廠房柱間支撐布置對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能影響分析

范曉斌

(上海電氣集團(tuán)國(guó)控環(huán)球工程有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

廠房結(jié)構(gòu)中柱間支撐的主要作用是提供側(cè)向剛度和傳遞水平力，且當(dāng)柱間支撐剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于廠房柱時(shí)認(rèn)為水平荷載完全由柱間支撐傳遞，而且傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中也是按照柱間支撐承受全部水平荷載來進(jìn)行設(shè)計(jì)，但隨著新工藝，新技術(shù)的誕生，常常為了滿足工藝設(shè)備的大空間需求而無法設(shè)置結(jié)構(gòu)柱，這樣就會(huì)使結(jié)構(gòu)柱截面較大或者做成格構(gòu)柱，當(dāng)柱的平面外剛度增大到與支撐剛度相差不大時(shí)，不考慮支撐柱分擔(dān)荷載，不僅廠房柱設(shè)計(jì)存在安全隱患，同時(shí)也會(huì)造成支撐設(shè)計(jì)的浪費(fèi)，縱向溫度效應(yīng)作用明顯，而且現(xiàn)行《鋼準(zhǔn)》[1]中溫度區(qū)段的劃分是基于支撐剛度遠(yuǎn)大于單獨(dú)柱提出的，不能簡(jiǎn)單套用[2]，本文以廠房縱向結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)在水平荷載和溫度作用下的受力性能研究分析，并通過改變柱距，構(gòu)件尺寸及支撐層數(shù)主要因素來得到支撐布置規(guī)律，尋找一些合理的支撐布置原則和方式。

2 廠房縱向結(jié)構(gòu)靜力性能分析

2.1 支撐體系柱與側(cè)向支撐剛度比確定

根據(jù)上式可以看出，柱截面不變情況下，增大支撐截面，剛度比顯著減小；保持支撐截面不變，柱截面由小增大時(shí)，剛度比相差已不存在數(shù)量級(jí)關(guān)系；增大柱距，剛度比減小；橫截面尺寸對(duì)剛度比影響不大，可忽略其在柱與支撐剛度比中的影響，從中可以看出，柱子、支撐截面尺寸以及柱距對(duì)柱與支撐剛度比有著直接的影響，可作為進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)受力性能的影響因素。

2.2 基本模型建立

在實(shí)際工程中，柱子通常比較高需要設(shè)置多層支撐，同時(shí)又要考慮柱距、構(gòu)件尺寸及支撐層數(shù)等多因素分析，每種因素都要考慮各種水平不便于理論推導(dǎo)，為提高效率，本文利用大型有限元分析軟件Midas Gen[3]建立三層單跨模型，通過逐一改變每一因素來分析該因素對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，分析數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 柱、支撐及橫桿參數(shù)化分析

從表1中分析，無支撐時(shí)，柱底彎矩和柱子剪力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有支撐時(shí)；柱子截面增大時(shí)，柱底彎矩和柱子剪力均有所增大，增大柱間支撐截面時(shí)，水平荷載下柱底彎矩減小，而溫度荷載下內(nèi)力變化不大；柱距增大時(shí)，溫度應(yīng)力增大較多，水平荷載作用下內(nèi)力變化不大；橫桿截面改變對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能影響不大可以忽略其影響。

2.3 柱間支撐布置對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能分析

2.3.1柱間支撐對(duì)稱布置

結(jié)合上述分析得到的影響因素，建立10種6列柱計(jì)算模型，其中柱間支撐布置在中間和兩端各5種，通過全面分析柱間支撐位置改變對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響，為了更直觀觀察結(jié)構(gòu)，將柱按照從左到右依次編號(hào)，水平荷載作用下分析結(jié)果見圖2，圖3。溫度荷載作用下分析結(jié)果見圖4，圖5。

支撐布置在兩端時(shí)，水平荷載作用下柱底彎矩兩端大于中部，而溫度荷載作用下也為兩端較大；支撐設(shè)置在中間時(shí)，水平荷載作用下柱底彎矩中部較大，而溫度荷載作用下柱底彎矩兩端較大；綜合分析可知，當(dāng)支撐布置在中間時(shí)，5種模型下結(jié)構(gòu)內(nèi)力、柱頂側(cè)移均大于支撐布置在兩端。

2.3.2柱間支撐不對(duì)稱布置

工程實(shí)踐中經(jīng)常遇到支撐不能對(duì)稱布置的情況，為了進(jìn)一步分析柱間支撐不對(duì)稱時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響，再建立5個(gè)模型進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6，圖7所示。

支撐不對(duì)稱布置時(shí)，內(nèi)力分布情況與支撐對(duì)稱布置時(shí)相同，但結(jié)構(gòu)內(nèi)力、柱頂側(cè)移均大于支撐對(duì)稱布置。

3 結(jié)語(yǔ)

1)當(dāng)結(jié)構(gòu)為滿足工藝大空間需求時(shí)，結(jié)構(gòu)柱剛度與支撐剛度相比不能簡(jiǎn)單地忽略其作用應(yīng)充分考慮分擔(dān)水平荷載。2)支撐對(duì)稱布置時(shí)，當(dāng)建筑處于高烈度設(shè)防地區(qū)或設(shè)有大噸位吊車且溫度作用效應(yīng)不大情況下建議柱間支撐布置在兩端，可以使柱子承擔(dān)的內(nèi)分布較為均勻，整體上可以減小截面達(dá)到經(jīng)濟(jì)適用的設(shè)計(jì)要求；當(dāng)溫差較大而水平荷載不大時(shí)，如我國(guó)北方地區(qū)，建議柱間支撐布置在中部，同時(shí)可通過減小兩端柱截面避免端部溫度效應(yīng)過大，達(dá)到設(shè)計(jì)上受力合理的設(shè)計(jì)要求。3)支撐不對(duì)稱布置時(shí)，內(nèi)力、柱頂側(cè)移均大于支撐對(duì)稱布置，從設(shè)計(jì)角度應(yīng)在總平面布置時(shí)綜合考慮建筑平面尺寸盡量避免不合理結(jié)構(gòu)。