門式剛架廠房支撐設(shè)計探討

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(dāng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(dǎo)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(fēng)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(dāng)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(dāng)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(biāo)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(dāng)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(dān)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(dān)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(fēng)荷載均相等,實際計算,隨著迎風(fēng)面到背風(fēng)面,各榀支撐的內(nèi)力逐漸減小,即迎風(fēng)面處的支撐內(nèi)力最大,背風(fēng)面處的支撐內(nèi)力最小。因此,不考慮縱向風(fēng)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(fēng)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(fēng)面的前半部分是不安全的。

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