連棟溫室鋼結構框架穩定設計研究

芮娟

摘要：作為我國連棟溫室結構設計的要點，我國的工業和民用建筑鋼結構十分注重穩定性。傳統的鋼結構穩定設計存在一些問題，如無法真實反饋出溫室中薄壁小界面的力學反應，進而會增加鋼材的用量。本文針對連棟溫室結構設計要點進行分析，設計出一種可考慮柱間斷作用，可提升生產穩定性的設計方式，希望能夠為溫室鋼結構的框架設計有所參考借鑒。

關鍵詞：連棟溫室;鋼結構;框架穩定設計

目前，我國國內生產的連棟溫室都采用輕型鋼結構，其內部的梁采用桁架或者是鋼管結構。立柱采用的是薄壁鋼管。在實際的生產中也可以采用單元組合的方式形成多跨徑的綜合連跨結構。若采用傳統的方式來計算輕型鋼結構的穩定性，可能因為材料用料過多，無法反饋結構的正式受力情況。通過分析鋼結構的穩定設計理論和實際的實踐成果，可結合鋼結構的失穩特點進行分析，結合其整體的性質特點，對等高，多跨度的生產型溫室鋼結構進行設計，希望能夠真實反饋結構的力學特點，保證結構安全的前提下降低鋼材用量。

1.溫室結構的類型和構造特點

山形屋面溫室結構采用的是門式鋼架結構，跨度大于8m時候需要在門架梁中間安插一個拉桿，而溫室的柱腳可以采用鉸鏈或者是剛連接。一般跨度為開間的兩倍。如開間為3m時候，跨度為6m。

Venlo溫室結構采用的是屋面輕鋼梁聯合桁架結構。其中溫室的內部柱腳有桿連接和鉸鏈連接兩種形式。常見的跨度為9.6m、12.0m、12.8m;常見的開間一般為4m、5m。

三鉸拱屋架溫室結構采用了吊桿和小桁架結構連接的方式。屋架的上弦為小桁架、屋架的下弦為吊桿和輕鋼拉桿。其中屋面采用的是有檁體系，柱腳為鉸連接和剛連接兩種形式。跨度可為9.6m、15m;開間多為3m、5m。

拱形屋面溫室結構也十分常見，這種結構的柱腳采用的是剛接和鉸接，柱和梁都采用的是鋼結構，其中的跨度為8m、10m左右;開間可為3m、4m。

鋸齒形屋面溫室結構剖面呈鋸齒形，柱腳采用的是是鉸接和剛連接，梁和柱子僅采用剛接，屋面設置了檁條。

2.相關設計研究分析

2.1相關計算長度系數分析

實際上，框架柱腳的平面內部的穩定考慮因素較多，需要考慮長細比和壓桿穩定系數等內容。計算系數確定時候要考慮框架是否發生側移彎曲。對比可知，溫室屋蓋若采用的是三角形桁架結構，而桁架頂端和柱子采用鋼架連接，梁的線剛度需要取端部上下弦界面慣性矩之間和端部節間水平長度的距離（2倍）。但是系數計算時候也存在一些失穩的問題。如實際的情況中柱子側移產生屈曲的影響因素較多，一個柱子不能夠發生單獨側移，側移是多項因素整體影響產生的結果;而計算長度系數考慮的環境為理想的軸壓框架模型結構，整個結構中沒有彎矩和初始側移，實際的框架上面有荷載，初始的彎矩和彎曲綜合影響因素;而計算系數確定對象是彈性，實際的生產環境中是彈塑性結構。

2.2對框架側移失穩問題分析

框架的抗側剛度值K和結構穩定性有直接關聯，因此可以從分析線性結構來確定K值。設計顯示，在沒有側移失穩的水平作用力影響下，框架會產生較大的水平側移，指的是框架此時無法正常抵抗水平的作用力，即使結構抗側剛度消失也無法解決這一問題?，F代的研究結果顯示，框架的抗側剛度K值會因為豎向荷載的影響讓K從大于0變成0，這一結果的原因是豎向荷載是一種負剛度的荷載，會和框架正剛度發生抵消。而計算框架的臨界荷載后，可通過反算的方式得到荷載的等效負剛度。經過計算，臨界荷載值和現實的最大誤差一般在10%以內，驗算時候可以先設定一個虛擬的荷載工況環境，并逐一在每一個柱子頂端增加水平力，進而計算出每一個柱頂端的位移。

2.3同層中各個柱子之間的相互作用力

可借鑒傳統的長度計算系數進行多框架算例驗算。如可以聯合結構力學的矩陣位移法得到層抗側剛度。曲屈時候，柱子的失穩的傾向較大，而受到軸力的影響來計算長度系數，對比傳統的處理方式這種方式更加精準，而且同層各柱子的相互作用力需要結合《鋼結構設計規范》、《冷彎薄壁型鋼技術規范》等來確定穩定設計的系數。但是這種計算系數方式也存在一些問題。

對于受力較大的柱子會受到周圍的受力小柱子提供的支撐作用影響，若支撐作用的力度足夠大，按照計算和規范的長度就會小于框架無側移失穩的長度，因此需要考慮無側移失穩的環境來計算長度。第二，在風荷載的作用下，一些軸力較小，若按照層穩定系數公式來計算長度，可能會為影響其他的柱子的長細比，因此建議驗算集合長細比。第三，在軸向力小或者接近于零的狀態下，柱子的受力影響因素較多，不光長細比，穩定系數查表存在問題，若按照常規的方式進行計算結果可能有較大問題，因此需要尋求其他的改進方法。

2.4整層失穩模式的穩定性設計研究

結合整層失穩的框架穩定性計算分析，層穩定系數也反可能反應框架有側移失穩的運動情況，具體設計時候不需要確定柱子的側移失穩的相關系數，同時也簡化了穩定計算的內容。層穩定系數的計算公式運用了《鋼結構設計規范》相關內容，其中長細比也采用的是層長細比來計算。按照整層的失穩情況來分析，柱子的穩定性需要單獨計算，而且在完全彈性的框架結構中，彎矩對框架的結構性沒有影響的，但是材料若是彈塑性的實際框架結構，會影響整個兒框架的穩定性。因此每一個柱的穩定性系數確定都要分析線性環境。

3.結語

綜上所述，本文總結分析了當前常見的生產溫室結構類型，結合穩定性理論和工程實際的施工進行了論述。并結合計算長度和層穩定內容進行了探討，希望能夠為優化現代溫室結構設計有所參考借鑒。

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