每层节点上。
计算公式（依据SBAICENGINEERINGSTANDARDS，与国标GB5009-2012原理相同）：
qz――设计风压；G――阵风影响系数；Cf――压力系数；Ae――每层结构投影面积。
1）管架结构部分：计算Ae时，考虑两根纵梁和两根柱面积之和，并考虑防火涂层引起的构件外形尺寸的增加。
2）管道部分：计算Ae时，按最大管道直径并考虑保温层厚度。
3）电缆桥架部分：计算Ae时，按最大桥架高度计算
(4)管道摩擦力（沿管道方向）：管道在开车及停车时，热力管道因温度变化而产生膨胀和收缩，管道与管道支撑梁之间发生相对运动时，产生作用于管道支撑梁的水平摩擦力。当管道布置较密时，按均布荷载作用。
(5)管道固定推力（沿管道方向）：管道固定推力经管道应力分析后提出，并确定管道固定支撑位置，相应设置水平支撑以传递较大的水平力，同时在管廊纵向设置柱间支撑。
(6)地震作用：根据管廊的布置形式，仅考虑管架横向地震作用，采用底部剪力法计算。通过比较美国与我国标准，两国对地震作用计算（底部剪力法）基本一致。
(7)该项目典型横向管架计算，见图2：
4、荷载组合
一般有正常操作状态、安装状态及试压状态三种工况，该装置管廊结构设计时仅考虑正
常操作状态下的组合（针对构件强度设计）。
5、计算模型
根据该项目规定，本工程采用STAAD-PRO软件进行计算分析，按美国规范验算各构件强度。对于较为规则管廊结构，可以采用平面建模，也可以采用三维建模。本工程分别按平面、三维建模，对两种受力分析情况进行比较，按最不利情况进行构件设计及基础设计。模型见图3。
6、结果分析
从工程中可以看到，影响管廊结构方案的基本因素很多，主要是根据总图及管道专业所提的条件，同时要兼顾周边构筑物的位置，以免上部结构不碰，下部基础打架。对于荷载计算部分，一定要勤与管道专业进行沟通，搞清不同工况下的作用荷载，防止出现荷载漏算情况，这是管廊结构是否安全的关键步骤。
六、结束语
综上所述，管廊结构设计的好坏对于整个化工厂的质量有着重要影响。因此，加强化工厂管廊结构设计分析，对于保证化工厂质量具有积极的促进作用。
参考文献
一、 建筑结构设计中存在的安全隐患
1、抗震度不够
前几年的汶川大地震及玉树地震造成的损失足以说明我国一些地方的建筑抗震性很差，未达到我国规定的标准。因此保证建筑物的抗震性能是减少地震发生时人员伤亡及财产损失的重要问题。在建筑结构设计中提高抗震设计水平是提高建筑结构设计水平的一个重要方面。关于建筑物的抗震性能设计，我国颁布了《建筑抗震设计规范 》，为我国的建筑抗震设计提供了依据。《 规范 》中规定：“小震(超越概率6 3％)不坏、中震(超越概率10％)可修、大震(超越概率2％)不倒”。而一些建筑公司领导对建筑物的抗震性能的重视程度不够，导致了公司员工也不重视抗震性，尤其是建筑结构设计人员。有些建筑结构设计人员对抗震设计的认识不透，设计过程中个别忽略抗震性原则，造成了建筑物施工过程仅仅是一个表而工程，而实质是建筑物并不具有真正的抗震性能。这种现象在我国不少地区屡见不鲜。当然我国地域辽阔，各个地区的情况不同，地震几率与地震级别各有不同。不能恪守规则，不了解实际情况进行设计。建筑结构设计者要根据地区的实际状况，选择不同的抗震规范，以免造成不必要的浪费。
2、结构设计中偷工减料，钢材不足导致功能减弱
一方而在结构设计中，一些建筑公司为节省开支，获取高额利润，过度节约钢材等偷工减料，不重视建筑物的质量及安全性，导致建筑物中钢材等材料的性能减弱，进一步导致建筑物的质量不过关，安全性下降。我国对建筑物钢筋的配筋率有明确的规定，建筑物的不同部位，其配筋率是不同的。建筑设计公司的设计人员要高度重视建筑物的配筋率，对施工过程进行实时监督另一方面，一些小的建筑公司为节省开支，使用中小城市现在还任发展的冷轧变形钢筋。这种钢筋强度高，脆性大，韧性小，且对建筑抗震不利，就是因为可以节省钢材，进而节约开支，所以，一些小建筑公司为牟取利益不惜不顾人们的生命安全使用不符合规定的钢材。
3、建筑结构设计不合理
由于建筑结构设计者的知识和经验不足，导致其设计的建筑结构不合理，存在安全隐患或其他问题。(1)建筑方面。①布置竖向交通中心，确定楼梯、电梯的数量和布置方式，不能保证使用效率和防火安全。②内外建筑装修、构造、用料和做法不适应因风力、地震、温度变化等所引起的变形和安全问题。(2)结构方面。①没有考虑高层建筑遇到巨大风力和地震力时所产生的水平侧向力。②没有严格控制高层建筑体型的高宽比例，不能保证其稳定性。③建筑平面、体型、立面的质量和刚度不能保持对称和匀称，使整体结构出现薄弱环节。④不能妥善处理因风力、地震、温度变化和基础沉降带来的变形节点构造。(3)设备和电气方面。①设计供暖和给水排水系统时，没有考虑因建筑高度增大的压力，不能保证管道、炉片具有耐压能力。有些设计者安全意识薄弱，只顾建筑设计的美观而不顾建筑质量，或者明知道公司要求的设计形式行不通，为了保住自己的饭碗而不提出异议，纵使悲剧上演。因此设计人员要人人自危，不能只考虑公司利益，也要切身为顾客考虑，学会换位思考。
二、建筑结构设计中安全性的措施
2．1 提高建筑结构设计人员对抗震性能的重视意识
结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识作为基本功，灵活刨新的思维和严肃认真负责的工作态度。设计人员要精益求精，重视每一个基本构件的设计，并做到知其所以然，并深刻理解规范和章程的含义，密切配合建筑工程，在工作中做到事无巨细，善于反思和总结工作经验和教训，为以后的工作积累经验。
结构设计人员要转换自己的陈旧思想，正确对待抗震性能的重要性，为人们的生命财产负责，发挥自己的主导作用，对工作负责，应用自己的个人才智，控制建筑结构设计的安全性能水平，让自己设计出来的作品体现自己的人本意识，积极配合国家以人为本的政策。
2.2 严格按照国家规定的建筑规范设计建筑结构
随着建筑业进一步的发展，建筑结构越来越被重视。国家也出台了一些相应的规定。而一个国家的规定不仅仅是技术性的，还具有很强的政策性。而且这些规定是与时俱进的，要不断修改，我们不能仅仅满足于过去的设计标准。严格按照国标设计、用料、施工(1)目前设计者应该熟悉和掌握的与高层建筑消防电气有关的设计规范主要有《高层民用建筑设计防火规范》、《火灾自动报警系统设计规范》、《民用建筑电气设计规范》。三部规范对高层建筑中一、二类建筑的划分以及对火灾报警与消防联动控制系统的设置与要求总体来讲是一致的，但从各自不同角度三部规范也各有侧重，有所区别。对设计者来说，国标是带有强制性的，必需严格遵守，部标或行业标准应服从国标。
2.3开展科研，创新设计软件
工欲善其事，必先利其器，道理是显然的。随着建筑事业的发展，特别是现今建筑行业的快速发展，建筑结构设计的内容越来越复杂，难度越来越大。从另一个角度来说，我国建筑结构设计对设计人员知识的深度和广度有了更多的要求。在此种情况下，现有的结构设计程序已不能满足设计人员的需求。同时计算机程序的内容和功能直接影响结构设计水平。有时为了解决生产问题，配合软件的能力，只能把计算过程简化以满足计算程序的能力。所以，提高结构设计中建筑的安全性，首先耍开发出一款高精度软件，这就需要设计者和计算机程序专业人员合作去完成软件开发，推新创新，不安于现状，勇于承担起这个任务。
参考文献：
在本设计中高速列车活载采用ZK标准活载，计算中参照规范《京沪高速铁路设计暂行规定》将其换算成均布荷载。其中，预应力钢筋采用ASTM A416―97a标准的低松弛钢绞线（1×7标准型），抗拉强度标准值，抗拉强度设计值，公称直径15.24mm，公称面积139mm2，弹性模量；锚具采用夹片式群锚，预埋金属波纹管后张法施工。非预应力钢筋：HRB335级钢筋，抗拉强度标准值，抗拉强度设计值，弹性模量。混凝土：主梁采用C50混凝土，抗压强度标准值，抗压强度设计值，抗拉强度标准值，抗拉强度设计值，弹性模量。
一、预应力钢筋面积的估算
估算公式：（11）
（12）
式中：Ms――按作用（荷载）短期效应组合计算的弯矩值；
w――构件全截面对抗裂验算边缘弹性抵抗矩；
ep――预应力钢筋合力作用点至截面形心轴的距离；
A――构件全截面面积；
――预应力筋张拉控制应力；
作用（荷载）短期效应组合计算的弯矩值Ms计算如下：
其中：――列车竖向静活载（不计动力系数）；
构件全截面对抗裂验算边缘弹性抵抗矩W计算结果如下：
预应力钢筋合力作用点至截面形心轴的距离计算结果如下：
预压力钢筋合力作用点至下缘距离
则预应力筋合力作用点至截面形心轴的距离 为
将、、及的值代入公式（4-1）求出
按照规范预应力钢筋张拉控制应力MPa；则
所以，预应力钢筋选用和两种规格，5根钢束布置在底板中间位置，其余布置在底板两侧及腹板内。预应力钢束面积
二、预应力损失计算
（一）预应力钢筋与管道间之间的摩擦引起的预应力损失
计算公式：（2-1）
式中：―张拉控制应力，（按照规范）；
―钢筋与管道间的摩擦系数，按照《结构设计原理》附表2-5取值为0.25；
―预应力钢筋弯起角度；
―管道每米长度的局部偏差对摩擦的影响系数，按《结构设计原理》附表2-5取为0.0045；
―从张拉端至计算截面的管道长度在构件纵轴上的投影长度，以m计；
（二）管道摩阻在跨中截面引起的预应力损失
跨中截面预应力损失计算：k=0.0015 L/2=15.75m
（三）预应力损失组合及汇总
传力锚固阶段的预应力损失：
使用阶段的预应力损失：
各截面预应力钢筋预应力损失平均值及有效预应力汇总如下表4-8所示：
三、非预应力钢筋的估算
参照《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》，换算T形截面翼板有效宽度 取下列三项中的最小值：
（1）对于简支梁为计算跨径的1/3；
（2）相邻两梁轴线间的距离；
（3）（b为换算腹板厚度，c为梗腋宽度，为换算翼板厚度）；
故取=5764 mm
参考文献：
关键词：管架；荷载；水平推力；计算
在石油化工厂区内，管道及管架是整个厂区的血脉，联系着全厂工序和生产装置。对于目前日趋大型化的石油化工厂设计，管架设计具有严格的规范性和技术性。笔者结合多个石油化工项目外管管道和外管架设计及现场管理经历，分析了一些外管架荷载、推力等方面的设计要点，在此提出来探讨，并从管道设计、管架设计整体考虑，做到经济、合理、安全。
1管架荷载的分类
1．1管架荷载
管架荷载可分以下几类：①永久荷载（恒荷载）———在管架结构使用期间，其值保持不变，或其变化值与平均值相比可以忽略不计的荷载，如隔热材料荷载、管道荷载、管件及其他管道特殊件荷载等；②变化荷载（活荷载）———在管架结构使用期间，其值随时间变化，且变化值与平均值相比不可以忽略的荷载，如管道输送介质的重力、水压试验或管路清理时的介质重力、雪荷载、风荷载等；③偶然荷载———在管架使用期间只偶然出现，荷载值较大、持续时间较短。这类荷载通常是动荷载，如管内流体动量瞬间突变（如流体锤）引起的瞬态作用力、地震荷载等。管道设计人员在以上荷载的基础上附加一定比例（通常是20％）提给结构专业作为计算荷载，该附加量通常包括管道壁厚的误差、保温材料密度的误差、热膨胀引起的荷载变化、管托支架等质量。该附加系数亦可参照SH／T3055—2007《石油化工管架设计规范》6．6中荷载分项系数。SH／T3073—2004《石油化工管道支吊架设计规范》附录C提供了每榀管架荷载的详细计算方法，可供设计人员参考。考虑厂区及管架的改、扩建，管道设计人员通常要考虑一定的管架预留，预留应控制在可预见的合理范围内，当预留管道无法确定时，可参考SH／T3055—2007《石油化工管架设计规范》6．1．2的计算方法。预留管道荷载和预留空间都不易过大，通常外管架预留约20％，装置内管架预留约10％，若预留荷载及空间太大，会形成较大的空间浪费和钢结构的经济投入，而且会影响牵制系数的计算，计算得出的牵制系数偏小，从而影响管架结构的推力计算。
1．2荷载转移
跨越管架和相邻第一个低管架、相邻高低跨管架由于水锤作用、管道竖向的收缩和膨胀作用，高低两个管架承受的竖向荷载比正常情况下的大很多，因此在计算荷载时，还需要在1．1节的方法基础上乘以增大系数（通常取1．5），以反映荷载的转移问题。水平方向转弯的管架可参照此条，距离转弯角较近的几榀管架的水平推力应乘以相应的放大系数。
1．3一些特殊管道的荷载计算
目前在大型化工、石化项目的管道施工验收中，为了保证施压安全，在没有特殊要求的情况下，一般采用水压试验。但当管架上出现某些大口径气体管道，且该大口径气体管道的充水荷载直接影响管架的结构设计时，若配管专业在提结构荷载时，全部按充水压力试验，则管架结构设计的经济性是不合适的。以中国五环工程有限公司设计的某120万t／a精细化学品项目为例，外管管架上的火炬排放气管道、CO2尾气排放气等管道，管径均在DN1400～DN2600之间，充水线荷载约3．5t／m，且在管架上敷设距离较长（约2．5km），若施工验收时采用水压试验，管架结构荷载较大，会增加钢结构的投资费用，同时增加施工耗水量。根据GB50235—2010《工业金属管道工程施工规范》中8．6．1条及8．6．2条中的相关规定，经设计单位和建设单位同意，符合条件的管道也可采用气压试验，或对所有环向、纵向对接焊缝和螺旋焊焊缝应进行100％射线检测或100％超声检测代替水压试验（具体详见GB50235—2010《工业金属管道工程施工规范》8．6．2条），故经建设单位同意，在管架设计阶段，上文提到的大口径气体管道未考虑充水荷载，从而大大地降低了管架结构的经济投资。
2管架的水平推力
管架的水平推力主要包括管道热胀冷缩所产生的推力及管内流体动量瞬间时突变（如流体锤）引起的瞬态作用力。根据管架与管道（管托）之间的连接形式及相对位移关系，即管道在管架上的支撑条件，管架通常可分为活动管架和固定管架。
2．1中间管架类型的判断
管道热胀冷缩会产生管道位移，但由于管架柱刚度的不同、管架柱位移量与管道位移量的不同，中间活动管架分为刚性中间管架和柔性中间管架。结构设计中考虑结构成本及安全性，管道位移量较大，且管架高度较低时，通常采用刚性中间管架；反之，通常采用柔性中间管架。刚性中间管架和柔性中间管架判别依据如下：Fuk≥Fgk为刚性中间管架，Fuk＜Fgk为柔性中间管架。Fuk为等效水平推力，kN；Fgk为轴向水平推力，kN。目前国内大型石油化工项目中，管架荷载量大、热管温度高、位移量大，多采用刚性管架。
2．2刚性中间管架水平推力标准值计算
2．2．1基本计算公式
Fgk＝Kj×Gk×μj（1）式中，Kj为牵制系数；Gk为正常工况时管道竖向荷载作用于横梁的标准值总和，kN；μj为摩擦系数，钢与钢滑动接触时，摩擦系数取0．3，钢与混凝土的摩擦系数取0．6。
2．2．2牵制系数
管道与活动管架之间因存在摩擦力而互相牵制，不同操作温度的管道及不同工况下各管道的水平推力也通过管架相互牵制。牵制系数Kj的引入是用于综合反应管束整体作用于管架上的水平推力的大小。牵制系数Kj按下列原则取值：①当管道数量n＜3时，Kj＝1．0；②当管道数量n＝3时，当α＜0．5时，Kj＝0．5；当α＞0．7时，Kj＝1．0；当0．5≤α≤0．7时，用插值；③当管道数量n≥4时，当α≥0．8时，Kj＝1．0；当α＜0．6时，Kj＝0．5－（0．6－α）1．8；当0．6≤α＜0．8时，用插值；④当管道数量Kj＜0．2时，Kj取值0．2。另外关于α的取值，实际工程中还应注意以下几个方面。
（1）当计算所在层上热力管线不止1根，且无法判定主要热力管道时，应每根热力管道分别计算α值，选较大值者。
（2）梁构件设计计算时，只考虑该梁构件上全部管道荷载，选取其中的一根主要热管计算α值。
（3）在管架柱和基础的设计计算中，当管架上部结构中相邻层间距较小时，管架结构自身及管道之间具有较强的牵制作用，水平推力计算时应考虑管架上的全部管道的竖向荷载，比较分析各层中的热力管道，选取其中起主要作用的一根计算α值，管架的水平推力作用点取该热力管道所在层。主要热管道所在层与相邻层间距较大时，管架上部结构中各层间牵制作用减弱，牵制系数Kj应适当加大；当管架较高层有大口径管道，且与主要热管道不在同一层时，该大口径管道层应单独计算水平推力。
2．2．3常温管道水平推力取值
按相关规范，活动管架上管道符合下列条件之一者，计算管架水平推力值时可不考虑：①介质的温度≤40℃的常温管道；②管道根数在10根以上，且介质的最高温度（温度应包括扫线时的温度）Tmax≤130℃；③主要热管重量与全部管道重量的比值α≤0．15。但是随着目前石化项目向大型化发展，管架上的架空管道口径也在逐渐增大，部分大口径常温管道的水平推力也是不可忽视的。如在内蒙古杭锦旗一个大型石油化工设计项目中，1根DN2600的常温CO2尾气管道敷设于管架顶层，由于管道口径及刚性较大，且敷设距离较长，在应力计算时考虑－20℃～40℃的环境温差，管道的水平推力最大处可达50kN，不可忽略，且对顶层的管架结构设计起到了决定性作用。为了减小钢结构投资，该管道部分管托采用不锈钢对聚四氟乙烯板，减小滑动管托摩擦力，有效减小了管道水平推力。
2．2．4管道的振动荷载及推力
管架上的振动设备进出口管道及其他振动管道，如直径≥200mm的蒸汽管道、高压锅炉给水管道等，管道专业在提结构条件的时候，应该明确向结构专业指出，并在垂直荷载上乘以一定的动力系数（通常取1．1～1．3），并以此计算管道水平推力。但是一些特殊管道（如下文介绍的可燃性气体排放管线），配管专业按事故状态提供荷载推力值时，荷载推力不再乘以动力系数。结构专业应按管道专业提出的振动管道位置及荷载推力考虑钢结构构造上的梁柱节点接焊缝位置。
2．2．5每一榀管架水平推力的取值
考虑到工程的建设进度、开车顺序等原因，管架上的水平推力可能出现某先投用的主要热力管道推力值为管架投用最大值的情况，每一榀管架水平推力的取值还需要比较按（1）式计算出来的水平推力与该管架横梁上主要热力管线的热应力水平推力，取较大值。
2．3固定管架
2．3．1固定管架的水平推力
由于管架上输送的管道介质温度较高或环境温度的变化，长距离管道会因热胀冷缩产生位移，为了限制管道位移，保障管束整体运行安全，通常每隔一定距离设置固定管架和补偿器。管道补偿器的弹力和中间活动管架的摩擦反力是构成固定管架水平推力的主要部分。管道补偿器弹力由管道应力专业根据管道走向、补偿器安装位置、补偿器类型、管道介质属性等计算得到。为了管网系统和管架结构运行的稳定性，管架上常用Π形补偿器，并尽量沿固定管架对称布置，以便管道系统在稳定运行时，管道固定支架两侧推力能抵消一部分，从而增强管架安全性。但是考虑到苛刻工况及管道运行的不确定性，如施工阶段的管道投用顺序、蒸汽吹扫预热及其他施工工况时推力产生的不对称性，固定架两侧的推力值不宜进行矢量累加，在实际工程设计中往往是进行绝对值累加，不考虑推力的方向性。在纵梁式管架设计过程中，管道专业应提供给结构专业每一榀管架的荷载及水平推力，即包括固定支架的水平推力和中间活动管架的水平推力。结构专业在进行结构建模时，往往会把中间活动管架的水平推力再累加到热力管道补偿器两边的固定管架上进行固定管架的结构设计，其实这是没有必要的。
在管道应力专业的计算模型中（如CAESAR等），计算程序已经将中间活动支架的水平推力累加到固定点上并给出应力报告。Nkmax、Nkmin为固定管架两侧管架纵梁的纵向拉力，按该规范7．2．3计算时，已包含该侧所有中间活动刚性管架处的摩擦力和管道膨胀节的弹性力、管道介质产生的压力等，并已考虑牵制系数。当管架结构模型按温度区段区分，且固定管架的水平推力严格按规范要求计算，在计算纵梁式管架的纵向整体结构时，只有固定管架（或柱间支撑）处有推力，其他中间活动刚性管架处的摩擦力已考虑在固定管架的推力计算中，故管架纵向整体模型输入时仅需输入固定管架（或柱间支撑）处的推力，不应再次输入各活动刚性管架的纵向推力。整体计算时只考虑固定管架的推力，活动管架的推力只是用来算构件。当一段管架中温度区段无法准确分辨时，可输入固定管架水平推力的各分项力。
2．3．2可燃性气体排放管线固定管架的水平推力
根据国内外工程实践经验，管道及管架的破坏事故主要是由管道内的气液（冷凝液）两相流的冲击造成的，且该冲击的方向和数值多变，很难在设计过程中通过软件程序模拟计算得到，SH3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》为保证全厂可燃性气体排放管线的安全可靠，避免凝结液破坏膨胀节，要求新建的工程管道应采用自然补偿，扩建、改建工程管道宜采用自然补偿，且对于有凝结液的可燃性气体排放管道对固定管架的水平推力取值，规定不应小于表2数值。当同一个固定管架上敷设有不止1根可燃性气体排放管时，该固定管架的水平推力不应按表2的推力值进行叠加，管道专业应该按照集中荷载的形式，把每个可燃性气体排放管的敷设点按表2所示的推力值单独提条件给结构专业，结构专业分别计算，按最不利情况设计管架结构。另外，管道专业在计算管道应力时，可燃性气体排放管线的热应力推力值应尽量不超过表3的数值的50％，若超过，则需要在表2推力值的基础上再附加应力计算值。管道专业应合理布置管道走向，尽量减小固定管架的热应力推力值。
3结语
在工程设计中，管架设计特别是管架荷载和水平推力的计算，需参照国家、行业等标准规范，同时还应结合工程实际，考虑主要热力管线和其他特殊管线的实际布置情况及可能出现的各种工况。配管设计人员和结构设计人员应当进行有效充分的信息沟通和反馈，合理设定管架的温度区段范围以及固定管架的位置，兼顾总图、电气、仪表等相关专业的要求，最终完成经济合理、安全牢靠的管架设计。
参考文献：
［1］SH／T3073—2004，石油化工管道支吊架设计规范［S］．
［2］SH／T3055－2007，石油化工管架设计规范［S］．
［3］GB50235－2010，工业金属管道工程施工规范［S］．
［4］HG／T20670－2000，化工、石油化工管架、管墩设计规定［S］．
［5］郑勇．管道在管廊上的水平推力若干问题［J］．石油和化工设备，2014（12）：8－10．
中图分类号：TU37文献标识码： A
引言
在工业与民用建筑结构设计中，钢结构已广泛应用到多层钢框架、钢管架、门式钢架等建构筑物。这些建构物的上部钢结构设计理论较成熟，其相应的设计规范规定全面，内容也易于理解和应用。在这些钢结构中外露式柱脚应用广泛，钢柱脚与混凝土基础之间的混凝土柱的结构设计较复杂，现行规范还没有明确的规定，相关的文献也没有系统的阐述。在工程设计中，设计人员往往由于该柱长度较短，而全部按短柱进行设计，应该是不全面的。下面就个人的一些工作经验，谈谈外露式钢柱柱脚下基础之上混凝土柱（以下称基础柱）的设计方法，供结构设计同行参考。
作者：高海丽 ，陈胡 工程师
2003年毕业于合肥工业大学 土木工程专业
1.钢柱下混凝土基础柱的分类
根据文献【1】，可知根据地脚螺栓长度L与基础柱长度H的相对关系(H>L时为有柱基础)，把钢柱下基础柱的基本形式分为两大类（见图1），即有基础柱和无基础柱。无基础柱的设计方法和构造措施等同一般基础，不再论述。根据是否需要配置钢筋，分为素混凝土基础柱和钢筋混凝土基础柱。根据钢柱脚底的受力（M、V）的大小，计算基础柱的剪跨比λ=M/Vh0，当剪跨比λ≤2时，为短柱；当剪跨比λ＞2时，为普通柱。下面主要分析有基础柱的设计。
2.素混凝土基础柱
在结构设计中，尤其是工业结构设计中，常会遇到独立“T”型钢管架的设计，其中一部分独立T”型钢管架，管架顶部仅受较小的垂直荷载和水平方向的管道风荷载，以及作用到钢柱表面的风荷载。而管
（图 1 钢柱基础）
架高度相对较高，这时钢管架的钢柱断面尺寸主要由长细比控制，钢柱的柱脚一般为刚接柱脚，因此钢柱和柱脚底板尺寸都较大，从而导致基础柱断面尺寸较大。这种情况下的独立T”型钢管架的混凝土基础柱，首先应考虑按素混凝土结构构件设计。下面大致阐述一下如何进行素混凝土结构设计。
根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010附录D，基础柱应该按受压构件进行受压承载力计算，基础柱可以认为上端自由，计算长度L=2H(H为基础柱的高度)。计算简图见图2，具体计算方法见上述规范条文，不再详细阐述。
（图2 矩形截面的素混凝土受压构件的受压承载力计算）
设计实例为4.5m高的独立“T”型钢管架，作用到柱顶的垂直荷载标准值为38KN，作用到柱顶水平方向的管道风荷载标准值为0.3KN,作用在钢柱表面上的风荷载标准值为0.1KN/m。钢柱采用Q235B的等级钢材，断面尺寸为HW250x250x9x14。该构件计算结果如下：
①柱构件强度验算结果
柱构件强度计算最大应力(N/mm2): 10.75 < f=215.000
柱构件强度验算满足。
②柱构件平面内稳定验算结果
柱平面内长细比：λx=85 < [λ]= 150.000
柱构件平面内稳定计算最大应力(N/mm2): 12.9 < f=215.000
柱构件平面内验算满足。
③柱构件平面外稳定验算结果
柱平面外长细比：λy=142< [λ]= 150.000
柱构件平面外稳定计算最大应力(N/mm2):21.5 < f=215.000
柱构件平面外验算满足。
由以上计算结果可知：钢柱的断面尺寸主要由长细比控制。
该钢柱柱脚采用刚接柱脚，柱脚底板详图见图3。基础柱尺寸根据构造要求为650x750（b=650mm，h=750mm），柱高取1.0m，混凝土强度等级为C30。根据程序计
算结果钢柱脚的受力为N=41.88KN，M=3.31KN.m，V=1.05KN。对该基础柱按素混凝土受压构件进行设计，计算结果如下：
fcc=fcx0.85=14.3x0.85=12.16N/mm2
fct=ftx0.55=1.43x0.55=0.79 N/mm2
（图3 柱脚底板详图）
e0=M/N=79mm
L0=2x1.0=2.0m，L0/h=2.7，φ=1.0
φfctb(h-2 e0)=1.0x12.16x650x(750-2x79)=4679.17KN
则 N
因为该柱为偏心受压构件，根据规范要求，还须按轴心受压构件验算垂直于弯矩作用平面的受压承载力。
L0/b=3.1，φ=1.0
φfctbh=1.0x12.16x650x750=5928.0KN
则 N
V=1.05KN
故该基础柱只须按素混凝土结构构件设计即可，不需要配置受力钢筋。
3.钢筋混凝土基础柱
在民用和工业结构设计中，钢框架，复杂的钢管架和门式钢架等一些建构筑物结构设计中，传至基础柱顶部的荷载相对较大，当采用外露式钢柱柱脚时，一般都需要对基础柱进行配筋设计。钢筋混凝土基础柱，根据剪跨比λ，将钢筋混凝土基础柱分为普通柱和短柱。当钢柱脚与基础柱为铰接时，混凝土柱顶只有剪力和轴力时，也可以根据H/h0（H/h0≤2时为短柱,h0为混凝土柱的截面有效高度）区分普通柱和短柱。
4.1 普通基础柱的计算
普通柱的计算均按钢筋混凝土受压构件考虑，柱承受上部钢结构柱脚传至基础柱顶部的力，包括轴力N、弯矩M、剪力V和直接作用到柱顶的外力，并需考虑基础柱自重。计算时取基础柱与基础交接处为最不利计算截面进行强度计算。根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010分为轴心受压柱和偏心受压柱两大类，计算简图见图3。进行正截面受压承载力计算时，采用工程设计中常用的对称配筋，即As=As’，fy=fy’,a=a’。 具体计算方法见上述规范条文，不再详细阐述。
4.2基础短柱的设计
基础短柱设计除按普通柱进行计算外，还要按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的有关规定，满足抗震构造措施。对短柱设计时需要注意的几个方面的主要构造要求列举如下：
①.四级框架柱剪跨比不大于2时，箍筋直径不应小于8mm。
①.四级框架柱剪跨比不大于2时，箍筋直径不应小于8mm。
（图4矩形截面偏心受压构件正截面受压承载力计算）
②.剪跨比不大于2的一级框架的柱，每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%。
③.剪跨比不大于2的柱，箍筋加密范围取全高。
④. 剪跨比不大于2的柱宜采用复合螺旋箍或井字符合箍，其体积配箍率不应小于1.2%，9度一级时不应小于1.5%。
4.基础柱的抗震等级
在地震区，基础柱的抗震等级的确定比较困难，困难在于基础柱的身份认定，若按混凝土框架结构，抗震等级明显偏高；若等同基础，它毕竟还是高出地面的柱子。建议借鉴《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的6.1.3条等3款，基础柱的抗震等级同上部钢结构建构筑物的抗震等级一致。
下面就钢筋混凝土基础柱的设计列举两个实例：
①设计实例一为典型的柱脚铰接的双跨门式刚架，层高为8.05m，抗震等级为四级，采用Q235B等级钢材。边柱的断面尺寸为H(400~600)X200X8X10。传至基础柱顶的荷载基本组合为：
Mmax=0.00N=32.49V=-4.70
Mmin=-0.00N = 32.49V=-4.70
M=0.00 Nmax=78.05 V=27.33 M=0.00Nmin=-7.43V=-2.66
M=0.00N=13.15Vmax=5.18
M=-0.00N=61.46Vmin= -36.41
由上面的荷载组合可知，基础柱顶只有轴力和剪力，则只须通过H/h0来判断基础柱的类别。基础柱尺寸根据构造要求为450x650, 根据基础埋深和基础高度，柱的高度为H=1.7m。
h0=650-35=615mm，H/h0=2.62>2
可知该基础柱为普通柱，采用工程设计中常用的对称配筋，即As=As’，fy=fy’,a=a’。具体计算过程和结果不再赘述。
②设计实例二为双跨四层钢结构管架，总高为15.0m，抗震等级为四级，采用Q235B等级钢材，混凝土等级采用C30，纵筋采用HRB400，箍筋采用HRB335。程序计算结果显示，钢柱的断面尺寸为HW400x400x13x21，传至基础柱顶的荷载基本组合见图5。对图中柱顶轴向力N=1769.2KN的基础柱进行分析。
（图5）
基础柱的断面尺寸为1100x1100，柱高为1.0m。作用在柱底的弯矩和剪力为：
Mx=-1.3Vx=1.2
My=-14.8Vy=-2.3
X方向的剪跨比：M/Vh0=1.3/1.2x1.065=1.01
Y方向的剪跨比：M/Vh0=14.8/2.3x1.065=6.04>2
从以上的计算结果可以看出，柱的X方向为短柱，Y方向为普通柱。这种情况下，应该按最不利情况来考虑，即两个方向均按短柱进行设计。依据该上部结构的抗震等级，短柱的抗震等级应为四级。程序计算结果：As=As’=1064.28mm2，配筋率为0.88%，满足柱截面纵向钢筋的最小配筋率不小于0.75%的要求；箍筋的体积配箍率为1.74%，满足柱体积配箍率不应小于1.2%的要求。具体配筋见图6.
（图6）
结语
外露式钢柱柱脚下的基础柱根据受力分别按素混凝土基础柱、钢筋混凝土普通基础柱和钢筋混凝土短柱进行设计。受力较小的独立“T”型钢管架、支架、操作平台的柱脚基础柱可以采用素混凝土或按最小配筋率要求只配构造钢筋。在抗震设防区的多层钢框架、多层管架及一些门式钢架，根据钢筋混凝土基础柱的剪跨比区分是短柱还是一般普通柱，短柱除按一般普通柱的计算外，还要满足相应抗震措施的要求。
关于基础柱的抗震等级同上部钢结构建构筑物的抗震等级的观点仅供参考。
参考文献
1.简明钢筋混凝土构造手册 /国振喜编.第2版 机械工业出版社，2004.9
2.建筑抗震设计规范GB50011-2010
Simplified Calculated Formula of Duct Friction Loss for Post-tensioned Pre-stressed Reinforced Concrete Members
LI Zhe1*， YAO Fei2， LIN Mei-jun1， WANG Yu1
（1.School of Civil Engineering and Environment， Hunan University of Science and Engineering， Yongzhou 425100， China； 2.Dongcheng Investment and development Co.， Liuzhou545616， China； Corresponding author： LI Zhe， Email： ）
Abstract： The code formula of duct friction loss for post-tensioned pre-stressed reinforced concrete members was expanded with Taylor series. The exponential function in code was instead of polynomial function as well as the simplified calculated results， code results and tested results by WU had been compared. It can be seen that the simplified formulation proposed by this paper has the higher accuracy， is closer to the experimental results reported in reference and leaves predictions on the safe side. Moreover， the simplified formula is still valid when the value of kx+μθ is more than 0.3.
Key words： post-tensioned method； friction loss； simplified calculated formula； Taylor expansion； code formula
1 引言
预应力混凝土构件的设计原理是利用预先施加在混凝土上的压应力来抵消外荷载所产生的拉应力，进而提高构件的受力性能及变形性能。构件上的有效预加力大小等于张拉控制控制应力与总摩擦损失值之差。有效预加力大小的准确估算是构件设计乃至结构设计的关键环节，故准确估算预应力损失值至关重要。
预应力混凝土构件按照其施工工艺不同，可分为先张法预应力混凝土构件和后张法预应力混凝土构件。两种构件在预加应力阶段和使用阶段均会产生预应力损失，但预应力损失项目却并不完全相同。对于后张法预应力混凝土构件在预加应力阶段会产生由预应力钢筋和孔道壁之间摩擦引起的预应力损失σl1，此项损失在该阶段的预应力损失比重最大，故有必要对该项损失能够较精确的估算，以便在设计和施工进行参考。
本文从摩擦理论入手，对规范[1-4]中所给出的预应力损失计算公式进行简化，并与吴转琴[5]给出的实测的摩擦损失值进行比较，进而验证本文所给出的简化计算公式具有较高精度，且较规范[1-4]更为安全、适用。
2 规范公式
后张法预应力混凝土构件的预应力损失计算应该考虑如下项目：
表1：后张构件预应力损失组合[6]
阶段 预应力工艺 后张法
第Ⅰ阶段（传力锚固时） σⅠ=σl1+σl2+σl4
第Ⅱ阶段（传力锚固后） σⅡ=σl5+σl6
后张法预应力混凝土构件的预应力损失因素可归纳为两类：一是锚下张拉控制应力不足，包括预应力钢筋回缩与构件拼接缝压密损失σl2、混凝土的弹性收缩损失σl4、预应力钢筋应力松弛及锚具变形损失σl5和混凝土的徐变损失σl6等；二是预应力沿程损失也称摩擦损失。
锚下张拉控制应力不足引起的预应力损失计算公式可查阅规范[1]。
摩擦损失，是指预应力钢筋与周围接触的混凝土孔道或套管之间发生的应力损失。摩擦损失可分为长度效应和曲率效应两部分：
（1）长度效应，长度效应是由于直线预应力筋在施工过程中由于技术原因造成的孔道偏差所引起的。长度效应的大小取决于预应力筋的长度x、张拉控制应力σcon、预应力筋及管道间的摩擦系数k、管道的顺直度（施工质量）及预应力的施加方式（单向张拉/双向张拉）等。
（2）曲率效应，曲率效应是由曲线筋的曲率摩擦损失和孔道偏差两部分组成的。其影响因素取决于预应力筋的曲率θ、张拉控制应力σcon、预应力筋及周围管道的摩擦系数μ等。
2.1 摩阻的产生
预应力孔道的摩擦理论认为：预应力筋与孔道壁之间的摩擦由两部分组成：一是由孔道偏差引起的，其值大小与孔道长度x有关；二是由曲线孔道弯曲使预应力筋与孔道产生附加的径向应力产生的，其值大小与孔道弯曲角θ有关。
2.2 预应力体系摩擦损失理论
如图1所示，在转角为θ处取微段ds，其中心位于一半径为R的圆弧上，则预应力筋长度ds范围对应的角度变化为dθ=ds/R，则由预加力P产生的径向应力分量N=Pdθ。
摩擦损失值dp可以用压力N乘以摩擦系数μ来表示：
dp=-μN=-μPdθ （1）
分离变量，并在0θ间积分，得到：
P2=P1e-μθ （2）
长度效应是指在沿预应力钢筋长度上有不均匀的转角波动引起的摩擦，由长度效应系数引起的kx来代替μθ，则公式可改写成：
P2=P1e-kx （3）
两部分叠加结果为：
P2=P1e-μθ-kx （4）
其中：k为考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数；μ为预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数。
图1 预应力筋的摩擦损失
3 简化公式
直线型孔道的接触效应很弱，主要取决于孔道的偏差程度，由孔道的施工制作的顺直度及以梁段自身作为台座对预应力筋张拉造成的孔道变形决定的。曲线形孔道的接触效应取决于孔道设计的弯曲程度及施工中张拉预应力筋造成的孔道偏差共同决定。
《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[1]、《预应力混凝土结构设计规程》（DGJ 08-69―2007）[2]和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62―2004）[3]中给出的预应力钢筋和孔道摩擦引起的预应损失σl1的计算公式：
σl1=ΔP/Ap=（P1-P2）/Ap=σcon[1-e-μθ-kx]（5）
规范给出的计算公式过于复杂，在实际设计和施工过程中，需计算指数函数，易出错且不适用。其计算结果亦与施工中预应力张拉所测得的实际预应力损失相差较大，故本文将规范计算公式[1-4]进行简化，思路如下：
将规范公式中的指数函数利用泰勒公式进行展开，分别取展开式的前两项和和前四项和，并与规范公式[1-4]和参考文献[5]的实测值进行比较，结果如表2所示。
从表中可以看出：
（1）泰勒公式展开式，前两项和和前四项和相差不大；
（2）预应力钢筋与孔道之间摩擦引起的预应损失实测值kx+μθ不管是否大于0.3，均可用泰勒展开式前两项替代，较规范公式（5）简单、偏于安全且更接近实测值。
4 结论
本文对规范[1-4]中提出的后张预应力混凝土构件由预应力筋与孔道摩擦引起的预应力损失σl1的计算进行简化，得出如下结论：
（1）在设计及施工中，该项预应力损失计算公式简化为：σl1=kx+μθ。简化公式的即简便且偏于安全，与实测值更为接近；
（2）简化计算公式对kx+μθ大于0.3的情况仍适用。
参考文献
[1]吴转琴，曾昭波等.缓粘结预应力钢绞线摩擦系数试验研究[J].工业建筑，2008， 38（11）：20-23.
[2]李国平，预应力混凝土结构设计原理[M].北京：人民交通出版社， 2009（08）：78.
作者简介
李 矗1986-），男，黑龙江哈尔滨人，博士生，助教，工程师，一级建造师，从事钢-混凝土组合结构、预应力混凝土结构、高层建筑结构设计及研究（E-mail：）。
姚 飞（1989-），男，河南南阳人，硕士，从事钢-混凝土组合结构研究。
请排满2个整版面下面还有个表格别删减
表2：规范公式、泰勒级数展开式计算结果与实测结果的比较
试验值[5] 计算值
序号 线型 转角θ/rad 长度x/m 张拉力损失
ΔF=F1-F2 预应力筋面积Ap/mm2 实测损失值σl1 摩擦系数 μθ kx 规范值[1-4]
σl1=σcon[1-
e-kx-μθ] 规范值/
实测值 泰勒级数前两项和Σ=-kx-μθ 展开式/实测值
μ k
1 直线 0 6 6.1 199 0.0307 ― 0.004 ― 0.024 0.0236 0.7818 0.024 0.7724
2 4.8 189 0.0254 0.9449 0.9335
3 2.8 201 0.0139 1.7266 1.7059
4 3.9 212 0.0184 1.3043 1.2887
5 4.2 194 0.0217 1.1060 1.0927
6 4.0 211 0.0190 1.2632 1.2480
7 6.0 201 0.0299 0.8027 0.7930
8 4.2 203 0.0207 1.1594 1.1455
9 4.0 199 0.0201 1.1940 1.1797
10 5.2 197 0.0264 0.9091 0.8982
11 3.0 200 0.0150 1.6000 1.5808
12 5.5 196 0.0281 0.8541 0.8438
1 曲线 π/6 3.666 10.2 210 0.0485 0.09 0.0471 0.0147 0.0595 1.2735 0.0618 1.2342
2 π/3 4.264 20.6 207 0.0995 0.0942 0.0171 0.1046 1.1182 0.1113 1.0560
中图分类号： TU991.34+3 文献标识码： A 文章编号：
1 水池结构构成及分类
水池结构由顶板、底板、池壁、支柱等组成。水池既可以明露在地面以上，也可以埋于地下，常见的结构形式有圆形、矩形等，下面简单介绍下矩形敞口水池的计算要点。
2 水池结构的荷载
《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》第4.2.2 条规定，作用在水池上的荷载分为永久作用、可变作用两类。永久作用包括水池自重、土的侧向压力、池内水的侧向压力；可变作用包括地下水压力、地面堆积荷载。敞口水池一般没有很大的内外温差，或者可以说温差对敞口水池的影响不大，可以最后计算。
规程明确规定：当水池的长宽比大于10 时，竖向土压力标准值应乘以1.2，这主要是考虑回填土出现类似管道这种狭长结构的情况，即在沟槽内回填土沉陷不均而在水池顶部形成竖向压力的增大。示例工程:狭长的注浆池
3 水池内力计算
3.1 底板、顶板计算模型
现浇顶板与现浇底板在池壁处视为弹性固定。无支柱的底板，如果地基条件较好或板的跨度较小，宜按四周固定的单向或双向板计算。
底板和顶板的厚度应满足构造要求和计算要求，据《特种结构设计》中规定，腋角边宽一般大于150mm且应构造配筋，一般可按墙或底板顶板截面受力钢筋的50%采用。底板的挑出长度，一般取底板厚度；有地下水的，应由抗浮计算确定。
3.2 池壁计算模型
池壁与顶板、底板整体浇筑，在底板处宜视为弹性固定，敞口水池处顶端应视为自由端。池壁不利受力模型：池内有水，池外无土；池外有土，池内无水。一般池内有无水对底板直接受力影响不大，底板的最大受力直接计算无水情况地反力即可。池外土主动压力系数小于0.5时取0.5。
矩形水池
根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》（CECS 138:2002）第6.1.2 条规定，按池壁的高宽比分为单向受力壁板和双向受力壁板两种受力形式，矩形水池池壁在竖向荷载作用下按受弯构件计算。当水池较深时（HB>7m），可在池壁外侧增设扶壁柱，以减少池壁厚度。
池壁的计算过程：统计荷载确定池壁计算模型内力计算配筋计算裂缝验算。
本文以一个矩形水池为例简述一下池壁在池内静水压力作用下的计算过程。
该工程为清水蓄水池，现浇钢筋混凝土结构，长宽均为4m，池壁高4m，壁厚为250mm，底板厚250mm，底板外挑250mm，顶板厚200mm，混凝土等级为C30，抗渗等级为S6,根据地勘报告， 本工程地基承载力特征值为fak=150kPa，无地下水，
池底静水压力标准值（最高水位3.6m）：q 顶=3.6×10=36kN/m2
本工程H=4.0m，
池壁在池内静水压力作用下的计算过程：
①固端弯矩计算
池壁固端弯矩计算，H2/dt=17，根据《特种结构设计》P13，池壁底部竖向弯矩标准值μ=1/6，Ly/Lx=1.0
My=kmxqH2=-0.0350×36×4×4=-20.16 kN·m。
底板固端弯矩计算，μ=1/6, Ly/Lx=1.0,根据《特种结构设计》P10，按周边固定的双向板计算，底板均布面荷载q=36kN/m2，查表得弯矩
M1=0.0176x36x4x4=10.138kN·m。
②弹性嵌固边缘弯矩
池壁弹性边缘弯矩：Mx= kmxqH2=-0.0298×36×4×4=-17.16 kN·m内侧受拉。
底板弹性边缘弯矩：My+M1’=-20.16+ kmxqH2 =-20.16+0.0513x36x4x4=
9.38kN·m，下侧受拉。
池壁在池内水压力作用下底部弯矩标准值为M1=-20.16kN·m。
池壁按受弯构件计算配筋，再按准永久组合作用下验证池壁裂缝是否满足规范要求。一般情况下裂缝才是配筋和板厚的关键，所以请算出弯矩后再算各构件的轴向拉压力，然后带入pkpm基本构建计算模块或其他计算裂缝的软件，计算构件的裂缝是否满足Wjk
池壁在外侧土压力作用下的内力计算过程同上，本文不再赘述，最终配筋按两种荷载组合下的较大值设计。
4 设计及施工要求
1）矩形水池池壁水平钢筋搭接。应有足够长度锚入相邻壁内，锚固长度应自墙的内侧表面算起。
2）水池顶板覆土避免大力夯打，水池回填土应先填池顶土，后填四周土，周边回填土压实系数宜大于0.9。
3）水池各部位的钢筋间距应在100mm~250mm范围内。
如果钢筋间距太密，会影响混凝土振捣，而钢筋间距太大，容易产生裂缝，因此规程对钢筋间距做了明确规定。同一方向配筋应相互照应，如间距100,200,400，或间距80,160，320，使得钢筋施工一目了然。采用125与200之类混合间距会造成局部钢筋集中，因而产生不必要的施工麻烦和结构刚度的混乱。
4）敞口水池顶端宜配置水平向加强钢筋。
敞口水池在地基变形作用下池壁顶端是结构的薄弱点，因此应予加强，敞口水池顶端水平向加强钢筋一般为最小为4Φ12
5）水池充水试压前不应抹面。
水池池内抹水泥砂浆是一种防渗水措施，水池试压是验证钢筋混凝土池壁及底板的防渗性能，因此二者施工顺序不得颠倒。
6） 刚性套管与柔性套管的选用当用于抗震设防区时，应在进入建筑物外墙的管道上就近设置柔性连接。
7）套管管径较大时应在池壁上设加强钢筋。
当穿池壁的套管管径大于300mm 时，应注意选用图集或补充池壁加固大样做法。如果设计图纸中不注明，施工单位很容易疏忽该项要求。
8）《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》（CECS 138:2002）第7.1.3 条规定，当水池的长度、宽度较大时，应设置适应温度变化的伸缩缝或采取其它措施，实际工程一般设置后浇带或采用补偿混凝土。后浇带一般需间隔42 天左右才能浇筑，整个水池混凝土浇筑完毕需较多时间；当工期紧张时，可以采用补偿收缩混凝土代替后浇带。
9）施工缝的选择。现在混凝土工程一般选用商用混凝土，商用混凝土的特点是强度满足要求，防渗性能不是太好。所以遇有施工缝的情况请舍弃齿面施工缝。选用钢板止水带或者遇水膨胀的橡胶止水带。这对于水池的长期耐久性是有好处的。
5 结语
敞口水池是混凝土结构设计的入门课程，外形简约而内力计算不简单，充分认识敞口水池的受力特点对于掌握混凝土的本身特性，及其在外力作用下与钢筋的配合工作，拟合受拉钢筋使之与内力包络图完美统一，认识到裂缝及温度影响对混凝土结构的长期作用，都有不可磨灭的贡献。所谓拳不离手，曲不离口。敞口水池作为设计的必修课，做好他设计，保证隐蔽工程的构筑物经济长久稳定的有效使用，对社会，对国家有着重大的意义。
参考文献:
赵永福，孙海涛，唐坚梅，杨龙斐《浅议钢筋混凝土水池设计》建筑与结构设计2008年10期
GB50069-2002《给水排水工程构筑物结构设计规范》
CECS 138:2002 《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》
Abstract: the civil building of quality in addition to the influence factors of site construction and outside, another one of the most important factors is the structure design. This paper in the design of civil building structure some points problems were discussed, and to the point of a simple research and analysis.
Keywords: civil building structure; Problem; Points according to the
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一、民用建筑结构设计的原则及步骤
结构设计，是工程师通过专业的方式，即结构语言来表达设计者的理念。而结构语言就是通过从建筑或者专业图纸中凝炼而出的建筑的基础，诸如墙，柱，梁，板，楼梯，大样、构造等。建筑师通过使用结构语言的元素构架建筑的体系，包括承重及抗力体系，这种体系是由竖向和水平构件共同构筑而成。
1.民用建筑结构设计基本原则
民用建筑结构设计功能原理显示：1）用于正常建设和施工使用，能经受正常使用中的多种有可能性；2）具有良好的工作业绩；3）正常维修养护中的耐久性；4）发生事故的设计规定和发生，可保持必要的整体稳定性。
2.民用建筑结构设计的基本步骤
建筑师在进行民用建筑结构设计的时候，一般按照三个阶段逐步开展工作：方案规划阶段，计算和设计阶段，施工建设阶段。以方案规划阶段举例来看，其内容一般会根据建筑的重要复杂度，重点考虑抗震设防烈度、工程地质勘查报告、建筑类型和建设和层高来确定建筑结构设计的最终形式。比如是砖混结构、筒型构架或者其他结构设计模式。
二、民用建筑结构设计中的常见问题
1.结构平面图相关问题
测绘结构布局进行绘制结构图时，何时需要结构软件建模是需要结构工作者进行分析的。当所需建建筑地处6度区的抗震设烈度地带时，按照国家建筑抗震设计规范，可不必开展检查地震剖面的工作，也就无需输入结构软件建模，结构设计可以直接进行，特别是砌体结构建筑，但是必须要符合国家规定的抗震措施要求，注意局部受压问题的解决。但是，当所建建筑地处7度区以上的地带时，是必须要输入结构软件建模计算的。当然，如果便利，无论哪种，如果从妥善和精确角度来看，输入结构软件建模，都是有利而无害的。
2.屋顶(面)结构图问题
对于设计人员而言，民用建筑结构设计和施工的关键， 必须正确掌握建筑图纸的要素，理解图纸的意图。而做到对图纸的把控，就必须有深入的空间概念。
梁板式及折板式的结构处理方式，一般适用于坡屋面的建筑。二者略有区别。当建筑屋面坡度及屋脊线转折复杂，且具有较大的版跨度和不平整的平面时，建筑结构设计者们往往就会采用梁板式的结构处理方式。反之，会采用折板式。这两种结构处理方式，均为偏心受拉构件。板配筋应该配备负筋板的部分或全部抵抗拉力。基于构造需要的厚度一般不应小于120厚。此外，光束角钢装饰板倍应该有大样图坡屋顶板法平面，经常使用的文件增加样品示意图，这是更方便的安装人员，要正确理解图纸。
3.地基与基础方面
1）无地质勘察报告的多层房屋建筑，施工图的设计是根据建设单位口头或参考附近的建筑设计形式而做出的。参考设计必须合理、安全设计地基与基础，不能完全依靠地耐力进行考量，要统一考虑多种因素综合所参考的建筑设计资料进行结构设计。
2)在进行建筑结构设计时，软弱地基的危害是非常严重的。不能仅仅凭借经验采用砂垫层加强一下承载力的处理方式，必须考虑垫层宽度和厚度，严格进行换土垫层设计计算，安全经济的解决软弱地基的处理设计问题。
3）多层民用建筑结构进行设计的时候，为了避免采用荷载值偏大的后果，必须在设计之初，对梁、柱和基础负荷严格按照设计规范处理，通过将荷载乘以折减系数的计算方式，科学的计算荷载值，达到结构设计的合理性。
4.民用建筑结构设计与其他专业设计的协调
民用建筑结构设计中必须考虑电气室内敷线的问题。在设计的时候，应该遵循相关设计原则，应沿着墙壁及楼板等暗处敷设金属管，导线敷设其中。然而这种暗设的结构设计方式，往往与装配整体框架和剪力墙结构相冲突。预制梁预留管道尽可能和波束宽度和壁厚一致，如果没有协议，要求一侧的墙壁和梁的一侧，侧面平齐，使得穿梁管穿束垂直线不外露于墙上。
高层建筑平面电梯井道的位置确定，电梯电脑室肯定是向下的位置，电梯电脑室嵌入孔部分越多，电梯的电脑室负载也就越大，所以应该详细了解选定机型电梯建设条件和注意只有站的布局和更多台布置的差异。由于电梯井一般为钢筋混凝土剪力墙的方式，除了外面的垂直载荷下，仍然受横向力的作用，因此应验证开孔强度。
5.底层框架——剪力墙砌体结构挑梁裂缝问题
上部是多层砖混砌体结构，底层为剪力墙结构或框架剪力墙结构等，这类房屋的体系结构，往往会出现结构设计上的问题，为了追求底层空间和使用面积，设计师们单一追求建筑立面造型，将二层以上的部分横墙且外层挑墙移至悬挑梁上，各层设计有挑梁，但实际结构的底层挑梁承载普遍出现裂缝。
6.其它建筑结构设计问题
a、多层和高层建筑，层数和高度的增加，竖向和水平的荷载也随之增加，荷载量的增大使得底层柱截面不断增大，使得建筑底部数层会出现大量短柱。
b、一般设计者往往会根据多孔砖墙体结构的构造，使用承重砖。承重砖却是采用多孔砖砌筑而成，这种砖质不适宜地面以下和室内防潮层。
c、结构设计没有考虑房屋建筑的高度、高宽比，使得其限值超出现行规范。
e关于箱、筏基础底板的挑板问题等等。
三、民用建筑结构设计规范和要点原则分析
1．设计规范的要求
针对上文阐述的在民用建筑结构设计时易出现的问题，设计人员在框架结构构思时，必须综合的分析和符合建筑结构荷载规范、抗震规范、混凝土结构设计规范等。结合当地建筑的特殊性，以及材料、地质、货源、习俗等，合理建设结构设计体系。
2．设计的主要原则及要点
a.结构设计时注意抗震验算。场地类别的差异往往决定抗震验算的等级。当建筑超过5层的跨度时，结构设计要尽量加剪力墙，尽可能改善结构的抗震性。
b. 大跨度雨篷，阳台等不允许从填充墙内出挑，必须考虑抗扭，其扭矩为梁中心线处板的负弯矩乘以跨度的一半。
c.框架梁、柱的混凝土等级宜相差一级。
d.由于某些原因造成梁或过梁等截面较大时，应验算构件的最小配筋率等。
e.出层面的楼电梯均不得采用砖混结构。
f.框架结构中的电梯井壁宜采用粘土砖砌筑，但不能采用砖墙承重。应采用梁承托墙体荷载。
g.建筑长度宜满足伸缩缝要求，否则应采取适当措施，如增大配筋率，通长配筋，改善保温，铺设架空层，加设后浇带等。
h.框架柱轴压比宜满足相关规范要求，并根据规范要求进行抗震设计。
i.当采用井字梁时，梁的自重大于板自重时，梁自重不可忽略不计，周边一般加大边梁的截面。
j.过街楼处的梁上筋应通长，按偏心受拉构件进行计算设计。
k.电线管集中穿板处，板应验算抗剪强度或开洞形成管井。电线管竖向穿梁处应验算梁的抗剪强度，开洞处应进行抗震构造措施处理。
l.构件不得向电梯井内伸出，否则应验算是否能装下，电梯井处柱可外移或做成异性柱。
m.验算水箱、电梯机房及设备下结构的强度。水箱不得与主体结构做在一起。
n.当地下水位很高时，暖沟应做防水。一般可做U型混凝土暖沟，暖气管通过防水套管进入室内暖沟。
o.采用扁梁时，应注意验算挠度及裂缝，满足规范要求等。
p.突出屋面的楼电梯间的柱为梁托柱时应向下延伸一层，不宜直接锚入顶层梁内，并且托梁上钢筋应适当拉通，并验算托梁抗剪强度。错层部位应采取加强构造措施，女儿墙内加构造柱，顶部加压顶。出入口处的女儿墙不管多高，均加构造往，并应加密。错层处可加大梁截面，上下层板钢筋均锚入此梁中。
q.注意基底附加压力下基础沉降不均的问题。
民用建筑的结构设计是一个复杂的系统，其中存在的问题涉及到方方面面，要解决好这些问题就需要丰富的经验和先进的理论知识，在此前提下，建筑结构设计师通过综合考虑各方面设计因子，并与各种规范进行多重整合，运用科学的设计理念，做到建筑设计与结构设计的紧密结合，选择合理的结构体系，这样才能设计出真正满意的建筑。
参考文献：
于桂萍《关于多层建筑结构设计中的主要问题分析》.中国高新技术企业.2008.
Abstract: combining with a production workshop chongqing steel plant design simple introduction to this kind of plant the structural design features, from the main load, the main structure layout analyzed the heavy steel structure plant structure design, puts forward the heavy steel structure plant structure design problems should be paid attention to.
Keywords: steel structure; Workshop; Structure design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
引言
在工业建筑中，钢结构以其独特的性能被广泛采用，为满足生产需要，跨度大、高度大以及大吨位行车重型钢结构厂房不断涌现。随着钢结构的发展，重型钢结构厂房在工业建筑中的比重越来越大，主要领域用于冶金、机械、船舶等工业建筑。本文结合浙江宁波地区某生产车间的结构设计，重点介绍重型钢结构厂房结构特点及结构设计中一些注意事项和要点，供类似设计中参考。
1重型钢结构厂房结构特点
重型钢结构厂房结构相对于轻型门式剐架结构具有以下特点：
1.1结构用钢量大。该类厂房柱距、跨度、高度一般较大。且吊车工作级别、荷载较大，因此导致构件超长、超宽、超重现象，用钢量一般超过60kg/m2。由于该类厂房结构构件重量较重，且上部荷载较大，相应基础费用也较高，同时地震反应也较为敏感。
1.2轴网布置不规则。受工艺条件限制，厂房柱距一般为9~12m，局部柱距由于抽柱，柱距达到24m甚至更大。
1.3结构整体刚度要求高。因吊车冲击荷载对结构的影响，在结构的纵向及横向应提高结构整体刚度，以减小整体结构的震动。
1.4节点构造复杂。节点设计应考虑超大、超宽、超重构件的制造、运输、安装的工艺要求，并满足抗震构造措施及刚性假定的规定。
2结构设计
结构设计按《钢结构设计规范》、《建筑抗震设计规范》和《建筑结构荷载规范》等相关规范设计。
2．1主要荷载
厂房结构所受到的荷载主要有竖向荷载：包括结构自重、吊车竖向荷载、屋面活荷载及走道板活荷载；水平荷载：包括风荷载、厂房积灰荷载，吊车水平荷载、地震荷载等。上述荷载中除一般轻型屋面自重按0.50kN/m2输入外，其它结构自重由程序自动计算。风荷载按《建筑结构荷载规范》选用风荷载体形系数后，由程序自动布置。屋面活荷载取0.3kN/m2，屋面积灰荷载在水平投影面，距高炉中心50m内取1.0kN/m2，距高炉中心50~100m时取0.5 kN/m2，走道板活荷载取2.0kN/m2。基本风压0.4 kN/m2。吊车荷载按照厂家提供的数据进行输入。
2．2主要结构布置
排架柱为单阶柱，上阶柱采用工字型实腹焊接截面柱。下阶柱除承受上柱荷载外，还需承受吨位较大的吊车荷载，如果采用实腹工字型截面柱．则柱截面会很大，不经济，下柱采用格构式钢管混凝土柱设计方案。充分利用了钢管和混凝土两种材料的力学性能，减少了柱子截面尺寸，且外形美观。肩梁采用单腹壁肩梁。
2．3屋面斜梁设计
(1)挠度控制：屋面斜梁挠度限值按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）附录A规定，[Vt]
(2)腹板高厚比控制：当屋面梁轴力相对较小时。可按《钢结构设计规范》(GB50017-2003)4.3.1款规定，承受静力荷载和间接承受动力荷载的组合粱宜考虑腹板屈曲后强度，并满足第4.4节相关要求。考虑腹板屈曲后强度的屋面斜梁腹板可以设计的较薄，且无需设置中间横向加劲板，但考虑到腹板的焊接变形往往难以得到保证，因此重型钢结构厂房的屋面斜梁腹板厚度不宣设计过薄，一般最小取6.0mm，且h/t不大于150。
2．4柱子系统设计
排架柱以边柱为例。如图1所示。
钢柱为单阶柱。上柱采用实腹式柱，下柱采用格构式钢管混凝土柱。钢管材料选用Q345B钢，管内用C45混凝土填充，缀条采用空心钢管。浇灌混凝土的孔开在肩梁以下，孔径约200mm，可在工厂开孔，但不宜将孔板割掉，以免杂物掉进管内．待管内混凝土被振捣密实并达设计强度的50％以后，方可焊接孔板。钢管中混凝土应采用压力灌浆法浇筑，为使管内混凝土密实，在肩梁上翼缘板各开有直径为30mm的泄气孔:，灌浆时应振捣密实，直到泄气孔冒浆为止。钢管中的混凝土必须在吊车及墙架系统安装前浇灌，待混凝土强度达到70％以上，方能安装吊车及墙架系统。下柱长15.18m，在柱脚处和下柱的中部分别设置了一道横隔(横隔间距不宜大于柱长边的9倍和8m)。
柱脚采用插入式柱脚。
肩梁采用单壁式肩梁，腹板高度为1800mm。与钢管相交的加劲做成一块整板，下柱的钢管切口，将加劲板插入钢管的切口内，这样的构造做法使吊车梁传来的竖向荷载有效的传递至下部钢管混凝土柱内，提高了节点的整体受力性能。
图1：排架柱
2.5柱间支撑设计
为保证厂房的纵向刚度和空间刚度，承受山墙风力、吊车纵向刹车荷载、温度应力和地震作用，沿厂房纵向设置上、下柱间支撑。下柱柱间支撑设两道，原则上应该布置在温度区段中间三分之一处，但是工艺要求，有些位置不能布置柱间支撑，将其位置做适当的调整以满足工艺要求。上柱支撑设四道，上柱支撑除在设有下柱支撑的柱间布置外，在温度区段的两端另设两道。
2．6吊车梁与柱的连接
吊车梁下翼缘与柱的连接，一般采用普通螺栓固定。吊车梁上翼缘与柱的连接通常采用板铰连接，因为板铰连接的纵向约束效应小，适用于重级工作制吊车梁，板铰及其连接应能保证传递梁端最大水力．铰板孔径较栓径大1mm，其加工应按照精制螺栓要求进行，铰板栓孔的受力方向端距不得小于1.5d。由于吊车的起重量较大，在吊车梁的高度中部增设与排架柱相连的垂直隔板，此隔板为构造加强，无需计算。
3厂房各系统设计中应特别注意的问题
3.1铰接屋架上承及下承做法对柱的影响
上承式屋架优点：屋架支座处传力好。屋架在安装时的稳定性好,而且基本上可不必考虑屋架受力后弦杆弹性伸长的影响。上弦在竖向荷载作用下的压缩变形可补偿屋架下挠时(坡度变直时)支座向外的位移。其总位移量的消长情况与屋面坡度有关,当屋面坡度i≥1/6,柱顶仍将向外推移。当i≤1/10柱顶非但不会向外推移，甚至有向里移动的可能，这个优点在多跨厂房中更为重要。
上承式屋架缺点:上承屋架端支座底部至端节点中心的距离较大,约为下承式屋架的2~3倍。因此,在柱顶水平剪力作用下对支座节点的偏心弯矩较大,设计时应引起注意。一般可采取以下两种方式解决:①采用侧接法与柱顶相连,以减少甚至消除偏心弯矩;②在与支座节点相连的屋架杆件设计中,考虑此偏心弯矩的影响,下承式屋架做法优缺点正好与上承式相反。
3.2柱
柱截面选用时,为了经济,宜优先选用钢管混凝土柱或型钢格构柱。为了经济,在工艺允许的情况下可增加纵向系杆,以减小厂房柱的平面外计算长度。
3.3柱间支撑
支撑杆件采用单拉杆设计或一拉一压杆件设计,应根据受力大小及杆件长度确定。目前流行采用单杆既在前后片杆件之间不打缀条设计,便于中间穿行管道、钢梯及参观走道。
3.4吊车梁系统
国标图集与钢结构设计规范对吊车梁中间加劲肋板与上翼缘的焊缝处的要求不同(钢结构设计规范要求刨平顶紧后焊接,国标图集仅采用焊缝)，建议采用刨平顶紧后焊接。平板支座处加劲肋国标图集中是上下刨平顶紧,为了便于施工,建议改为上端坡口焊,下端刨平顶紧后焊接。
结语
随着我国工业建设的发展，尤其是沿海、沿江地区冶金、机械、船舶及海洋工程类建设项目，由于生产工艺的需要以及建设用地的允许 ,建造大跨度和大面积的钢结构厂房越来越多 ,而随着我国钢产量的增加和建筑设计、 施工技术的不断进步 ,这种需求得到满足也变得越来越容易。设计人员要熟悉规范，灵活把握，使得工程结构设计更加经济合理。
参考文献
[1]钢结构设计手册编委会．钢结构设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004．
