連棟溫室鋼結構框架穩定設計的探討

梁志文（江門市建筑設計院有限公司，廣東江門529000）

連棟溫室鋼結構框架穩定設計的探討

梁志文（江門市建筑設計院有限公司，廣東江門529000）

穩定性是連棟溫室鋼結構框架最為關鍵的內容，直接關系著連棟溫室的安全與穩定。本文結合現階段最為先進的鋼結構設計理論與研究成果，在已改善長度系數方法弊端的基礎上，就連棟溫室鋼結構有側移失穩時、等高獨特性質，有針對的制定出一種可以計算柱與相互作用的層穩定系數法與長度系數計算修正法。

連棟溫室；鋼結構；框架；穩定；設計

1 引言

鋼結構是當前國際上連棟溫室應用最多的結構，溫室多采用小型桁架或鋼管梁，立柱采用矩形薄壁鋼管，以單元組合的形式通過天溝形成等高、多跨的連跨結構。過去在對輕型鋼結構的穩定傳統進行計算時，所用到的材料過多，對于結構的實際受力情況也很難準確的反映。本次試驗正是在當前最為先進的鋼結構穩定設計理論與研究成果的基礎上，通過對鋼結構失穩時各個柱子相互支援及結構整體的性質的全面考慮，對此種多跨、等高的相互支援的生產性溫室鋼結構進行設計，以在保證結構安全的基礎上，降低用鋼量，更真實體現結構力學反應。

2 溫室結構類型及構造特點

2.1 山形屋面溫室

門市鋼架結構在現階段溫室中應用最為普遍，溫室柱腳一般為剛接或鉸接，如果跨度超過8.0m時，就應在門架梁再增添一個拉梁與柱通過剛接方式進行連接。開間一般為3.0m、4.0m，跨度一般為6.0、8.0m。

圖1 山形屋面溫室

2.2 Venlo溫室

溫室柱腳一般有兩種，即剛接與鉸接，屋面梁通常以輕鋼梁為主，大梁主要應用桁架結構；開間為4.0、5.0m；跨度有12.8m、9.6m、6.4m。

圖2 Venlo溫室

2.3 三角形屋架溫室

三角形屋架溫室屋架為有檁體系，梁柱連接采用剛接方式，柱腳連接有剛接與鉸接兩種；開間為4.0m、5.0m，跨度為8.0m、9.6m。

圖3 三角形屋架溫室

2.4 三鉸拱屋架溫室

屋架由吊桿和小桁架共同形成，屋架下弦為輕鋼拉桿中間吊桿，上弦為小桁架，屋面為有檁體系，梁柱連接采用剛接方式，柱腳連接有剛接與鉸接兩種；開間為3.0m、4.0m、5.0m，跨度為9.6m、12.8m、15.0m。

圖4

2.5 拱形屋面溫室

拱形為常見的屋架形式，屋面設置拉桿或檁條，梁柱連接采用剛接方式，柱腳連接有剛接與鉸接兩種；開間為3.0m、4.0m，跨度為8.0m、10.0m。

圖5 拱形溫室

2.6 鋸齒型屋面溫室

鋸齒型為溫室剖面常見形式，屋面設置檁條，梁柱連接采用剛接方式，柱腳連接有剛接與鉸接兩種；開間為3.5m、4.0m，跨度為9.2m、9.6m。

圖6 鋸齒形屋面溫室

3 傳統的計算長度系數法

傳統上，框架柱的平面內穩定采用如下的公式：當框架出現側移屈曲時，長度系數計算公式為：當框架柱出現無側移屈曲時，長度系數計算公式如下：在以上兩式中，柱腳鉸支時，柱腳固支時，即匯交于柱上端的梁線剛度之和與柱線剛度之和的比值，見圖7，其中對邊柱對中柱

圖7 山形溫室有關參數示意

圖8 框架的失穩模式

4 框架有側移失穩——一個簡單的判定準則

框架每一層的抗側剛度K可從結構的線性分析直接得到。如果在沒有水平力作用的狀態下，框架的有側移失穩現象將會明顯的顯現出來，這也從側面表明框架結構抗側剛度被削弱，不具備水平位移抵抗能力。研究表明，豎向荷載是一種負剛度的因素，也框架抗側剛度K變小最為主要的因素，其可以將框架原本的正剛度進行抵消。假設豎向荷載為V（N），當臨界荷載超出框架時，可利用反算對豎向荷載的等效負剛度進行計算求取。

則該框架有側移屈曲的一個簡單準則就變長。

5 同層各柱的相互作用——修正計算長度系數法及其困難

傳統的計算長度系數有明確的物理意義，可以通過多跨框架的算例驗證。每一根柱子的傳統的計算長度系數可以用下式計算框架抗側剛度與結構力學矩陣位移法線性分析得到層抗側剛度：

屈曲時，柱子軸力越大，失穩傾向也會更大，軸力小的柱子也會提供支援，因此在對軸力大的柱子進行計算時，應當將此種情況充分考慮進去。

6 框架整體屈曲分析方法

整體屈曲分析是按照以下步驟進行的：

（1）對給定的荷載組合，采用線性分析方法對框架結構進行計算得到所有框架柱子的軸力；

（2）以該工況的組合軸力Pk為標準，與荷載因子進行相乘；

（3）形成有限元分析的剛度矩陣，進行特征值分析，得到臨界荷載因子xcr：

（4）求得的第k個柱子的臨界荷載為xcrPk，長度系數計算公式如下：

長度系數μnk所計算出的結果通常情況下會和式（8）中k值相等，接下來可利用整體屈曲形式對所得到的長度系數進行計算分析。

7 對溫室柱按整層失穩模式的穩定性設計建議

（1）計算溫室框架的通用長細比：

設溫室柱子總根數為n根，框架柱為m根，搖擺柱為n-m根。K是該層抗側剛度，Pyk為該層全截面屈服時搖擺柱的軸力，Pyj為全截面屈服時第j根框架柱子軸力，h是層高。

（2）該層穩定系數φst計算：按照每根柱子的截面類型，有針對性的計算柱子曲線。

（3）按照下列公式對每根框架柱有側移失穩的穩定性進行驗算，公式如下：

式中：φx-按照框架無側移失穩時的計算長度系數確定的穩定系數βmx-按照無側移失穩的規定計算，

式中：η—對箱形柱子取0.7，對H形截面柱子取1；y—框架柱平面外彎曲失穩的穩定系數。

（6）計算整層時，框架柱長細比非抗震設計時，控制指標為1.6。

單個柱子的長細比應小于200。

（7）雙向壓彎構件的穩定性計算

y方向是純框架，x方向設置支撐的雙向壓彎框架柱的穩定性計算標準為：y方向（繞x軸）按照整層有側移失穩計算的公式是：

（5）框架柱的平面外，則按照下式計算框架柱的平面外穩定：

y方向（繞x軸）按照不利柱子的無側移失穩計算的公式是：

（A.3）x方向（繞截面的弱軸y軸）的計算穩定性的公式為：

式中：φy—計算無側移失穩時的計算長度系數。層穩定系數法為整層失穩的框架柱穩定性計算方法。詳細的反映出整層失穩的特點為框架有側移失穩現象，沒有對各柱子進行有側移失穩的計算長度系數計算，有效的使穩定計算方式簡化。懸臂柱的通用長細比是：

式中：Ny=Afy表示柱子全截面屈服荷載，S=3EI/h3為懸臂柱的抗側剛度。

框架結構在完全不具備彈性的情況下，其穩定性與彎矩之間并無明顯的聯系，但對采用彈塑性的框架結構而言，彎矩能夠使框架梁柱提前進入彈塑性，從而將框架的剛度削弱，對框架穩定性造成影響。當框架出現側移失穩現象，可在柱子上下端強柱弱梁的狀態下，在梁端開展塑性，當梁端及柱頂塑性鉸趨于形成時，層承載力也會到達極限。所以利用穩定性方法對整層穩定性計算時，其彎矩項的計算也會相應增加。這種情況下，相較于傳統的長度系數計算法，框架層計算的準確率較低，因此并不鼓勵其在實際中進行應用。搖擺柱則只需進行無側移屈曲的驗算。對整層的穩定性進行計算后，一般可以由有效減少該層有側移失穩現象的出現。單只有在得到別的柱子支援或軸力過大時，無側移失穩情況才可能發生。下面是一個算例中的一些參數，從中可以得到采用本文方法將能夠達到的效果。不同方法的計算參數見表1。

表1 不同計算方法的比較

從表1中可以看出，在均布豎向荷載的作用下，邊柱為中柱提供支援后，將會增大其自身的計算長度系數，而中柱在得到邊柱支持后，其計算長度系數將會變小。由此可見，邊柱軸力越小，中柱軸力越大，失穩傾向也愈發嚴重。依據改善后的計算長度系數法可以獲知，由于中柱計算長度系數減小，其截面（壁厚或外形）也會相應的縮短，減少結構建設成本。因此，水平力作用下，層穩定系數法的應用，使得框架柱的軸力分布不均?？蚣苤茌S壓力越大，將會得到越大的支援，從而使截面減小，為企業帶來更好的經濟效益。

8 討論

因此，目前絕大多數溫室的邊柱和中柱都采用了不同的截面，采用本文的方法對溫室柱進行設計，可以取得較好的經濟效果。穩定系數法在水平力的作用，能夠極大的減少經濟支出，這是由于水平力使得框架柱的軸力分布更不均勻?？蚣苤茌S壓力越大，將會得到更大的支援，使得截面減小。部分結構中，中柱采用無側移失穩控制，通過上下鉸接形式。因此，通過層穩定系數法可以柱子的無側移失穩進行驗算補充。

[1]QiFei，Zhou Xinqun.Featuresofload effectsand applicationin designing Venlo greenhouse[J].Transactions of theChinese Society of Agricul turalEngineering，2007，3（23）：163～168．（inChinesewithEnglishabstract）. [2]俞永華，王劍平，應義斌．塑料溫室拱結構雪載工況下極限承載力的非線性有限元分析[J]．農業工程學報，2007，23（3）：158～162．

[3]沈正炳，黃文彬．多聯棟溫室框架結構的彈塑性計算[J]．農業工程學報，2000，16（2）：105～108．

[4]俞永華，崔紹榮，苗香雯，等．華東型連棟塑料溫室結構設計[J]．農業工程學報，1999，15（2）：151～154．

TU391

A

2095-2066（2016）36-0183-03

2016-12-12