大跨度廠房自穩定屋架分析與計算

李 麟

(攀枝花攀鋼集團設計研究院有限公司，四川 攀枝花 617000)

1 概述

攀鋼釩原料場主廠房長300 m，寬234 m，局部不規則，凈高30 m，采用兩跨鋼排架結構，柱距30 m，大跨屋架檐口高度36.20 m，屋脊高度44.0 m，兩端山墻采用獨立抗風柱系統，中間屋架均采用自穩定四管立體桁架，鋼柱也采用自穩定四管格構柱，屋架跨度為151 m+77.5 m，檁條及墻梁均采用三管桁架檁條，并采用一端焊接，一端滑動支座。屋架及鋼柱均采用Q345B鋼材，主廠房空間結構圖見圖1。

本工程由于屋架跨度較大，遠超國家規范及行業要求，且屋架及鋼柱均采用自穩定體系，因此本文對大跨度自穩定屋架進行分析與計算。

2 結構尺寸及荷載

2.1 幾何外形

2.2 荷載取值

1)結構自重：由程序自動考慮；

2)屋面恒載：0.3 kN/m2；

3)屋面活載：0.3 kN/m2；

4)基本參數：結構設計使用年限為50年，安全等級為二級，結構重要性系數1.0；

5)風荷載：基本風壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度為B類，風荷載體型系數及高度系數均按荷載規范取值；

6)溫度作用：根據攀枝花氣象資料，設計溫度變化范圍為5 ℃～45 ℃，合龍溫度考慮15 ℃；

7)地震作用：本工程抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度(0.15g)，水平地震影響系數最大值為0.12，按第三組考慮，豎向地震影響系數最大值為0.078，按第一組考慮。

3 計算模型及主要計算結果

3.1 計算模型及軟件選取

結構部分主要采用SAP2000進行設計計算，取單榀鋼柱及屋架建模，三維模型見圖3。

3.2 模態計算結果

模態計算結果詳見表1，結構前三階特征明顯，分別為一階模態：大跨度屋架平面外平動；二階模態：小跨度屋架平面外平動；三階模態：大跨度屋架平面內豎向平動。

表1 模態分析結果

3.3 變形計算結果

3.3.1豎向變形結果

大跨度屋架跨中在恒荷載與活荷載標準組合作用下，其最大撓度為422.8 mm，為跨度的422.8/151 000=1/357，滿足限值要求。經復核，大跨度屋架跨中在屋架自重及屋面荷載標準組合作用下，其最大撓度為282 mm。屋架、檁條及屋面瓦施工完畢后，測得的豎向變形見表2，考慮施工誤差及實際屋面恒載(屋面瓦+檁條重量)小于0.3 kN/m2，產生撓度與計算值基本符合。

表2 屋架豎向變形

3.3.2水平變形結果

Y向風荷載作用下，剛架柱頂水平位移為61.23 mm，為柱高度的61.23/30 500=1/498，滿足限值要求。

3.3.3多遇地震水平位移

重力荷載代表值+多遇地震作用下，大跨度屋架跨中豎向位移為291.31 mm，為跨度的291.31/151 000=1/518，滿足限值要求。

多遇地震作用下，大跨度屋架上弦跨中X向位移為47 mm，為柱高度的47/44 000=1/936，滿足限值要求。

3.4 結構整體穩定性分析

特征值屈曲分析：結構屈曲模式表現為面外失穩形態，屈曲因子為 7.37。

1)采用ANSYS軟件，對剛架進行荷載—位移全過程分析。分析考慮幾何非線性、材料非線性及結構整體初始幾何缺陷。缺陷分布模式取結構一階屈曲模態，缺陷幅值取跨度的 1/300。通過分析得到結構荷載系數—跨中上弦節點面外位移曲線，如圖4所示，其中結構荷載系數是指曲線上各點的加載值與(1.0恒載+1.0活載)的比值，荷載系數最大值即為結構的安全系數。參考JGJ 7—2010空間網格結構技術規程的相關規定，當按彈塑性全過程分析時，結構安全系數應為2.0。由曲線可知，荷載系數最大值為2.295，結構承載力滿足規范要求。

2)采用NIDA軟件進行復核，對剛架進行荷載—位移全過程分析。分析考慮幾何非線性、材料非線性及結構整體和構件初始幾何缺陷。缺陷分布模式取結構一階屈曲模態，缺陷幅值取跨度的1/300。通過分析得到結構荷載系數—跨中上弦節點面外位移曲線，如圖5所示，其中結構荷載系數是指曲線上各點的加載值與(1.2恒載+1.4活載)的比值，荷載系數最大值即為結構的安全系數。由曲線可知，荷載系數最大值為1.530，結構承載力滿足規范要求。

4 結語

1)自穩定立體桁架屋架的結構設計時，其豎向平面內承受恒載、活載及豎向地震作用，平面外承受水平地震作用，整體上屬于受彎構件，因立體桁架高度高，且縱向沒有布置垂直支撐，使得側向穩定成為一個起控制的破壞模式之一，所以屋架寬度對屋架平面外穩定性起決定性的作用,本工程屋架寬度與跨度之比為6/151=1/25。

2)屋架在靜力荷載作用下的控制荷載為1.2恒+1.4活，參考JGJ 7—2010空間網格結構技術規程的相關規定，進行彈塑性全過程分析，并采用直接分析法分析進一步復核，結果均滿足規范要求。

3)屋架在地震作用下的穩定性主要考慮屋架頂端側的位移，在多遇地震作用下，大跨度屋架上弦跨中X向位移為47 mm，為柱高度的47/44 000=1/936，那么設防地震作用下(地震影響系數0.34)，位移為柱高的1/330，所以在設防地震作用下，屋架穩定性也可以滿足規范要求。