門式剛架抗地表變形的研究現狀分析

侯永琦 楊秀英

（聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252000）

0 引言

門式剛架是一種傳統的結構體系，該類結構的上部主構架包括剛架斜梁、剛架柱、支撐、檁條、系桿、山墻骨架等。門式剛架輕型房屋鋼結構具有受力簡單、傳力路徑明確、構件制作快捷、便于工廠化加工、施工周期短等特點，因此廣泛應用于工業、商業及文化娛樂公共設施等工業與民用建筑中。然而，地下資源的開發和利用，不可避免地會破壞地下巖體，引起地表變形，導致門式剛架結構變形，從而影響建筑物的正常使用和結構的安全。因此，對門式剛架抗地表變形能力的研究十分必要。本文僅從門式剛架抗地表變形平面分析研究現狀、空間分析現狀以及蒙皮效應的研究現狀進行綜述。

1 地表變形的破壞作用

我國軟土地區分布十分廣泛，隨著經濟水平及建筑需求的發展，人們加大了對地下資源的開發和利用，而這不可避免地會破壞地下巖體，引起巖土體內的應力重分布，巖層產生移動、變形和破壞，形成一個變形區，從而影響地面建筑物、構筑物的基礎，使其產生附加應力和位移，嚴重影響建筑物的正常使用和結構的安全。《建筑地基基礎設計規范》規定，對于設計等級為甲級、乙級的建筑物均應按地基變形設計。

當地表易變形的上部結構受影響后，將產生附加內力，因地表變形而造成建筑破壞的案例時有發生。如某門式剛架輕鋼廠房發生不均勻沉降使多處墻體出現裂縫（見圖1），上海閔行區某樓體整體傾覆（見圖2）。面對地表變形對建筑物產生的破壞，為了確保對門式剛架應用的可靠性，不得不對其抗地表變形的能力進行研究。

圖1 墻體裂縫圖

圖2 樓體傾覆圖

2 門式剛架抗地表變形的研究現狀

2.1 門式剛架抗地表變形平面分析研究現狀

由于模擬技術上的限制，門式剛架結構的傳統研究主要以平面內分析為主，對于結構簡單，縱向剛度小的建筑可以獲得較為合理的結果。已有門式剛架抗地表變形研究主要為抗變形能力、平面內穩定性及承載力方面。

周淑春，呂恒林等[1]在模擬試驗的基礎上，通過粘接-滑移本構關系對上部結構、局部基礎進行建模，分別對地表在拉伸、壓縮、傾斜及正負曲率變形條件下的結構內力、位移反應進行計算，并提出基礎聯系梁、柱頂拉桿等加固措施。

丁平，夏軍武等[2]使用有限元軟件模擬鋼框架結構柱腳在地表變形過程中的內力變化規律，分析出柱腳內力最大值時對應的地表位置，計算結果表明，對抗地表變形結構設計時，應考慮附加內力的影響，特別是邊柱柱腳的剪力、彎矩，中柱的軸力。

王元清，章軍等[3]對單跨、雙跨以及有無吊車等多種門剛結構在地基沉降情況下結構所受的影響進行模擬分析，對梁端、跨中、柱頂及柱腳等敏感部位附加變形及內力進行探究，結果表明，規范[4]對于地基沉降限值的規定較為保守，依據規范計算結果均滿足設計要求。

呂恒林，周淑春等[5]在土與結構物界面的粘接-滑移本構模型試驗研究結果的基礎上，通過ANSYS有限元分析軟件對一榀24m跨門式剛架在多種地表變形條件下的附加內力和位移反應進行分析，并對不同加固保護措施的適用效果進行探討。

卜令全，侯智超等[6]以一雙跨門式剛架為研究對象，對各種地基變形情況下的剛性中柱剛架結構及搖擺中柱剛架結構的力學性能進行模擬分析。結果表明，地表變形情況下中柱連接方式對結構抗變形能力影響較小，從經濟角度考慮，設計時應優先考慮中柱鉸接（即搖擺柱）結構形式。

卜令全，夏軍武等[7]對一雙跨帶吊車門式剛架進行研究，對一榀剛架及下部基礎進行建模，通過柱腳、柱頂、牛腿處及梁端等敏感部位的計算數據與試驗結果進行對比，驗證模擬方法的正確性，得到結構在多種地表變形情況下附加內力、附加變形的變化規律及控制部位，并驗證變截面梁在地表變形情況下的可行性。

袁浩文[8]對一單跨門式剛架在地表變形情況下結構的平面內穩定性進行分析，在對模擬數據與試驗對比后，發現通過對柱腳施加位移荷載模擬地表變形形式較為合理。通過對不同地表變形情況下的非線性穩定性計算，對比發現結構極限承載力有明顯變化，并對結構失穩過程中塑性位置出現順序進行探討。

夏翔[9]以單跨半剛性門式剛架為研究對象，對其在豎向不均勻沉降、拉伸及壓縮地表變形情況下的平面內穩定性及機理進行研究，通過非線性分析與足尺試驗數據對比驗證模型計算的正確性，發現其中以豎向不均勻沉降對結構影響最小，拉伸地表變形影響最大。

由以上可知，對于門式剛架抗地表變形的平面分析已有一定研究，通過對柱腳或局部地基施加位移荷載以模擬土體移動，分析附加內力影響及平面內變化規律，對于縱向傳力構件布置簡單的結構可以獲得較合理的結果。而對于縱向布置較復雜的門剛結構，在地表變形后必將影響相鄰平面剛架，且實際地表變形往往并非單一柱腳產生位移，此時采取平面分析將與實際結果產生一定偏差。

2.2 考慮空間效應的門式剛架抗地表變形研究現狀

隨著建筑需求的日益提高，出現越來越多跨度大、縱向結構布置不同的結構，特別是質量、剛度不均，高低錯落類的結構，隨著模擬技術的提升，此時宜考慮實際結構的空間協同作用。蘇妮娜[10]使用SAP2000有限元軟件對豎向荷載下門剛的空間作用進行研究，通過與現場靜載試驗數據對比發現，結構在荷載作用下有一定的空間作用，其中以端部支撐貢獻最大，在設計中不應忽略。徐天進[11]對門式剛架結構進行平面、空間模型對比分析，空間模型平面外支撐體系對結構空間作用存在影響，平面模型的計算復核偏于保守，在設計中不應忽略空間作用。李慶武，吳從超[12]以某單層鋼結構廠房為例，建立空間、平面分析模型，通過調整結構布置，對空間作用影響的主要因素進行分析。結果表明，在計算剛架平面內地震作用時，考慮空間作用的影響是必要的。目前對于地表變形情況下的輕鋼結構空間作用分析已有一定研究，通過考慮縱向傳力構件可使計算結果更貼合實際情況，使整體結構附加內力的形成原因及傳遞路徑更加明確，得到直觀的附加變形影響范圍。

夏軍武，王寬如等[13]使用ANSYS有限元軟件對一單跨門剛結構進行空間建模，依據采動區地表變形的規律，對地表變形情況下門式剛架結構所受影響進行數值模擬研究。分析門式剛架抗地表變形性能及不同部位受附加內力的情況，得出地基、基礎協同作用對上部結構變形，附加內力有較大影響，及基礎形式的不同對建筑物附加內力的影響最大等有效結論。

胡敬禮，劉宏偉等[14]對門式剛架及下部結構進行整體建模，分析不同柱腳固定方式、增設柱根/柱腳拉桿等措施下不同模型在不同地表變形情況下的抗影響能力，并指出不同改進措施下對不同地表變形情況作用的有效性。

夏軍武，王守祥等[15]對一大跨門式剛架結構進行整體建模，研究此類結構整體變形特點及不同部位的受力情況，并提出可變鉸支座、基礎與地基加入滑移層、柱端拉桿等抗影響措施。

呂飛飛[16]以某鋼結構廠房為研究對象，采用理論分析及工程調查相結合的方法，利用空間有限元的方法對軟土地基情況下地表變形的空間作用效應進行全面分析。文中通過空間分析與平面分析的對比，發現特別當結構空間剛度較大時，產生的附加內力要比平面模型大許多，并建立與空間結構分析等效的平面結構分析方法。

侯智超，夏軍武等[17]以門式剛架空間結構為研究對象，對其進行建模分析，研究采動區空間門式剛架在不同地表變形位置的附加變形及附加內力的變化規律。其結果表明處于地表沉陷盆地最大沉降點時，空間門式剛架結構受影響最小。

王國渝，余紹峰[18]結合某軟土地基上帶輕型吊車大型單層廠房沉降觀測數據，對沉降產生的原因進行分析，通過有限元軟件對結構進行整體建模，在考慮空間作用下計算不同沉降差對結構產生附加內力的不同。結果表明，當實際沉降在規范限值內時，其附加內力可忽略，當接近限值時，桿件的控制內力的最不利波動在承載力的10%～15%，設計中應考慮附加內力的影響。

2.3 蒙皮效應研究現狀

蒙皮效應是指在建筑物的表面覆蓋材料（屋面板和墻板），利用本身的剛度和強度對建筑物整體剛度起到加強作用。蒙皮效應會提高結構的整體剛度，使結構側移減小，在平面內具有一定的抗剪強度，要充分研究門式剛架結構的空間性能，宜對蒙皮效應進行考慮。

陳劍[19]通過試驗探究將蒙皮體開洞對蒙皮效應的影響，并使用ANSYS有限元軟件進行拓展分析，獲得基于蒙皮洞改變下多種模型的計算結果，分析其影響規律。

盧楓林，董劉方等[20]對門式剛架蒙皮效應進行模擬分析，通過對比有無蒙皮系統的兩種模型，發現蒙皮效應對結構整體的豎向和水平位移有較大的限制作用。

楊彥[21]通過有限元軟件對某單層門剛廠房的蒙皮效應進行對比分析，發現蒙皮效應對單層廠房的影響十分顯著，在結構設計時應充分考慮蒙皮效應帶來的實際影響，并制定相應的規范。

肖亞明，朱薔[22]通過對比有無蒙皮系統在靜力和模態分析的計算結果，發現蒙皮效應顯著提高了結構的整體剛度，結構側移有效減小。

李燁，殷小珠等[23]利用東京數據庫相關風洞數據對考慮蒙皮效應下門剛的風振響應進行分析，結果表明蒙皮效應提高了結構的自振頻率，并減小了結構的自振周期。

戴素娟，李婷等[24]在模擬試驗對比的基礎上，探討蒙皮板厚度及框架柱長細比對結構受力及變形的影響規律，發現蒙皮作用隨厚度的增加而增強，在設計中應考慮蒙皮效應帶來的經濟效益。

綜上來看，蒙皮效應對結構受力性能的提升顯著，而對于地表變形控制下的研究較少，在此類研究中應在空間分析的基礎上對此類圍護結構進行考慮從而探討其對附加應力、變形的影響規律，以求安全、經濟最大化。

3 結束語

現階段對于平面、空間門式剛架抗地表變形已進行了一定的研究，主要集中在門式剛架抗變形能力、平面內穩定性及承載力方面。空間、平面門式剛架對比計算中，由于考慮了縱向傳力構件使得部分部位計算結果差距較大，甚至出現變號的情況，在計算復核時宜考慮空間計算情況下不利附加內力控制位置。門式剛架的平面分析較空間整體分析計算復核偏于保守，且為考慮上部結構、下部基礎在地表變形情況下的協同作用，使計算結果更加偏向實際，空間門式剛架分析不應忽略。已有研究中對于抗地表變形情況下的蒙皮效應研究較少，圍護結構對地表發生變形后附加內力影響范圍及結構附加變形將產生一定變化，隨著模擬技術的進步宜在研究中加以考慮。大型、重型廠房建造需求增加，而對大跨、多跨門式剛架抗地表變形的研究卻較少，缺少地表變形作用下大型廠房的結構分析。由此可見，基于空間協同作用下的蒙皮效應及對于大跨、多跨廠房研究是門式剛架抗地表變形的研究應引起重視，其研究成果可為地表易變形的大跨、多跨廠房門式剛架結構設計提供實際理論指導及加固建議。