某三聯(lián)跨門式剛架溫度應(yīng)力分析

王 飛

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030013)

近百年來，門式剛架因其受力簡單、傳力路徑明確、施工周期短、柱網(wǎng)布置靈活等特點(diǎn)，且經(jīng)驗(yàn)非常成熟，廣泛應(yīng)用在各大工業(yè)建筑及民用建筑中。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對門式剛架的跨度及長度的要求越來越大，在不脫縫的前提下，長度已然接近GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[1]規(guī)定的縱向溫度區(qū)段長度的限值，此時(shí)會產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，尤其在溫差較大的地區(qū)，超長門式剛架結(jié)構(gòu)所受到的溫度作用不容忽視，桿件中的溫度應(yīng)力在某些情況下占材料強(qiáng)度的比重較大，溫度作用參與的工況組合有時(shí)候會成為控制組合，溫度作用在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)位移非常可觀，嚴(yán)重情況下會發(fā)生安全事故，造成生命財(cái)產(chǎn)損失。

1 工程概況

本工程位于山西省太原市，門式剛架長度為150 m,跨度為90 m(三跨)，鋼架間距為6 m,高度為12 m，屋面坡度為10%，建筑面積為13 500 m2，無吊車作用。主鋼架采用焊接H型鋼Q345B，支撐、系桿、檁條、拉條等構(gòu)件采用Q235B。恒載為0.3 kN/m2，活載為0.5 kN/m2，風(fēng)荷載為0.4 kN/m2，雪荷載為0.4 kN/m2，場地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)采用鉸接節(jié)點(diǎn)，梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛接節(jié)點(diǎn)，鋼梁及邊柱采用變截面焊接H型鋼，中柱采用焊接對稱H型鋼，基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，墻面及屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用夾芯板。結(jié)構(gòu)平面布置圖及立面剖面圖見圖1～圖3。本工程長度及跨度均較大，桿件中的溫度應(yīng)力占材料強(qiáng)度的比重較大，溫度作用參與的工況組合有時(shí)候會成為控制組合，因此需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度作用分析。

2 跨度方向溫度作用分析

太原市地處中國華北地區(qū)、山西中部，西、北、東三面環(huán)山，中、南部為河谷平原，整個(gè)地形北高南低呈簸箕形。太原屬北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫9.5 ℃。表1為太原市全年每月氣溫統(tǒng)計(jì)表(由中國天氣網(wǎng)提供)。

本項(xiàng)目主體不采暖，在使用過程中主體結(jié)構(gòu)有可能達(dá)到與室外相同的溫度，取太原市歷史最低溫度-21 ℃、最高溫度36 ℃進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算。考慮到施工單位項(xiàng)目進(jìn)度安排，結(jié)構(gòu)合龍溫度取為(15±5)℃，根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[2]9.3.1規(guī)定，計(jì)算得結(jié)構(gòu)最大溫升為ΔTK=TS,max-T0,min=26 ℃，結(jié)構(gòu)最大溫降為ΔTK=TS,min-T0,max=-41 ℃。鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量為2.06×105MPa，線膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃，鋼材密度為7.85×103kg/m3。

表1 太原市全年每月氣溫統(tǒng)計(jì)表

本文采用3D3S軟件進(jìn)行跨度方向溫度作用分析。軟件在溫度荷載作用下的位移及彎矩圖如圖4所示。

在溫度荷載作用下，端部鋼架的位移為24.9 mm,位移角為1/483，滿足規(guī)范要求。梁柱節(jié)點(diǎn)處彎矩最大值為62.8 kN·m,彎矩圖對稱分布，鋼架端部彎矩最大，中部最小。

鋼架端部梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)力最大，查計(jì)算書可知，溫度作用參與的工況組合為控制組合，最不利荷載組合號為20(1.3恒載+1.5活載+1.5×0.6溫度)，組合內(nèi)力M=-659.6 kN·m,其中溫度作用下的內(nèi)力占比將近8.5%，由此可知，溫度作用對門式剛架的影響較大，不容忽視，且在后續(xù)桿件的強(qiáng)度穩(wěn)定驗(yàn)算和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，均應(yīng)考慮溫度作用的影響。經(jīng)驗(yàn)算，鋼架各個(gè)桿件的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

若本項(xiàng)目處于哈爾濱等寒冷地區(qū)，溫差較大，取歷史最低溫度-34 ℃、最高溫度38 ℃，合龍溫度仍取為(15±5)℃，結(jié)構(gòu)最大溫升為ΔTK=TS,max-T0,min=28 ℃，結(jié)構(gòu)最大溫降為ΔTK=TS,min-T0,max=-54 ℃。經(jīng)計(jì)算，溫度作用下的彎矩占比為12%，由此可知，溫度作用對鋼架的影響較大，不容忽視。

3 長度方向溫度作用分析

GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[1]5.2.5規(guī)定，縱向溫度區(qū)段長度不宜大于300 m；GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]3.3.5規(guī)定，采暖地區(qū)的非采暖房屋縱向溫度區(qū)段長度為180 m。本項(xiàng)目的縱向長度為150 m，雖小于以上兩本規(guī)范的規(guī)定，但本項(xiàng)目所處地區(qū)的最高最低溫差值為57 ℃，差值較大，縱向方向的溫度效應(yīng)影響不容忽視。且縱向的溫度作用對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移較大時(shí)，對周邊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞，出現(xiàn)安全事故，因此計(jì)算門式剛架縱向的溫度作用是很有必要的。

本項(xiàng)目全長為150 m，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，共設(shè)置5道柱間支撐，柱間支撐布置圖見圖3。柱間支撐對稱布置，支撐與門式剛架的節(jié)點(diǎn)均為鉸接節(jié)點(diǎn)，兩層柱間支撐中部的橫桿按照系桿設(shè)計(jì)。運(yùn)用MIDAS Gen軟件對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，結(jié)構(gòu)在溫升與溫降作用下的計(jì)算結(jié)果見圖5。

由圖5可知，結(jié)構(gòu)位移對稱分布。在溫降作用下，結(jié)構(gòu)水平方向最大位移為27.5 mm，位移角為1/436；溫升作用下結(jié)構(gòu)水平方向最大位移為17.4 mm，位移角為1/689，滿足規(guī)范要求，不會對周邊結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。

在溫降作用下，柱間支撐端部內(nèi)力較大，中部內(nèi)力較小，呈對稱分布，邊跨支撐桿件最大內(nèi)力為206 kN，計(jì)算應(yīng)力為172 MPa，應(yīng)力比達(dá)到0.80。該支撐桿件在組合內(nèi)力作用下應(yīng)力有可能超過215 MPa，桿件發(fā)生破壞。由此可知，溫度對門式剛架的影響非常大，會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的安全隱患。

若本項(xiàng)目處于哈爾濱等寒冷地區(qū)，溫差按照28 ℃,-54 ℃計(jì)算，溫升作用下的結(jié)構(gòu)位移為18.8 mm，位移角為1/638，溫降作用下的結(jié)構(gòu)位移為38.2 mm，位移角為1/314；溫降作用下柱間支撐最大內(nèi)力為271.1 kN，應(yīng)力為227 MPa，已經(jīng)超過Q235的最大應(yīng)力，結(jié)構(gòu)不安全。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，溫度作用對結(jié)構(gòu)的影響較大，且溫差越大，對結(jié)構(gòu)的影響就越大，嚴(yán)重情況下會帶來一定的安全隱患，因此在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)采取一定的結(jié)構(gòu)措施：1)門式剛架跨度方向進(jìn)行桿件及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)力組合應(yīng)考慮溫度作用的影響；2)加大端部柱間支撐截面尺寸，使最大荷載組合下的應(yīng)力比降低到1.0以下，且留有一定的富余；3)端部柱間支撐及檁條的連接節(jié)點(diǎn)采用長螺旋孔設(shè)計(jì)，長螺旋孔的長度需根據(jù)構(gòu)件的計(jì)算變形確定；4)寒冷地區(qū)選用適宜的合龍溫度，降低最大溫升和最大溫降對結(jié)構(gòu)的溫度作用影響。

4 結(jié)論及建議

1)門式剛架的縱向及橫向均較長時(shí)，溫度作用對結(jié)構(gòu)的影響較大，會帶來安全隱患，因此無論是否是寒冷地區(qū)，均須計(jì)算溫度作用。

2)門式剛架構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)均考慮溫度應(yīng)力的影響。

3)加強(qiáng)墻面與屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫措施，減小結(jié)構(gòu)在使用過程中的溫度影響。

4)應(yīng)力較大部位的支撐及檁條節(jié)點(diǎn)采用長螺旋孔，減小溫度影響。

5)其余大跨度的桁架及網(wǎng)架等均需考慮溫度作用的影響。