大跨度門式剛架結構設計研究

張艷虹 蘭州煤礦設計研究院有限公司工程師

目前，現代化工業呈現出規模化、集約化的發展趨勢，工業企業的建設規模逐漸擴大，輕型門式剛架結構被廣泛應用到廠房建設中，充分體現出經濟性和環保性優勢。在門式剛架應用期間，應對現有鋼結構進行加固處理，采用門式剛架提升廠房荷載能力，使廠房改造效果更加顯著。

1 門式剛架概述

近年來，國內很多廠房都在進行結構改造，在先進生產工藝的支持下，門式剛架結構得到廣泛應用，可使現有鋼結構更加牢固。與加固前相比，廠房的荷載能力得到顯著提升。大跨度門式剛架的經濟性較強，與鋼混結構相比，材料品質更有保障，設計結果與理論值更相近，設計誤差相對較小，可為施工管理提供諸多便利。此類剛架因跨度較大，在荷載作用相同的情況下，激勵變形與普通剛架結構相比較小，且間距相差較大。在跨梁布設期間，與常規鋼結構有所不同。以中小跨梁布置為例，通常為兩端連接中間；在大跨度剛架布置中，如果使用上述方式，則強度與牢固性均無法滿足要求，用鋼量也會增加。對此，大跨度跨梁中部利用變截面方式，擴大兩端支座與跨中截面，當彎度變化截面逐漸增加時，能夠節約更多鋼材，在滿足建筑跨度需求的前提下節約成本[1]。

2 門式剛架結構設計的內容與方法

2.1 主體設計

2.1.1 剛架高度

剛架高度一般為4.5 ～9 m，根據實際需求可適當擴大；間距多取為6 m，根據荷載實際作用也可適當增加，但要控制在12 m 以內。如果剛架房屋長度較大，受溫度的影響需要設置溫度縫，通常跨度小于36 m，多設置雙柱；伸縮縫構造也可利用雙柱，山墻位置由抗風柱、鋼梁、檁條等構成墻架，或者也可直接利用門式剛架[2]。

2.1.2 剛架跨度

跨度指柱網軸線橫向兩個柱子間的距離，高度指橫梁柱子交點間的距離。在大跨度剛架工程開展中，跨度常常超過60 m。一般剛架跨度為9 ～36 m，當邊柱寬度不同時，外側應對齊。為使剛架結構更加穩固，可增加房屋支撐，將支撐距離調整到30 ～40 m。一些房屋高度有要求，可將柱間支撐分層設置，使房屋形成幾何固定體系，增加牢固性。對于輕型鋼結構廠房來說，梁柱間的支撐需要考慮建筑物的剪力承受能力，將受拉建筑結構長度和厚度按照特定比例計算，在設計初期一般會擴大柱間橫截面積。在倉儲房屋建造中，無需考慮整體承受壓力，多采用圓柱體梁柱，并安裝緊固裝置，集中控制縱向水平受力。

2.1.3 剛架選型

可選擇單跨雙坡門式、多跨雙坡、雙跨雙坡等形式，禁止全部門剛采用相同的設計方法，而是要按照現實需求而定，如廠房、倉庫等場所對房屋功能要求較為嚴格，在設計時應堅持功能至上，剩余要求在滿足功能的情況下開展。

2.2 構件整合

剛架設計完畢后，還要考慮經濟性，減少鋼的用量，對各個構件進行整合，以免相互影響。在構件整合期間，設計變量和剛度矩陣均為單一線性關系。尺寸優化的重點在于敏度分析，即在構件形式固定的情況下，通過調整構件尺寸實現省鋼目標。在計算期間，根據有限元應力與位移情況進行敏感性分析，獲得最優構件尺寸，實現優化目標。截面采用最優化理論，以最少用鋼量為目標，以各種設計規范內的限制條件為約束條件，采用數學法求解，最終獲得理想的答案；也可以根據以往經驗對比多個可行的截面形式，選出最節省材料的一種。在實際設計中，材料類型優化十分關鍵，應在計算截面尺寸后進行調整，最終確定最小重量，達到省鋼的目的[3]。此外，還可通過定性分析的方式，先明確結構具備的功能，了解相關的生產工藝與所需空間，然后按照結構功能要求、客觀條件對所用材料進行優化處理，多采用方案對比、擇優選擇等方式實現。

2.3 關鍵部位優化

（1）檀條布設。檀條設計經常受環境影響，在設計初期應考慮安全性和穩定性，要求設計者經過一系列推算對檀條截面面積進行合理設計。

（2）壓彎構件設計。以實腹式梁為例，構件強度與穩定性均要滿足要求，根據工程提出的荷載要求確定截面尺寸。在符合結構規定、局部穩定的情況下，適當選擇略大些的尺寸，但桿輪廓較薄，橫截面與截面軸線間的距離較遠，在同樣的橫截面下得到的旋轉半徑較大，有利于節約鋼資源。

（3）剛架柱與橫梁高度匹配。在結構設計中應嚴格遵循相關規定，使梁柱寬厚比小于最大值。在選擇鋼梁與柱截面時，可參考相似工程，不同類型梁體的適用跨度不同，實腹梁適用于跨度為1/30 ～1/45 的剛架，格構式梁適用于跨度為1/15 ～1/25 的剛架。

（4）剛架變截面優化。設計者一般根據經驗初步確定位置，但因該項指標受剛架用鋼量的影響，計算模型跨度較大。當剛架所受荷載只有恒載、活荷載兩部分時，變截面位置可為跨度的0.4 ～0.5，受風荷載的影響，無需改變變截面位置，但屋脊位置的變截面、梁截面相對較小。在高厚比、寬厚比符合規定的情況下，可利用薄板件；如果截面強度未達到要求，則可先稍微增加截面高度，當該項指標達到極限后，再適當增加翼緣板寬度。在該項指標達到限值后，便于增加翼緣板厚度[4]。

3 門式剛架結構的有限元分析

3.1 單元類型選擇

該結構主要由型材、螺栓、鋼板、鋼絲繩等構成，根據各部分的單元特性與受載特點，在有限元計算中，利用梁單元進行有限元建模。梁柱結構具有承受扭轉、壓縮、拉伸等作用，且自重較大，利用BEAM188 單元離散。該單元在Timoshenko 梁分析理論基礎上創建，各個節點都有6 ～7 個自由度，不但可描述梁的關鍵特征，還增加了橫截面定義功能。在剪切變形的作用下，單元插值函數內的撓度、截面轉動均可相互獨立。鋼絲繩在運行中單純承受拉力作用，利用LINK 單元進行離散處理。該單元具有雙線性剛度矩陣特點，為了達到與真實鋼絲繩相同的制約效果，可單獨設置受拉選項，在單元受壓時剛度消失，每個鋼纜都采用單獨的單元進行模擬。結合電動葫蘆的運行特點，可將該模型簡化成一個節點，利用MASS21單元進行離散，并計算重力加速度，由此產生慣性載荷。有限元建模中的單元選型如表1 所示[5]。

表1 單元選型方案

3.2 模型構建

采用PKSTS 軟件中的處理模塊進行建模，在建模前針對幾何模型進行簡化處理。在確保分析精度不變的情況下，為了減少求解計算量簡化模型，使總體結構、焊接位置、不同功能端板得到有效處理。建模過程中，將PK 管、PK 板簡化為線和面，使其成為模型內的關鍵元素，整體結構有限元模型如圖1 所示。因有限元分析依靠節點傳遞載荷，如果只有一個連接點，則力會集中作用于該點，與實際情況不符。為了模擬真實受力情況，創建線和面間的連接點，使載荷經過截面邊界作用到端板上，由此得到更符合實際的有限元模型。

圖1 整體結構有限元模型

3.3 求解和分析

運行過程中，電動葫蘆主要從事兩種運動，即提升重物、橫縱向移動重物。因運行速度較慢，在分析期間，假設載荷處于勻速行走或者靜止狀態。在這一假設下，對最大工作載荷、電動葫蘆、門架重量對門架結構產生的影響進行分析。在有限元分析中，位移單位為m，應力單位為Pa，輸出應力為Von Mises，位移等值線圖中展現的位移為總移動量。電動葫蘆處于門架不同位置時，有限元分析結果不同。跨中位置時，門架應力和橫梁撓度值最高，即12.78×10—3m，固定鋼絲繩方管端部位移值6.39×10—3m，橫梁跨度設為16.5 m，撓度和跨度的最大比值為0.775/1 000。在應力計算方面，根據分析結果可知，橫梁和立柱銜接位置的應力值最高，即44.7×106Pa，位于橫梁和立柱銜接的端板位置。對于常規螺栓來說，頂部螺栓的拉力最大，受彎矩影響，頂部螺栓拉力的計算公式如下。

式中，M代表端板位置彎矩值，m代表螺栓列數，y1代表螺栓和中性軸間的距離，y2代表橫梁和立柱間的距離。根據相關規定，鋼結構節點連接應利用高強度螺栓來維持穩定。在無蓋的跨度下，桿件內部與所受動力荷載相對較大，利用摩擦型高強度螺栓來連接各個節點即可。

4 大跨度門式剛架結構設計案例分析

4.1 工程概況

以某擴建改造廠房工程為例，利用輕鋼結構進行設計。將廠房分成兩部分，一是有夾層，二是單層廠房。廠房面積為6 500 m2，由17 榀跨門式剛架構成。每兩榀剛架的間距為5 ～11 m，廠房檐高為7 m，屋頂標高為8.5 m，屋面活荷載0.5 kN/m2，恒荷載0.4 kN/m2。按照上述數據進行施工，需要合理選擇剛架結構形式，對柱腳節點、梁柱連接節點進行設計。

4.2 選擇剛架結構形式

在選擇結構形式時，需要對用鋼梁進行估算和對比。根據以往設計經驗，單層廠房跨度低于30 m 的情況下，承重結構用鋼量在10 ～30 kg/m2。為了降低用鋼量，提高經濟性，應從截面、荷載、跨度3 方面進行優化設計。

（1）截面。根據工字型截面受力特征，盡可能高而薄，由此減少用鋼量；按照內力分布情況，采用腹板高度變化的楔形截面，并調整梁柱翼緣的寬度或厚度。

（2）荷載。因門式剛架的重量較輕，抗震作用難以發揮，但對豎向荷載、風荷載的敏感性較強。在設計期間，應逐一計算豎向荷載，特別是起吊鋼梁上荷載較大的作用點，體型系數應按照規范分區取值，不能統一計算，確保荷載設計合理，減少不必要的材料浪費。

（3）跨度。該項目跨度超過30 m，在條件允許的情況下增設搖擺柱，兩端鉸接的搖擺柱按軸心受壓構件進行設計。

4.3 節點連接

在設計該項目的柱腳節點時，節點形式應與計算簡圖相適應。因該項目中的鉸接柱腳截面與荷載均較小，只采用一對錨栓的鉸接柱腳即可。鋼接柱腳可利用帶加勁肋型，因柱腳錨栓不可用于傳遞柱腳底部水平剪力，該水平反力由底板和混凝土基礎頂面的摩擦力承受。在水平剪力超過摩擦力的情況下，可設置抗剪鍵。因門式剛架結構的重量較輕，水平剪力相對較高，應在邊柱的柱腳位置安裝抗剪鍵，以滿足設計要求。

在梁柱連接節點中，門式剛架斜梁和柱體的連接點內力較大，屬于門式剛架關鍵節點之一，通過端板將其連接起來。在端板連接中，通過端部焊接端板和其他構件端板相連，此種方式不但經濟性強，且與普通節點相比，還可減少材料與緊固件的應用，安裝簡便。端板連接作為抗彎連接的一種，由高強度螺栓承受剪力、軸向力，節點板壓力分布由連接材料、荷載承受力決定。因施工單位將地面經過的電纜變成縱向剛架穿過，使本段恒荷載量增加，有兩榀剛架應力超出界定值，需要進行加固處理。結合已知數據，采用粘鋼板加固技術先對表面油漆進行酸洗處理，再用砂紙打磨，直到金屬面露出來，最后上膠進行鋼板粘結。

5 結語

在現代化工業發展中，門式剛架作為新型結構形式得到廣泛應用。此類剛架結構可支持大面積空間，可滿足大型廠房的建筑需求，但因網架結構設計較為煩瑣，施工周期較長，需要設計者對門式剛架的結構特點、設計內容與方法進行重點分析，并利用PKSTS 軟件進行有限元分析。在門式剛架節點優化中，應做好主體設計、構件整合、壓彎構件設計等工作，使剛架柱與橫梁高度匹配，并重視剛架變截面優化，使關鍵節點設計滿足要求，在實際項目中切實可行。