（上海核工程研究设计院，上海200233）
摘要：某压水堆核电厂核岛厂房采用了钢梁、压型钢板与混凝土板的组合楼盖设计，导致风管支架难以直接生根在楼板底部，因此在核岛厂房设计中采用辅助梁的设计方案，本文主要阐述辅助梁与结构梁间形成的结构体系和结构布置方法要点，提出了满足核电结构抗震设计要求的三种辅助梁结构布置方案及构件设计方法。
关键词：核电厂房；风管支架；辅助梁
前言
在常见的民用及工业建筑中，风管支架可以通过预埋锚栓或膨胀螺栓等连接件非常简单地生根于钢筋混凝土结构楼板底部，但本文所述项目的核岛厂房由于空间跨度较大，其楼盖系统采用的是H型钢梁上覆压型钢板支撑的钢筋混凝土楼板组合结构（如图1所示）。压型钢板底部肋型结构导致风管支架无法采用传统的生根方式与楼板连接。其次，厂房内部部分区域风管密集，无法完全利用结构钢梁生根，导致不能满足风管支架的布置要求，因此本项目采用了结构钢梁间（或者是钢梁与墙体间）架设辅助梁的结构方案，形成支架到辅助梁再到结构梁的结构传力体系（如图2所示）。
此外，本项目厂房风管支架多采用横杆与立杆组成的吊架形式（如图3所示），吊架的立杆为角钢或者矩形钢管构件，横杆为角钢构件。由于核电通风系统必须满足苛刻的安全审评要求，结构的抗震性能被视为一项重要的安全指标，因此支架设计需要充分考虑结构的抗震性能要求。本项目地震荷载采用等效静力法计算，各方向的地震加速度基于楼面反应谱峰值获得，并需要乘以1.5的系数以考虑多模态效应的影响，考虑到由支架传到生根结构上的荷载通常较大以及支架结构的可靠性和施工便利性，支架与生根结构一般采用刚接节点连接设计。
1支架生根辅助梁的布置要点简析
在确定了通风管道敷设路线以及相应风管支架的布置间距要求之后，首先要判断是否可以利用已有的楼盖结构梁或墙体（可以设置悬臂支架）做支架生根，如有结构梁可以利用，应优先选择其作为支架生根结构。在结构梁无法满足风管支架生根需求的前提下，增设辅助梁。
由于本项目压型钢板的最大无支撑铺置跨度为2m左右，因此楼盖结构梁的布置间距多数在2m以内，此间距一般均可满足风管支架的布置间距要求。因此当风管路径垂直于结构梁布置方向时，可最大程度减少辅助梁的设置，但对于平行于结构梁布置方向的风管路径，必须通过增设辅助梁来满足风管支架的生根需要。同时，考虑到布置简洁、抗扭性能及连接需要，辅助梁通常与风管路径相垂直，每榀支架对应一根辅助梁。在此前提下，辅助梁的布置间距与风管支架的布置间距相同。
原则上，如果同一标高平面的风管同时有支架生根在结构梁和辅助梁底面时，考虑到简化支架种类的需要，辅助梁应做到与结构梁底平已保证支架立杆的长度统一。
2支架生根辅助梁的设计
辅助梁除其本身的自重外，主要是承担来自于所连风管支架传递而来的荷载，该荷载包括支架及风管的自重以及支架和风管自重在地震作用下产生的等效静力荷载。在本项目中，由于风管支架与生根结构为刚性连接且风管的水平地震力相对于辅助梁有较大的力臂，因此在辅助梁内部，除了由风管支架荷载导致的轴力、剪力和弯矩外，还存在着较大的扭转作用力。在钢结构中，钢梁一般采用工字钢或H型钢等开口截面，与抗弯和抗剪承载力相比，其抗扭承载力小很多，因此，抗扭是支架生根辅助梁的设计关键。
由于现行的钢结构设计规范缺乏有关开口钢截面抗扭转的设计方法，因此辅助梁的抗扭设计主要通过以下几种方案解决。
2.1将辅助梁设计为与楼板相连接
在本项目中，当风管支架生根结构为H型钢梁时，对应生根点的H型钢梁腹板两侧会设有横向加劲肋，支架对钢梁产生的扭力可通过加劲肋由下翼缘传递至上翼缘，对于顶部铺有楼板的结构梁来说，由于上翼缘受到楼板的约束，钢梁的抗扭能力会大大提高，设计时可以忽略扭力对钢梁的影响。基于此概念，当辅助梁与结构梁设计为顶平且与压型钢板楼板通过剪力钉有效连接时，可忽略支架对辅助梁产生的扭转作用而仅计算辅助梁的抗弯和抗剪承载力。
此种方法虽然简单易行，但在具体应用时也存在不小的局限性，主要存在的问题如下：
（1）用以生根支架的辅助梁并不属于土建结构，理应与结构梁分属于不同的施工图纸，但为了做到辅助梁与楼板相连接，就必须将辅助梁的设计整合到土建结构设计中，这加大了专业间协调设计的难度，且由于风管施工较土建结构要晚，辅助梁一旦安装完毕无法修改，会限制后期风管布置的调整。
（2）辅助梁垂直于结构梁布置，意味着其与压型钢板的跨度方向平行，为了保证辅助梁与楼板的可靠连接，必须使压型钢板的底边落在辅助梁的上翼缘，还需要加焊剪力钉，客观上加大了施工难度和工程量。
3）由于需要与楼板连接，此种辅助梁不适用于楼板混凝土浇筑后新增设的风管支架生根
2.2合理布置，增设连梁
本文第2节曾提到，辅助梁通常与风管路径相垂直布置，其在抗扭方面的优势在于，当风管荷载产生的地震力沿着风管路径方向时，由于风管的前后连通，对于单个支架产生的地震力由于受到相邻风管的约束，实际上要小于同样加速度时垂直于风管路径方向的地震力。同理，沿风管路径方向的地震力对辅助梁产生的扭矩也较小，而垂直于风管路径方向的地震力对辅助梁产生的是作用于強轴的弯矩作用，可以利用到H型钢的抗弯优势。如果辅助梁与风管路径相平行布置，即每榀支架的两根立杆分别生根于两根辅助梁上，且每根辅助梁上生根有多榀支架的立杆。这种方式的缺点在于：首先，辅助梁长度较垂直布置长，不利于受力；其次，在受到垂直于风管路径的地震力的作用下，辅助梁会在多个生根点产生同方向的扭矩，当生根有多根支架立杆时，其扭矩作用通常会大于垂直于风管路径布置的辅助梁；第三，平行于风管路径的辅助梁无法直接与结构梁相连接，需要增加与结构梁垂直的次梁或者生根在墙体上进行固定，连接不便。
与风管路径垂直布置的辅助梁虽有一定的抗扭优势，但在实际验算时还无法忽略受扭的影响，因此可以考虑在相邻的两根辅助梁之间设立连梁，并将连梁两端与辅助梁刚接，此方法可以将辅助梁受扭转变为连梁的受弯，通过下面这个简单的数值模拟实例可验证该方法的有效性。
假设有跨度为2m，截面为HW200x200x8x12的辅助梁，上面生根有两根支架立杆（假设为D-1 108x108x12.5的矩形钢管构件），立杆长1m，杆端各作用有一个5kN垂直于辅助梁跨向的水平力，辅助梁梁端假设与结构梁刚接，该实例的有限元模型及荷载约束如图4所示。
计算的到辅助梁的应力如图5所示，最大应力约为189MPa。
假设在距此辅助梁2m处因为支架生根需要另布置有一根相同长度的辅助梁，生根杆件及荷载均与该辅助梁一样，将这两根辅助梁之间采用与辅助梁同截面的连梁连接起来，连梁梁端与两根辅助梁均为刚接，连梁的布置方式分为两种。方案一：在支架生根点位置各布置一根连梁，方案二：是在两根辅助梁的跨中仅设置一根连梁，对应的两种方案的有限元模型如图6所示。
计算得到的辅助梁应力如图7所示，其中方案一最大应力为43.94MPa，方案二最大应力为51.89MPa，相对于单根辅助梁的应力水平均有大幅降低，由此可见，刚接连梁对于辅助梁的抗扭性能提升明显。由于实际应用中，辅助梁上的支架生根情况以及受力状态会更为复杂，连梁的具体布置方式还应由工程师依据经验和实际情况决定。
连梁虽可有效解决单梁抗扭不力的问题，但由于厂房有些局部空间内密布了各种管道及支架，不一定有增设连梁的空间。同时，连梁的布置通常需要通风和结构专业人员配合进行，对协同设计能力的要求较高。
2.3采用抗扭转性能良好的矩形钢管作为辅助梁构件
上文提到，国标规范并没有针对开口截面抗扭承载力验算的条文，为了保证辅助梁的抗扭性能，对于不具备增设连梁条件的辅助梁（如相邻无其他辅助梁或结构梁或连梁无空间等），建议采用矩形钢管代替H型钢作为辅助梁构件。对于矩形管结构截面，美国规范AISC 360-10版给出了如下的相应规定：
对矩形管截面构件
标称抗扭转强度Tn=FcrC，
其中C为截面扭转常数，对于矩形管截面，C=2（B-t）（H-t）t-4.5（4-π）t3，此处B为截面宽，H为截面高，t为管壁厚。
Fcr为临界应力，对辅助梁常用的矩形管截面，由于其腹板高h与壁厚t的比值小于2.45√E/Fy（ E为钢材弹性模量，Fy为钢材屈服强度），根据AISC 360-10版H3-3式规定，Fcr=0.6Fy。
当矩形管辅助梁承受组合扭转、剪切、弯曲及轴向应力作用时，如其所需扭转强度小于等于根据上式计算所得的容许扭转强度的20%，可忽略其扭转效应。当所需扭转强度大于容许扭转强度的20%时，其应力作用必须限制于满足下式的要求。
其中Pr、Mr、Vr与Tr分别为根据ASD或LRFD方法计算得到的构件所需轴向、弯曲、剪切及扭转强度，Pc、Mc、Vc与Tc分别为根据ASD或LRFD方法计算得到的截面容许轴向、弯曲、剪切及扭转强度。
本项目具体设计时通常是将矩形管辅助梁简化为梁单元，将支架根部反力施加于辅助梁相应位置，采用GTStrudl软件对其进行有限元分析，由于GTStrudl 32.0版本以上软件已加入了相关的美国规范条文，因此可以直接对复杂受力状态下的构件进行应力验算。
采用矩形管作为辅助梁截面在拥有抗扭承载力高，验算有据可循的优点之外也存在着与H型钢结构梁连接不便等施工问题。厂房实际建造时，部分区域还曾采用过在H型钢辅助梁翼缘两侧加焊封板形成闭口截面的方法改进其抗扭性能，但也存在着施工量较大的缺陷。
3结语
核电项目通常对风管支架有较高的抗震要求，在大跨组合楼盖空间内布置的辅助梁在为支架提供生根支撑的同时也承担着由支架传来的包括扭转在内的各种荷载，本文介绍了此类辅助梁在布置上的一些基本原则，并针对其抗扭性能要求高的功能特点给出了三种结构布置及构件设计方法，每一种方法都有着各自的优点和不足，工程中需要设计人员根据实际情况进行具体设计，在满足功能需求的前提下达到施工便利和经济性的最优化。
参考文献：
[1]王雪飞，王铁红．钢梁抗扭设计方法探讨[J]．化工设计，2009（3）
[2]姚成莲，刘中林．风管钢支架的设计研究[J]．水泥工程，2011（06）
论文作者:李磊,凌云
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年11月下
论文发表时间:2016/9/20
标签：风管论文; 支架论文; 结构论文; 截面论文; 型钢论文; 楼板论文; 荷载论文; 《建筑建材装饰》2015年11月下论文;