淺析工業(yè)建筑剛架結構選型

李 偉 楊華中

（蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州730070）

0 前言

現(xiàn)代工業(yè)生產任務各不相同且種類繁多，工業(yè)建筑即是為了滿足各種工業(yè)生產需要和工藝要求而建造的建筑物。生產工藝、工業(yè)原料和制成品運輸路線以及工業(yè)生產設備布置順序決定了工業(yè)建筑平面形狀和布置。由于現(xiàn)代工業(yè)生產工藝復雜，工業(yè)建筑往往要求能夠同時布置多臺大體量設備，且有不同型號運輸和起重設備通行，致使工業(yè)建筑內部需形成較高較大通敞空間，同時，為了滿足建筑室內環(huán)境和屋頂防水排水各項要求，致使工業(yè)建筑屋頂面積大且構造復雜。與民用建筑相比，工業(yè)建筑對結構設計要求更高。

工業(yè)建筑按層數(shù)分為單層、多層和高層建筑，工業(yè)建筑的結構類型包括排架結構、剛架結構、拱結構等。其中單層剛架工業(yè)建筑具有內外交通聯(lián)系方便、桿件較少和結構內部空間較大利于大型設備布置等優(yōu)點，是應用較多的一種類型。

1 剛架結構的種類

建筑剛架結構是指由梁柱通過剛性節(jié)點聯(lián)接的單層建筑結構，當剛架橫梁與立柱剛接夾角大于90 時，又稱為“門式剛架”。門式剛架由于橫梁斜向布置使室內空間加大，并且由結構形成屋面排水坡度節(jié)省了構造找坡的材料和費用。門式剛架屋面多使用輕型屋面結構，屋面排水坡度常用i=1/8～1/20。

按照結構體系幾何不變組成規(guī)則，單層剛架結構可布置為三鉸剛架、兩鉸剛架和無鉸剛架三種類型，分別如圖1 所示。三鉸剛架為靜定結構，兩鉸剛架為一次超靜定結構，無鉸剛架為三次超靜定結構。

圖1 單層平面剛架簡圖

2 剛架結構的受力特點及節(jié)點構造

由于梁柱剛接而形成互為約束，單層剛架結構在常規(guī)工業(yè)建筑荷載作用下內力得到優(yōu)化，與排架結構比較，梁柱彎矩均有所降低，故剛架結構受力比排架結構優(yōu)越。但是，當結構跨度較大時，剛架結構單根構件長度過大剛度降低，尤其是在吊車起重量較大情況下大跨度剛架結構不能滿足建筑結構適用度和經(jīng)濟性要求。單層剛架工業(yè)建筑常用跨度為9m～36m，建筑高度一般不超過10m。

從結構組成上看，三種單層剛架結構均可作為承受荷載的結構形式，但是在相同荷載作用下，三種剛架結構的內力響應和結構適應性存在顯著差別，構造方式及經(jīng)濟性也各不相同。三鉸剛架為靜定結構，在荷載作用下梁柱節(jié)點處彎矩較大，屋脊節(jié)點和支座節(jié)點處無彎矩存在，當?shù)鼗A存在不均勻沉降時，不會產生結構附加內力，但結構整體剛度較差。兩鉸剛架是超靜定結構，結構整體剛度較大，由于梁柱剛接和屋脊節(jié)點剛接使得梁柱彎矩有所降低，柱與基礎鉸接使基礎頂面無彎矩作用，降低了材料消耗量。無鉸剛架超靜定次數(shù)更高使結構整體剛度進一步增大，但其對基礎不均勻沉降較敏感，且由于基礎頂面存在彎矩作用使基礎材料消耗量顯著增加。

三鉸剛架有三個鉸接節(jié)點（即兩個柱與基礎鉸接支座節(jié)點和一個屋脊鉸接節(jié)點），由于柱與基礎鉸接使得柱底無彎矩，鋼筋混凝土三鉸剛架結構柱底鉸接節(jié)點需使用杯口基礎與預制柱柔性連接構造，鋼結構則需使用鉸接柱腳，當柱底反力不大時可設計成板式鉸接柱腳；屋脊處鉸接點處理也應保證有足夠的轉動能力。兩鉸剛架的兩個支座節(jié)點為鉸接節(jié)點，構造方式與三鉸剛架相同；屋脊處為剛性節(jié)點，鋼筋混凝土剛性節(jié)點可采用整澆彎折梁節(jié)點構造，鋼結構則可采用高強螺栓群剛性節(jié)點構造。無鉸剛架所有節(jié)點均為剛性節(jié)點，節(jié)點處理時需保證能夠傳遞彎矩。

3 剛架結構支撐系統(tǒng)設置

在結構整體布置過程中，應使結構在縱橫兩個方向均具有足夠的剛度，而剛架結構是一種典型的橫向平面結構，在建筑剛架結構縱向需通過設置支撐系統(tǒng)以滿足縱向剛度要求。支撐系統(tǒng)包括；屋面支撐和柱間支撐，屋面支撐設于溫度區(qū)段兩端開間和設有柱間支撐開間處，屋面支撐采用交叉型張進圓鋼，在其它開間需設置縱向剛性系桿；柱間支撐一般設于結構兩端和溫度區(qū)段中部。

4 結論

由以上分析可知：

①建筑剛架結構常采用兩鉸剛架和三鉸剛架兩種形式；

②剛架結構中梁柱構件中存在較大的彎矩，不能充分發(fā)揮結構材料的力學性能；

③剛架結構常用于無動荷載或吊車荷載較小的工業(yè)建筑中；

④剛架結構是一種典型的平面結構形式，為獲得足夠的結構空間剛度和穩(wěn)定性，需要設置屋面支撐系統(tǒng)和柱間支撐系統(tǒng)。

［1］王心田.建筑結構體系與選型[M].上海：同濟大學出版社，2003.

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