蔡正華 韓曉健 董 軍

0 引言

門式剛架在其平面內(nèi)豎向荷載或水平荷載作用下,梁柱剛接可以減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。相對排架結(jié)構(gòu),門式剛架結(jié)構(gòu)的截面可以適當減小,門式剛架結(jié)構(gòu)體系比排架結(jié)構(gòu)體系節(jié)省鋼材,促使單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房廣泛選用門式剛架結(jié)構(gòu)體系。門式剛架結(jié)構(gòu)是由門式剛架、支撐系統(tǒng)及其他次要構(gòu)件構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)體系。CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中提出：對于斜梁上橫向水平支撐的內(nèi)力,應(yīng)根據(jù)縱向風荷載按支撐于柱頂?shù)乃借旒苡嬎?柱間支撐的內(nèi)力,應(yīng)根據(jù)所受縱向風荷載按支撐于柱腳基礎(chǔ)上的豎向懸臂桁架計算;對于交叉支撐可不計壓桿的受力。這種計算方法,是將門式剛架結(jié)構(gòu)體系簡化為平面系統(tǒng),沒有考慮橫向水平支撐和柱間支撐的整體作用及相互影響。GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范也沒有給出計算空間結(jié)構(gòu)中支撐內(nèi)力及變形的簡化方法。對于建立空間模型、空間結(jié)構(gòu)中支撐內(nèi)力與平面結(jié)構(gòu)及簡化模式中支撐內(nèi)力有多大差別,目前還沒有形成確實的理論與計算方法。

鋼結(jié)構(gòu)廠房縱向柱間距和跨度增大,支撐體系設(shè)計怎樣保證鋼結(jié)構(gòu)廠房的縱向剛度和整體剛度達到設(shè)計要求是一個重要的問題。工程設(shè)計實踐表明：廠房采用輕型鋼板屋面以及墻面時,剛度較小,自重較輕,結(jié)構(gòu)有良好的抗震性能,但是在風荷載與吊車縱向荷載工況作用下,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形均較大,風荷載以及吊車縱向荷載是引起柱間支撐內(nèi)力以及柱列縱向位移的主要因素。對于支撐和縱向系桿的內(nèi)力計算規(guī)范無明確規(guī)定,實際工程設(shè)計中弱化了支撐體系內(nèi)力與剛度計算,導致廠房的縱向剛度與整體剛度降低。

1 柱間支撐

1.1 柱間支撐假定

縱向柱間支撐在承受縱向作用力時起著決定性的作用,單層工業(yè)廠房應(yīng)在每一縱列設(shè)置柱間支撐,以構(gòu)成各個縱向平面框架,從而保證廠房的縱向幾何形狀不變形,減小柱的側(cè)向計算長度,并承受房屋端部山墻風力、吊車縱向剎車荷載、溫度應(yīng)力和地震作用,使之傳于基礎(chǔ)。支撐體系的布置和設(shè)計是一個重要的內(nèi)容。支撐的強度和剛度是否滿足要求,直接關(guān)系到廠房的安全。在進行柱列縱向作用力分析時,通常采用以下假定：

1)一般只考慮柱間支撐,忽略鋼柱剛度的影響;

2)計算十字形交叉支撐時,一般僅考慮拉桿工作并假定支撐與鋼柱的連接節(jié)點為鉸接;

3)當縱向水平構(gòu)件如吊車梁、輔助桁架等截面較大時,可忽略其軸向變形的影響;

4)縱向水平力分布在溫度區(qū)段內(nèi)柱列所有柱間支撐上。

1.2 支撐體系設(shè)計

支撐體系的設(shè)計原則是：

1)明確、合理、簡捷地傳遞縱向荷載,盡量縮短傳力路徑;

2)保證結(jié)構(gòu)體系平面外的穩(wěn)定,對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的整體穩(wěn)定提供側(cè)向支點;

3)滿足房屋生產(chǎn)凈空的要求;

4)滿足必要的強度、剛度要求,具有可靠的連接。

柱間支撐由以下各部分組成：

1)在吊車梁以上至屋架下弦間設(shè)置上段柱的柱間支撐,當它為雙階柱時,上下兩層吊車梁之間設(shè)置中段柱的柱間支撐;

2)在吊車梁以下至柱腳處設(shè)置下段柱的柱間支撐;

3)屋架端部的垂直支撐和屋架端部上下弦標高處的縱向系桿、吊車梁、輔助桁架以及柱本身等都是柱間支撐體系的組成部分。

1.3 柱間支撐設(shè)計要求

縱向柱列支撐體系在承受和傳遞水平荷載的同時,還保證縱向穩(wěn)定性,現(xiàn)行規(guī)范缺少支撐力與水平力相互組合的規(guī)定,GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定支撐傳遞的水平力與保證穩(wěn)定性的支撐力不相疊加。研究結(jié)果表明水平力與支撐力簡單疊加方法計算支撐的設(shè)計要求偏低。柱間支撐體系剛度可以適當控制嚴格。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)冶金系統(tǒng)的單層廠房往往因重級制吊車的要求,下柱支撐的長細比常控制在150以下,冶金廠房柱間支撐的破壞率遠較其他工業(yè)系統(tǒng)廠房的柱間支撐的破壞率低。

2 屋面支撐

2.1 屋面支撐設(shè)置

鋼結(jié)構(gòu)廠房普遍采用的是有檁輕鋼屋面,結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中不考慮屋面的蒙皮效應(yīng),只是作為結(jié)構(gòu)承載安全儲備。結(jié)構(gòu)的空間剛度主要是由橫向剛架、屋面水平支撐、柱間豎向支撐共同工作提供。對于門式剛架水平支撐和柱間支撐的受力模型,實際上是一個空間桁架,水平支撐是一個水平桁架,柱間支撐是一個豎向桁架,是水平桁架的支座;縱向的水平力通過縱向系桿傳給各榀水平支撐,再經(jīng)過支座傳給柱間支撐,最后傳到基礎(chǔ)。了解了水平支撐和柱間支撐的受力模型,因此,在設(shè)置水平支撐和柱間支撐時,就必須把水平支撐和柱間支撐設(shè)置在同一縱向跨內(nèi),且第一道支撐和最后一道支撐必須設(shè)置在縱向第一跨和最后一跨內(nèi)。什么時候設(shè)置剛性支撐,什么時候設(shè)置柔性支撐,這主要取決于結(jié)構(gòu)承受荷載的大小,對于有中、重型吊車的結(jié)構(gòu),采用剛性支撐;對于輕型門式剛架,可采用柔性支撐。

2.2 平面模型與空間模型計算比較

平面模型簡化不考慮實際結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)作用和空間效應(yīng),認為各道支撐承擔相同大小的縱向水平力,即各道支撐均勻受力,考慮了柱間支撐和水平支撐的相互作用,且考慮了部分通長系桿的縱向傳力作用。對于柱間支撐,考慮了系桿的傳力作用,且把柱間支撐與水平支撐相互作用的約束反力作為柱間支撐系統(tǒng)的外力,計算模型接近實際受力情況。但是簡化模式?jīng)]有考慮實際縱向系桿的傳力作用,因此隨著支撐道數(shù)的增加,平面模型及簡化模式的結(jié)果誤差會越來越大。

空間模型計算,屋面水平支撐與柱間豎向支撐按空間桁架受力模型考慮,其中,門式剛架的柱和斜梁作為梁柱單元,水平支撐和柱間支撐作為二力桿單元,與柱和斜梁鉸接連接。把門式剛架的柱和斜梁作為梁柱單元,水平支撐和柱間支撐作為二力桿單元,與柱和斜梁鉸接連接,整個結(jié)構(gòu)看成空間桁架,得到每榀屋面水平支撐和柱間支撐所受的荷載,按此荷載加在各榀水平支撐的節(jié)點上。水平支撐直腹桿內(nèi)力,水平支撐斜拉桿內(nèi)力和柱間支撐的拉桿內(nèi)力隨著水平支撐和柱間支撐道數(shù)的增加而減小。實際計算表明,縱向系桿內(nèi)力隨著水平支撐和柱間支撐道數(shù)的增加變化不明顯,對屋面水平支撐的直腹桿和柱間支撐的拉桿內(nèi)力有較大的出入,但對水平支撐的斜拉桿的影響不大。

2.3 屋面支撐設(shè)計要求

鋼結(jié)構(gòu)門式剛架廠房整個結(jié)構(gòu)的空間整體穩(wěn)定性主要由柱間支撐和屋面支撐決定,屋面支撐較柱間支撐復(fù)雜,因此,設(shè)計中應(yīng)對整個結(jié)構(gòu)的空間受力進行認真分析,布置合理的支撐體系,保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。屋面支撐的剛度是廠房屋面剛度的主要影響因素。屋蓋剛度越大,其承擔的力越大,廠房的空間作用越大。廠房縱向柱間距和跨度增大,必須加強屋面支撐剛度才能滿足屋面剛度需求。加強屋面支撐剛度,提高廠房整體作用。

3 結(jié)語

門式剛架結(jié)構(gòu)體系在我國應(yīng)用非常廣泛,多數(shù)廠房支撐體系仍然按平面簡化模式計算,柱間支撐與屋面支撐分別設(shè)計,這種計算模式不適于驗算廠房剛度。支撐失效情況的調(diào)查顯示,支撐剛度控制嚴格能提高柱間支撐的安全性。

屋面水平支撐計算簡化分析假定每榀支撐所受的縱向水平風荷載均相等,實際計算,隨著迎風面到背風面,各榀支撐的內(nèi)力逐漸減小,即迎風面處的支撐內(nèi)力最大,背風面處的支撐內(nèi)力最小。因此,不考慮縱向風荷載的傳力途徑,簡化成每道水平支撐和柱間支撐所受的風荷載均相同,這樣的計算結(jié)果與實際受力情況有較大的差別,以此計算的內(nèi)力來設(shè)計支撐的桿件,對于迎風面的前半部分是不安全的。

[1] 趙熙元.單層工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與展望[J].結(jié)構(gòu)展望,1990(1)：26-33.

[2] GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] CECS 102∶2002,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 童根樹,李 東.廠房縱向支撐體系的設(shè)計強度和剛度要求[J].浙江大學學報(工學版),2004,38(5)：610-620.

[5] 盧偉煌.門式剛架水平支撐和柱間支撐內(nèi)力計算分析研究[J].福建建筑,2004(4)：33-34.

[6] 李 天,趙東杰,董建華,等.門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)支撐體系的建模及受力分析[J].鋼結(jié)構(gòu),2005,20(80)：53-57.

[7] 駱蘭月,郭冰冰.大噸位吊車單層工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房在縱向荷載作用下的計算[J].建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計,2009(7)：44-48.