兩種鋼支架結(jié)構(gòu)體系的對(duì)比與分析

【摘 要】根據(jù)某特種結(jié)構(gòu)及其鋼支架的特點(diǎn)，利用3D3S分別對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)體系建立計(jì)算模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析。通過對(duì)比分析兩種模型設(shè)計(jì)荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和截面應(yīng)力以及振型、周期，最后提出了合理的結(jié)構(gòu)形式，為類似工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】鋼支架；結(jié)構(gòu)體系；對(duì)比分析

本特種結(jié)構(gòu)的主體設(shè)備工作溫度較高，可達(dá)到160℃，為避免高溫膨脹引起的約束反力，主體結(jié)構(gòu)柱腳與鋼支架的連接需要特殊處理，以釋放溫度引起的本體結(jié)構(gòu)變形。本文通過一個(gè)工程實(shí)例，對(duì)此有特殊要求的鋼支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并給出一些設(shè)計(jì)建議，以供參考。

1. 工程概況

本工程為某電廠新建的發(fā)電機(jī)組的配套設(shè)備項(xiàng)目，廠址區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為II類，當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓0.55 KN/m2。擬建的鋼支架柱頂標(biāo)高11.60 m，柱底標(biāo)高為0，長37.00 m，寬25.15 m，在2.60 m標(biāo)高處有一工作平臺(tái)。鋼支架的柱子布置方式如圖1所示。

圖1 鋼支架平面布置圖

2. 結(jié)構(gòu)體系的選擇

此設(shè)備鋼支架常用的結(jié)構(gòu)體系有純框架體系、柔性支架體系、柱——支撐體系和上柔下剛結(jié)構(gòu)體系。

2.1 純框架體系。此結(jié)構(gòu)體系在縱、橫兩個(gè)方向均為多層剛接框架，其承載能力及空間剛度均由剛接框架提供，具有空間布置靈活、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但是其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較復(fù)雜，用鋼量較多，抗側(cè)剛度小。

2.2 柱——支撐體系。此結(jié)構(gòu)體系中的梁柱節(jié)點(diǎn)均為鉸接，在縱向與橫向沿柱高設(shè)置豎向柱間支撐，其空間剛度及抗側(cè)承載力均由支撐提供。其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)、制作及安裝簡單，承載功能明確，側(cè)向剛度較大，用于抗側(cè)力的鋼耗量較小，適用于各種高度的支架。

2.3 柔性支架體系。此結(jié)構(gòu)體系不設(shè)橫梁，只有支撐和柱，部分柱可隨除塵器殼體的熱膨脹移動(dòng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，耗鋼量小，但受到斜撐角度的限制，一般用于支架高度在4~6 m范圍的工程。

2.4 上柔下剛結(jié)構(gòu)體系。有學(xué)者提出了將柔性結(jié)構(gòu)與剛性結(jié)構(gòu)相組合，稱為上柔下剛結(jié)構(gòu)體系。鋼支架分為2層，底層為框架組成的“剛性結(jié)構(gòu)”，上層為帶支撐的搖擺柱“柔性結(jié)構(gòu)”。這種結(jié)構(gòu)融合了柔性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，目前也被一些工程設(shè)計(jì)人員采用，應(yīng)用到了部分實(shí)際工程當(dāng)中。對(duì)于本工程，由于鋼支架高度較高，橫行跨度較大，適用的結(jié)構(gòu)體系有柱——支撐體系和上柔下剛結(jié)構(gòu)體系。

3. 計(jì)算模型及荷載

本文針對(duì)鋼支架分別采用兩種不同的結(jié)構(gòu)體系建立模型：（1）柱——支撐體系結(jié)構(gòu)模型(記為模型1)；（2）上柔下剛體系結(jié)構(gòu)模型(記為模型2)。使用3D3S軟件分別建立兩個(gè)結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型，通過對(duì)比分析兩者的周期、振型、內(nèi)力、變形和截面應(yīng)力，得出合理的結(jié)構(gòu)形式。

表1 截面信息

3.1 體系布置。

（1）柱——支撐體系由柱、梁、支撐組成，柱腳固定，支撐兩端鉸接，梁柱鉸接。設(shè)備柱腳與鋼支架的連接常用處理方式：在中心柱處固定，讓其余柱腳活動(dòng)，柱腳下面墊一塊聚四氟乙烯板或者使用導(dǎo)向滑移支座。聚四氟乙烯板與鋼板的摩擦系數(shù)為0.1~0.15，摩擦力較大，導(dǎo)向滑移支座的摩擦力很小，可以忽略。本工程中可采用導(dǎo)向滑移支座的方式來釋放溫度引起的設(shè)備主體結(jié)構(gòu)變形。其結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 模型1結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 模型2體系結(jié)構(gòu)布置圖 （2）上柔下剛體系的下層由梁柱支撐組成，柱腳固定，支撐兩端鉸接，梁柱剛接。上層由柱和支撐組成“搖擺柱”結(jié)構(gòu)，中間軸線上的柱由支撐控制其位移，向指定方向活動(dòng)，其他柱不設(shè)支撐，可隨灰斗短柱的移動(dòng)而產(chǎn)生位移。其結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。

3.2 模型及荷載。

（1）針對(duì)以上兩種結(jié)構(gòu)形式下的鋼支架，使用3D3S結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件分別建立模型。柱采用寬翼緣H型鋼，梁采用中翼緣H型鋼和雙扣槽鋼，支撐采用鋼管和雙扣槽鋼。為便于比較，兩個(gè)模型盡量采用相同的構(gòu)件截面進(jìn)行計(jì)算分析，所有構(gòu)件都選用Q235鋼。截面信息如表1所示。

（2）兩種模型以相同的荷載考慮：恒荷載主要是上部設(shè)備自重，保溫層、相關(guān)電氣設(shè)備和其他圍護(hù)件重量；活荷載主要是積灰荷載，檢修平臺(tái)活荷載；基本風(fēng)壓為0.55 KN/m2；雪荷載取0.4 KN/m2；抗震設(shè)防烈度為7度，地震影響系數(shù)最大值為0.12。其中柱頂施加的恒荷載和活荷載如表2所示。

表2 作用在鋼支架柱頂?shù)暮奢d

4. 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 自振周期和振型。經(jīng)過分析，兩種模型的振型相似，第一振型是y方向的平動(dòng)，第二振型是x方向的平動(dòng)，第三振型是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。模型2的自振周期相比模型1大了25%~40%，前三階振型的自振周期見表3所示。

表3 兩種模型的周期

（1）通過模型1的振型圖可以得出：柱子在前3階振型中平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的變形較為平均，一層平臺(tái)處的橫梁在第1、3振型中局部變形較大。

（2）通過模型2的振型圖可以得出：中下層柱子在前3階振型中平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的變形較為平均，上層柱子位移較大，一層平臺(tái)處的橫梁在第1、3振型中局部變形較大。這是由于上層柱子中間段兩端鉸接，沒有抗側(cè)剛度，其上存在一段沒有支撐的短柱，這段的振動(dòng)變形較大。

表4 柱子的最大軸力

4.2 內(nèi)力與位移。結(jié)構(gòu)內(nèi)力以軸力為主，柱子的軸力如表4所示，分別取角柱、邊柱和中柱中的軸力最大者。模型2中的處于軸線3的上層柱子的上段在弱軸方向作用著較大的剪力和彎矩，最大剪力612 KN，最大彎矩612 KN?m。模型2中處于軸線C的上層柱子的上段在強(qiáng)軸方向也作用著較大的剪力和彎矩，最大剪力585 KN，最大彎矩585 KN?m。模型1由于梁柱均是鉸接，柱頂幾乎沒有剪力和彎矩。模型2的最大位移明顯比模型1的大，空間位移大了34.93%，結(jié)構(gòu)的最大位移如表5所示。

4.3 構(gòu)件應(yīng)力比。兩個(gè)模型中的橫梁和支撐都滿足規(guī)范要求，并且中下層的橫梁和支撐同一位置處的構(gòu)件應(yīng)力比值相差不大。模型1中的柱子都滿足規(guī)范要求，柱子的應(yīng)力比都沒有超過0.8，分別取角柱、邊柱和中柱中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值如表6所示。模型2中的部分柱子不滿足規(guī)范要求，應(yīng)力比大大超過了1.0，分別取角柱、邊柱和中柱的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值如表7所示。部分滿足要求的柱子的應(yīng)力比值也比模型1中的大，原因是搖擺柱的布置要求上下兩層的柱子對(duì)設(shè)置了中間鉸的柱子提供很大的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，從而使得提供約束作用那個(gè)的柱子的計(jì)算長度系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1.0。此外，在這種體系中的上層柱的上段與上部設(shè)備剛接，并且承受了很大的剪力和彎矩，這也是造成其應(yīng)力比較大的一個(gè)重要原因。

表5 結(jié)構(gòu)的最大位移

表6 模型1柱子的驗(yàn)算結(jié)果（應(yīng)力比值）

表7 模型2柱子的驗(yàn)算結(jié)果（應(yīng)力比值） 5. 結(jié)語

設(shè)備鋼支架需要充分考慮上部設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理選型科學(xué)計(jì)算才能使得結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠。通過對(duì)兩種模型的分析對(duì)比可以得出：

（1）本文中討論的上柔下剛結(jié)構(gòu)體系，雖然可以很好地改善溫度引起的位移問題，但是搖擺柱部分使得上下層柱子的計(jì)算長度變大，需要柱子的截面很大才可以通過驗(yàn)算。上層的支撐由于長度較長，為控制長細(xì)比需要較大的截面的鋼管。上層搖擺柱中間的兩個(gè)鉸設(shè)計(jì)安裝比較復(fù)雜，受力性能沒有保障。

（2）柱——支撐結(jié)構(gòu)體系具有很好的承載能力，橫梁、支撐采用雙扣槽鋼形式的組合截面，其慣性矩在兩個(gè)方向相近，可有效控制強(qiáng)弱軸的長細(xì)比，并節(jié)省鋼材。

（3）對(duì)于這種大型鋼支架結(jié)構(gòu)，宜整體建模分析計(jì)算，可以得出更為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。鋼支架應(yīng)優(yōu)先考慮使用帶有側(cè)向支撐的剛性結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

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［文章編號(hào)］1619-2737（2012）06-04-504

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(上接第25頁)

大時(shí)，剛架梁也可采用變截面構(gòu)造。剛架柱截面高度一般可與梁相同采用。對(duì)于大跨度的結(jié)構(gòu)，鋼梁一般要分為3～4段，并用高強(qiáng)螺栓現(xiàn)場(chǎng)拼接。分段時(shí)應(yīng)使拼接點(diǎn)位于受力較小處，并且每段鋼梁長度不宜大于12m以便于運(yùn)輸。梁柱計(jì)算時(shí)，平面外計(jì)算長度與其隅撐的設(shè)置有關(guān)。隅撐是用來保證鋼梁下翼緣或剛架柱內(nèi)側(cè)翼緣受壓穩(wěn)定的重要措施。隅撐設(shè)置的間距越小，梁柱的平面外計(jì)算長度就越小，相應(yīng)的平面外穩(wěn)定性就越高。所以隅撐的設(shè)置間距一定不能大于計(jì)算模型中鋼架的平面外計(jì)算長度，不然將危及結(jié)構(gòu)的安全。

4.2 當(dāng)山墻抗風(fēng)柱與剛架梁下翼緣連接時(shí)，連接處的梁下翼緣應(yīng)設(shè)置隅撐，用于將抗風(fēng)柱的荷載傳遞至屋面系統(tǒng)，并保證剛架梁的平面外穩(wěn)定。由于門式剛架屋面系統(tǒng)荷載較輕，所以在屋面檁條設(shè)計(jì)中往往會(huì)出現(xiàn)風(fēng)吸力作用下為控制條件。所以在計(jì)算屋面荷載時(shí)并不是荷載越大越安全，這一點(diǎn)要引起重視。在用STS計(jì)算剛架時(shí)，鋼梁的應(yīng)力比在梁端部可以控制在1.0以內(nèi)，而在跨中應(yīng)力比應(yīng)控制在0.7以內(nèi)。因?yàn)殚T式剛架梁、柱之間的連接不可能是完全剛性的。連接節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生一定的塑性變形，從而導(dǎo)致剛架內(nèi)力重分配(梁端應(yīng)力降低，梁跨中應(yīng)力升高)，這和計(jì)算模型是有差異的。所以跨中的富裕度要大一些。

5. 蒙皮效應(yīng)

蒙皮效應(yīng)是指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(qiáng)度對(duì)建筑物整體剛度的加強(qiáng)作用。其工作機(jī)理是：圍護(hù)板與檁條以及板與板之間通過不同的緊固件連接起來，形成了檁條為肋的一系列隔板。這種板在平面內(nèi)具有相當(dāng)大的剛度，可以用來傳遞板平面內(nèi)的剪力，承受板平面內(nèi)的各種荷載作用。蒙皮效應(yīng)加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的空間整體性，但不容易量化，所以一般不考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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