付 凱

（多維聯(lián)合集團(tuán)有限公司，北京 100070）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與鋼材產(chǎn)能提升，鋼結(jié)構(gòu)越來越多地在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用，特別是門式剛架結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)簡單，結(jié)構(gòu)受力合理，用鋼量低，開間大，較容易獲得大空間，在工業(yè)建筑中得到大量應(yīng)用。隨著科技進(jìn)步，對(duì)廠房建筑功能的要求也不斷提升，對(duì)門式剛架結(jié)構(gòu)的靈活性要求也越來越高，其中，抽掉部分剛架柱以獲得更大的空間是工程實(shí)際中常會(huì)遇到的問題。門式剛架結(jié)構(gòu)作為平面受力體系，準(zhǔn)確計(jì)算每榀剛架的剛度是設(shè)計(jì)要點(diǎn)，也是確保后續(xù)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的前提。本文將結(jié)合以色列DONLONG項(xiàng)目，利用PKPM軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)抽柱剛架“借剛度”的問題進(jìn)行分析，并給出實(shí)用的設(shè)計(jì)方法及建議。

1 工程簡介

DONLONG項(xiàng)目位于以色列特拉維夫，建筑功能為存儲(chǔ)倉庫，建筑尺寸為縱向60m，橫向36m，柱距6m，跨度18m，雙坡兩跨，檐口高度7m，屋面坡度3%，柱腳鉸接。因建筑功能需要，⑥軸交軸剛架柱需抽掉，通過屋面縱向支撐將抽柱剛架和與之相鄰的剛架連接，目的是通過屋面支撐使⑤軸和⑦軸剛架的抗側(cè)剛度傳遞給⑥軸使用，結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置

鋼柱均為H500×220×8×10；屋面梁為變截面，每跨梁分 3 段，每段 6m，分別為：H（700～400）×200×8×10，H400×200×8×10，H（400～700）×200×8×10；托梁為 H800×250×10×12；剛系桿為133mm×4mm圓管；屋面支撐為30圓鋼；柱間支撐為30圓鋼。

2 三維整體分析

因計(jì)算的復(fù)雜性和計(jì)算量的關(guān)系，本文部分計(jì)算采用PKPM軟件進(jìn)行該結(jié)構(gòu)的三維整體分析，在抽柱榀剛架柱頂處施加100kN水平力，不再施加其他任何荷載，在該水平力的作用下的抽柱榀剛架柱頂彎矩及柱頂位移如表1所示。

表1 三維整體分析抽柱榀剛架柱頂彎矩及位移

3 托梁剛度計(jì)算

托梁作為抽柱剛架的彈性支座，需計(jì)算出其豎向剛度，以提供給抽柱榀剛架。托梁為簡支梁，簡支梁在跨中承受集中力作用下，其跨中豎向撓度為：，將托梁的彈性支座等效成虛擬柱，虛擬柱在軸壓力作用下的變形：，將二式聯(lián)立，可得出：

4 屋面支撐剛度計(jì)算

屋面支撐采用圓鋼支撐，僅能承受拉力，受壓時(shí)退出工作（見圖2）。根據(jù)柔度定義：單位力產(chǎn)生的位移即為柔度，柔度的倒數(shù)為剛度。

圖2 屋面支撐剛度計(jì)算

對(duì)屋面支撐在鋼架方向施加單位力1，屋面支撐內(nèi)力F＝1/cosθ，屋面支撐軸向變形：，屋面支撐在剛架方向變形：'＝cosθ，由胡克定律，在剛架方向：1=k'，所以屋面支撐提供給抽柱剛架的抗拉剛度：

上述式中，k為屋面支撐抗拉剛度；Es為屋面支撐彈性模量；As為屋面支撐截面積；ls為屋面支撐長度；θ為屋面支撐和剛架夾角；托梁在水平方向提供給抽柱剛架的剛度很小，忽略不計(jì)。

5 二維計(jì)算分析

5.1 剛架間通過剛性桿連接

通過PKPM二維建模，采用與三維整體分析相同的構(gòu)件截面，將⑥軸抽柱剛架和⑤軸及⑦軸剛架一同輸入模型，中間通過剛性桿連接，由此⑤軸及⑦軸剛架的剛度已傳遞給⑥軸抽柱榀剛架，但未考慮屋面支撐剛度，認(rèn)為其無窮大。同樣，在⑥軸剛架柱頂施加100kN水平力，不再施加其他任何荷載，柱頂彎矩及柱頂位移如表2所示。

表2 二維分析抽柱榀剛架柱頂彎矩及位移

5.2 剛架間通過等同于屋面支撐抗拉剛度的任意桿件連接

通過PKPM二維建模，采用與三維整體分析相同的構(gòu)件截面，將⑥軸抽柱剛架和⑤軸及⑦軸剛架一同輸入模型，中間通過具有等同于屋面支撐抗拉剛度的任意桿件連接，即，由此⑤軸及⑦軸剛架的剛度已傳遞給⑥軸抽柱榀剛架，同時(shí)考慮屋面支撐剛度和⑤軸、⑦軸剛架的剛度串聯(lián)作用。

表3 二維分析抽柱榀剛架柱頂彎矩及位移

通過以上計(jì)算表明，三維整體計(jì)算分析的⑥軸剛架柱頂各點(diǎn)彎矩與5.1的方法計(jì)算結(jié)果相差分別為9.53%，4.46%，柱頂位移結(jié)果相差分別為9.74%，9.28%，10.20%；三維計(jì)算分析的⑥軸剛架柱頂各點(diǎn)彎矩與5.2的方法計(jì)算的結(jié)果相差分別為3.65%，0.99%，柱頂位移結(jié)果相差分別為5.43%，5.10%，6.01%。

6 結(jié)語

抽柱的門式剛架結(jié)構(gòu)通過屋面支撐“借取”相鄰未抽柱榀剛架的剛度進(jìn)行平面計(jì)算與三維整體計(jì)算的計(jì)算結(jié)果吻合程度較好；但如果忽略屋面支撐自身的剛度，認(rèn)為其剛度無窮大，計(jì)算誤差會(huì)稍大。

建議門式剛架結(jié)構(gòu)如遇抽柱情況，可考慮通過屋面支撐借用相鄰未抽柱榀剛架的剛度，同時(shí)考慮屋面支撐的自身剛度及屋面支撐剛度和相鄰未抽柱剛架的剛度的串聯(lián)作用。

在該項(xiàng)目中，屋面縱向支撐還可再向未抽柱榀左右各延伸一跨；同時(shí)，若所抽柱為中間柱，在屋脊另一側(cè)可同時(shí)對(duì)稱設(shè)置屋面縱向支撐，剛度傳遞效果會(huì)更好，各榀剛架剛度會(huì)更趨于均勻，受力更合理。