基于抗風抗震的門剛托架平面外變形與安全鑒定

繆言，李夢飛，孫贊，劉浩 ，朱華，周安

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽寰宇建筑設計院，安徽 合肥 230051)

0 引言

門式剛架是目前單層工業廠房采用最廣泛的一種結構形式，具有結構形式靈活、空間跨度大、施工周期短、經濟效益高、構件可在工廠預制等優點。門式剛架廠房一般平面及柱網布置簡單規整，但也存在因為工藝和物流要求局部需要抽柱的情況。在這種情況下，常對抽柱部位采用增設托架的方式作為門式剛架梁的豎向支承。

托架常采用平面鋼桁架結構，其受力較為復雜，在豎向荷載作用下是平面內彎剪，在風荷載或水平地震作用下，抽柱榀的門式剛架因為側向剛度降低導致水平側移增大，引起托架的平面外變形，導致廠房整體的安全性降低，因此托架的平面外變形是門式剛架結構設計或安全鑒定中不可忽視的影響因素。本文以合肥某抽柱門式剛架物流廠房的抗風抗震鑒定為例，進行托架的平面外變形分析，并基于分析結果提出減小托架平面外變形的相關措施。

1 工程概況

合肥某已建物流廠房為單層門式剛架結構，平面尺寸為252.1m×120m，建筑總面積約3萬m，結構平面布置如圖1所示。門剛廠房為單脊雙坡屋面，檐口高為13.70m，屋脊處高16.50m，廠房外墻面和屋面均采用帶保溫的壓型鋼板。為方便商品存儲空間及物流需要，在設計時抽去了中間柱列的部分柱子，形成了邊柱列柱距為6.85m，中柱列柱距為13.70m的抽柱式單層門式剛架結構體系。其中，邊柱和中柱均采用H型鋼，柱間設置支撐，柱腳鉸接。普通榀和抽柱榀平面簡圖如圖2所示。剛架梁采用變截面楔形梁。抽柱位置的剛架梁支承于托架，托架采用平面鋼桁架形式，與剛架柱和剛架梁均為剛接。托架上下弦桿均采用250×250×8×8的方鋼管，腹桿采用150×150×6×6的方鋼管，托架結構如圖3所示。該抽柱式門剛廠房中所有主結構均使用Q345B鋼，次結構均使用Q235鋼。

圖1 結構平面布置圖

圖2 剛架簡圖

圖3 托架結構圖

2 側移計算

2.1 荷載與地震作用取值

屋面恒荷載標準值：0.4kN/m；屋面活荷載標準值：0.5kN/m；基本風壓：0.35kN/m，地面粗糙程度為B類；基本雪壓（一百年）：0.7kN/m。

抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組。

2.2 風荷載作用下托架平面外變形

根據建筑結構可靠性設計統一標準的要求，采用平面剛架模型對托架在風荷載作用下的平面外撓曲變形進行計算。抽柱式門式剛架是空間結構，將空間剛架結構轉化為平面剛架模型進行受力和變形計算，忽略了各榀平面剛架之間的支撐、蒙皮效應等因素對空間結構整體性的有利影響，計算方法更加簡便。抽柱榀和普通榀側移變形差值即為托架平面外變形。

風荷載作用下，普通榀和抽柱榀側移如圖4，單位均為mm。虛線表示剛架柱及托架變形前位置，實線為變形后位置。托架平面外變形計算結果如表1。

圖4 風荷載作用下平面剛架側移圖

在風荷載作用下，當普通榀側移為31.24mm，抽柱榀側移為63.52mm時，可得各托架中平面外變形為32.28mm，則矢跨比為1/424。

2.3 地震作用下托架平面外變形

根據建筑結構可靠性設計統一標準的要求，采用平面剛架模型對托架在地震作用下的平面外撓曲變形進行計算。地震作用下，抽柱榀和普通榀側移變形差值即為托架平面外變形。地震作用下，普通榀和抽柱榀側移如圖5，單位均為mm。虛線表示剛架柱及托架變形前位置，實線為變形后位置。托架平面外變形計算結果如表2。

圖5 地震作用下平面剛架側移圖

在地震作用下，當普通榀側移為89.42mm，抽柱榀側移為127.87mm時，可得各托架中平面外變形為38.45mm，其矢跨比為1/356。

3 安全鑒定

相關設計規范對于抽柱式門式剛架房屋鋼結構中托架的平面外撓曲變形暫時還沒有明確的規定。但民用建筑可靠性鑒定標準中有對于“受彎鋼結構在側向彎曲矢高＞l/400，其中，l為構件計算跨度”情況下不適于承載的要求?；诒?、表2計算結果，參考該要求進行安全鑒定。

風荷載作用下托架平面外變形計算結果表 表1

地震作用下托架平面外變形計算結果表 表2

風荷載作用下，各托架平面外最大撓曲變形為l/424，計算結果滿足風荷載作用下的可靠性要求。

地震作用下，各托架平面外最大撓曲變形為l/356，計算結果無法滿足地震作用下的可靠性要求。

4 減小托架平面外變形的設計建議

在設計和鑒定抽柱式門式剛架廠房時，常常僅針對平面模型進行建模計算，忽略普通榀和抽柱榀由剛度不同而導致的側移不一致，進而出現托架側向彎曲，平面外變形過大，不宜繼續承載的現象。因此進行托架變形分析及安全鑒定時，在建立抽柱式門式剛架各榀平面模型的基礎上需驗算校核風荷載和地震作用下托架的平面外變形。

在設計時，可采取以下措施減少托架的平面外變形：

①增加屋蓋剛度，不僅需要設置橫向和縱向連續的水平支撐系統，增強剛架的整體性，還需在托架之間設置縱向水平支撐，提高托架的穩定性與屋面整體剛度；

②嚴格控制托架的平面外變形，在托架與抽柱榀剛架之間設置容許一定水平位移的滑動支座，減小托架產生隨抽柱榀在平面外的位移；

③增大抽柱榀梁、柱截面，并在允許范圍內，減小普通榀梁、柱截面，減小抽柱榀和普通榀剛架剛度差值，協調二者梁、柱剛度；

④柱網規整的門式剛架抽柱并設置托架后，會有一部分屋面荷載傳遞到托架上，可能導致托架扭轉變形，出現平面外失穩現象，因此，可考慮在兩托架之間合理設置水平支撐和垂直支撐，增強托架平面外剛度，避免其出現平面外失穩；

⑤協調普通榀和抽柱榀柱腳剛度，盡量避免普通榀柱腳剛度強于抽柱榀剛度過多。剛架柱腳避免使用鉸接，增加平面剛架剛度，減小抽柱榀和普通榀的側向位移。