探討抽柱門式剛架廠房設(shè)計(jì)

廣州市中虹鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司

摘要：由于工藝布置或物流輸送的要求，抽柱門式剛架在工程中得到越來越多的應(yīng)用。所以當(dāng)前門式剛架工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到大開間抽柱的廠房，此類廠房通常采用縱向剛架（或托梁）來支撐屋面。本文建立了抽柱門式剛架的計(jì)算模型，對(duì)托梁剛度和水平荷載的分配進(jìn)行了研究，得出了抽柱情況下對(duì)梁柱截面和水平荷載分配的影響，最后結(jié)合我國現(xiàn)行規(guī)范對(duì)抽柱式門式剛架的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：門式剛架；抽柱；設(shè)計(jì)；托梁

隨著CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的頒布實(shí)施，標(biāo)志著我國門式剛架設(shè)計(jì)理論及方法已經(jīng)成熟，門式剛架這種新型鋼結(jié)構(gòu)已成為我國現(xiàn)代工業(yè)廠房發(fā)展最快的一種結(jié)構(gòu)體系。但工業(yè)廠房因?yàn)楣に嚥贾没蛭锪鬏斔鸵螅枰_闊的操作空間而抽去了部分立柱，因此形成了抽柱門式剛架。所以，本文對(duì)抽柱門式剛架的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，希望能給相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員提供一定的參考。本文案例討論的是門式剛架廠房抽中間鋼柱。

圖1 為抽柱門式剛架示意。

立面示意圖 圖1

鋼架平面示意圖 圖2

抽柱會(huì)導(dǎo)致抽柱榀剛架跨度過大，通常設(shè)置縱向?qū)嵏雇辛海⑶遗c屋面支撐系統(tǒng)相連接。對(duì)于抽柱所形成的局部柱網(wǎng)增大，本文認(rèn)為其不適用于抽柱排架計(jì)算方法。排架的計(jì)算假定為梁柱鉸接，其不存在柱、梁的彎矩分配問題，并且排架受力時(shí)柱端水平位移相等。而剛架為梁柱剛接，不僅存在梁、柱的彎矩分配而且受力形式完全不一樣。標(biāo)準(zhǔn)榀門式剛架中柱不僅承擔(dān)該榀剛架傳遞的荷載而且還承擔(dān)托梁傳遞的荷載。

另一方面，因?yàn)槌橹鶗?huì)導(dǎo)致抽柱榀剛架的平面內(nèi)剛度比標(biāo)準(zhǔn)榀剛架的平面內(nèi)剛度弱，為避免二者剛度相差過于懸殊，導(dǎo)致水平荷載的不均勻分配，通常托梁與標(biāo)準(zhǔn)榀的剛架柱在平面內(nèi)為鉸接。圖2為標(biāo)準(zhǔn)榀鋼架、抽柱榀鋼架平面布置圖。

1.1 托梁剛度的確定

抽柱榀中間支座為托梁，托梁具有豎向剛度K1和水平剛度K2，在計(jì)算中應(yīng)首先確定K1和K2。托梁的豎向剛度K1和水平剛度K2可通過在托梁抽柱位置施加單位水平力計(jì)算豎向位移Δ1和水平位移Δ2，按照下列公式計(jì)算得到：

K1 = 1 /Δ1 （1）

K2 = 1 /Δ2 （2）

其中，水平剛度K2可以按照托梁兩端鉸接計(jì)算得到，鑒于梁的水平剛度通常都會(huì)很小，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中的剛度貢獻(xiàn)也比較小，可以假設(shè)該剛度為零。

1.2 水平荷載的分配

假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)榀和抽柱榀水平剛度分別為K3和K4，單位荷載作用下水平位移分別為Δ3和Δ4，則水平力分配公式如下。標(biāo)準(zhǔn)榀分配系數(shù)：

κ1 = K3 /（K3 + K4）= Δ4 /（Δ3 + Δ4）

Δ4）抽柱榀分配系數(shù)：

κ2 = K4 /（K3 + K4）= Δ3 /（Δ3 +

抽柱門式剛架的計(jì)算本質(zhì)上是一個(gè)空間受力問題，為使計(jì)算簡潔和便于應(yīng)用，把空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題。由于忽略相鄰剛架空間整體效應(yīng)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的有利影響，本模型計(jì)算結(jié)果是偏于保守和安全的。

經(jīng)中國建筑院PKPM軟件計(jì)算，15m托梁截面為H800x300x8x14，托梁豎向剛度K1=4673.50kN/m水平剛度K2 = 184.60kN/m，托梁撓度按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范L/400控制。兩榀剛架計(jì)算模型見圖3及圖4，計(jì)算結(jié)果比較見表1。

標(biāo)準(zhǔn)榀鋼架 圖3

抽柱榀鋼架 圖4

托梁彈簧剛度 圖5

通過以上兩個(gè)簡單門式剛架比較可看出，抽柱后梁跨中彎矩變小，支座彎矩變大，柱彎矩變大，梁、柱軸力、剪力均變大。可見抽柱后，剛架梁柱截面均變大。

對(duì)于非抽柱剛架，恒載和活載按一般的框架計(jì)算，但在中間柱頂處需另外增加由兩側(cè)托梁傳來的集中荷載。風(fēng)荷載除了自身剛架受荷范圍內(nèi)的風(fēng)荷載外，還需分擔(dān)兩側(cè)抽柱剛架的部分風(fēng)載，通常取兩側(cè)抽柱剛架1/2的風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于縱向剛架，在與屋面梁連接處有由橫向框架屋面梁傳來的恒載和活載。風(fēng)荷載則分兩種情況考慮，一是山墻方向的縱向風(fēng)荷載，作用于縱向剛架的柱頂，同時(shí)對(duì)縱向剛架梁也產(chǎn)生一個(gè)向上的吸力，風(fēng)吸力的體型系數(shù)為-0.7；二是由橫向框架方向傳來的風(fēng)荷載（橫向風(fēng)荷載），與恒載和活載相似，是以集中荷載的形式傳到中間柱頂?shù)奈恢谩Ｒ虼耍瑢?duì)于縱向剛架，應(yīng)按照縱橫兩個(gè)方向風(fēng)荷載作用下的兩種工況來分別進(jìn)行計(jì)算。

在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）沒有對(duì)縱向托梁或縱向剛架的撓度及側(cè)移做出明確的規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)可以參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）附錄A的規(guī)定，在全部荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，撓度值限值取L/400，在可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，撓度值限值取L/500，在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，側(cè)移限值取H/150。

對(duì)于抽柱框架，由于中柱被抽，導(dǎo)致整榀框架的側(cè)向剛度相對(duì)普通剛架減弱很多，為了減小抽柱剛架與普通剛架兩者間的側(cè)移差異，在部分中柱被抽且風(fēng)荷載較小的情況下可以靠增大梁柱截面來提高抽柱框架的側(cè)移剛度；倘若所有中柱均被抽掉只剩兩根邊柱的情況下，上述方法效果不明顯也不經(jīng)濟(jì)，這種情況下通常采取在檐口處通長增設(shè)屋面縱向支撐來實(shí)現(xiàn)。在非抽柱框架建模的時(shí)候，通過在柱頂增加一彈性支座來模擬屋面支撐的剛度貢獻(xiàn)，剛度取值通過剛架側(cè)移值的協(xié)調(diào)來決定。

托梁斜撐 圖6

本計(jì)算模型中抽柱位置按彈性支座建模，這與結(jié)構(gòu)真實(shí)的受力模型是一致的，因此剛架跨中的豎向撓度可以按照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行控制。門式剛架本身柔性大，當(dāng)進(jìn)行了抽柱設(shè)計(jì)之后局部剛度減弱，如果不考慮抽柱榀剛架的剛度減小，仍按面積分配水平荷載，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)榀計(jì)算水平位移會(huì)小于實(shí)際結(jié)構(gòu)水平位移，計(jì)算結(jié)果偏于不安全。所以，當(dāng)具有抽柱情況下，可以適當(dāng)忽略鋼梁對(duì)抽柱剛架水平剛度貢獻(xiàn)，水平荷載按照剛架剛度比進(jìn)行分配。抽柱后抽柱榀剛架水平荷載會(huì)有一部分傳遞到托梁上，該荷載對(duì)托梁來說作用于托梁的弱軸，容易引起托梁的扭轉(zhuǎn)變形，鋼結(jié)構(gòu)的抗扭能力比較弱，構(gòu)造上可以通過在托梁位置設(shè)置屋面縱向水平支撐來提供托梁的平面外剛度，如圖6。

參考文獻(xiàn)：

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