高大超長單層鋼結構剛架溫度分析及優化設計

孫必祥，貝正其，褚姚青，鄭益鋒，冉浚宏

（1.中機中聯工程有限公司，重慶400039；2.寧波方太廚具有限公司，浙江 寧波315336）

1 引言

單層鋼結構房屋的溫度區段長度不超過GB 50017—2017《鋼結構設計標準》第3.3.5 條規定，即圍護構件為金屬壓型鋼板時，橫向溫度區段為150 m，縱向溫度區段為250 m[1]，一般情況下可不考慮溫度應力和溫度變形的影響。 這是由于常規跨度、 高度等情況下的單層鋼結構建筑受溫度變化引起的剛架側移比較小，不會給剛架增加較大的附加溫度應力。 但隨著工藝布置及使用要求的不斷提升， 越來越多的鋼結構建筑長度、高度、跨度等都遠遠超過規范規定要求，故對此類高大超長單層鋼結構廠房進行合理的結構布置及溫度應力計算非常必要，以便選擇合理的結構方案，達到結構安全且經濟合理的目標。

2 工程概況

某高位貨架庫建筑位于浙江省慈溪市，為單層鋼結構，縱向長度110 m，橫向寬度240 m，橫向尺寸遠超規范限值；且剛架檐口高度達36.6 m，較常規的單層鋼結構建筑更高。

根據工藝布置，本工程橫向長240 m，分為8 跨，跨度均為30 m，橫向抗側力體系采用剛接門式剛架；縱向長度110 m，柱距為10 m，縱向抗側力體系采用多層交叉柱間支撐系統。

3 高大超長剛架結構計算分析

3.1 模型建立

本工程結構彈性分析采用PKPM 軟件中的STS 模塊及Midas Gen 軟件。鋼結構的彈性模量按2.06×105N/mm2，線膨脹系數按1.2×10-5/℃，質量密度按7.85×103kg/m3進行計算。

3.2 荷載取值

剛架屋面恒載按實計算取0.7 kN/m2， 活荷載按規范取0.5 kN/m2， 雪荷載按100 a 一遇基本雪壓0.4 kN/m2計算取值，風荷載按50 a 一遇基本風壓0.55 kN/m2計算取值，場地粗糙度類別按A 類。

溫度作用：依據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[2]，慈溪市月平均最高氣溫Tmax為37 ℃， 月平均最低氣溫Tmin為-4 ℃。 考慮到使用期間結構有金屬墻面的圍護保溫作用，結構最高平均溫度Ts,max、最低平均溫度Ts,min分別取35 ℃、0 ℃；參照慈溪市月平均溫度，結構最高初始平均溫度T0,max取30 ℃，最低初始平均溫度T0,min取5 ℃， 則最大降溫及最大升溫工況分別按-30 ℃和+30 ℃取值。

3.3 溫度作用計算結果對比

利用PKPM 和Midas 軟件對剛架進行溫度作用計算，升溫工況下剛架柱頂、柱底彎矩計算值及對比分析如表1 所示；升溫、降溫工況下剛架（柱頂）位移計算結果及對比分析如表2所示。

表1 升溫工況下剛架彎矩計算結果對比分析

表2 升溫、降溫工況下剛架位移計算結果對比分析

從以上對比分析可見：（1）PKPM 與Midas 兩個軟件的計算結果非常接近；（2）主要構件各部位在升溫（降溫）工況下彎矩計算結果基本一致，數值誤差在5%以內；（3）升溫、降溫工況下剛架（柱頂）位移計算也基本相同。 表明在溫度作用工況下， 剛架結構處于彈性受力和彈性變形狀態， 利用PKPM 和Midas 軟件均可對其進行較為準確的溫度作用計算。

3.4 溫度作用影響分析

通過對剛架模型在考慮和不考慮溫度作用時分別計算，邊柱及第二根剛架柱溫度工況下柱頂彎矩Mt和彎矩設計值M 計算結果如表3 所示。 從計算結果可見：（1）溫度工況下柱頂彎矩不足彎矩設計值的10%；（2）溫度作用對剛架內力影響主要在剛架邊柱， 第二根鋼柱內力計算結果基本不受溫度作用影響（第三、四根鋼柱計算結果未列出，但對比結果同第二根鋼柱一樣）。

表3 各工況下剛架彎矩計算結果對比分析

綜上可見，雖然本工程剛架結構超長較多，但在溫度工況下剛架結構處于彈性受力狀態；且由于剛架高度高，僅柱底受約束，結構整體適應溫度變化的變形能力較強。 溫度變化對結構整體及構件內力影響并不十分明顯； 且只主要集中在剛架結構兩側部位。

4 溫度作用對高大超長剛架影響分析

為進一步分析溫度作用對高大單層超長鋼結構的受力影響，將對不同高度剛架結構進行溫度作用計算并對比分析。 按本工程剛架結構橫向長度、跨度等尺寸不變，恒、活、溫度等荷載不變，僅改變剛架高度進行計算，不同高度時剛架柱頂、柱底在溫度作用工況下的彎矩Mt和Mt與對應部位彎矩設計值M 的比值計算結果如表4 所示。

表4 不同高度剛架溫度作用計算結果對比分析

從計算結果可見：（1）隨著剛架高度的減小，溫度工況下柱頂、柱底彎矩與對應部位的彎矩設計值的比值越來越大，表明剛架越高，其內力受溫度作用影響越??；（2）常規高度的超長單層鋼結構廠房，如剛架高度為18 m 及更高時，溫度工況下構件彎矩與彎矩設計值的比值大幅上升， 表明溫度變化對超長剛架結構的內力影響不可忽略， 此計算結果與規范規定相吻合；（3）剛架高度超過常規范圍，如30～36 m 時，溫度工況下構件彎矩與彎矩設計值的比值僅10%左右， 表明雖然溫度變化對超長剛架結構的內力有一定影響， 但隨著剛架高度增加，約束變弱，其影響比例大幅降低，從而也使得高大超長剛架結構方案更具可行性。

5 風荷載對高大超長剛架影響分析

鋼結構本身抗側剛度不高，受風荷載影響較大，為考慮和分析風荷載對高大剛架受力的影響，對不同高度剛架結構（模型同前文）進行計算并對比分析如下：不同高度時剛架柱頂、柱底在風荷載作用下的彎矩Mw和Mw與對應部位彎矩設計值M 的比值計算結果如表5 所示。

表5 不同高度剛架風荷載計算結果對比分析

從計算結果可見：（1）隨著剛架高度的增加，風荷載工況下柱頂、 柱底彎矩與對應部位的彎矩設計值的比值越來越大，表明剛架越高，其內力受風荷載影響越大；（2）剛架高度12～18 m及更高時，風荷載工況下構件彎矩與彎矩設計值的比值大幅上升，與GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》[3]相關規定基本一致，即房屋高度不大于18 m 時，其風荷載可按該規范進行計算，房屋高度大于18 m 時，由于受風荷載影響更為顯著，需按荷載規范等相關要求計算風荷載；（3）對高大單層鋼結構剛架而言，風荷載將是影響其受力及變形的最主要因素之一。

6 高大超長剛架結構的優化設計

以本工程為例，由于剛架橫向長度超過規范限值較多，通常情況下可能會采取設置伸縮縫， 分為兩榀剛架的結構設計方案；或者在柱頂適當的位置設滑動支座，用以消除溫度應力影響。

對本工程橫向長240 m 的剛架按不同結構方案進行計算，主要計算結果及經濟性指標如表6 所示。 從3 種方案的計算結果比較分析可知：（1）在滿足結構變形主要指標如柱頂位移角基本相當的情況下， 設置伸縮縫和滑動支座的方案將大大削弱剛架的抗側剛度，從而導致剛架柱截面加大，用鋼量相應增加；（2）在中柱柱頂一側梁端設置滑動支座的方案，用鋼量較設縫方案略有降低，但存在諸多不利因素，如梁截面高度大，滑動支座難以實現，兩側結構單元在水平荷載作用下變形差異或協調不均時可能導致關鍵節點安全性降低等[4]。

表6 不同結構方案計算結果對比分析

如前文分析，雖考慮結構超長時溫度作用的影響，但高大超長結構由于受風荷載影響更為顯著； 故較設置伸縮縫或設滑動支座的方案，本工程采用不設縫的結構方案，剛架抗側剛度反而越大，在結構變形基本相當的情況下，鋼柱截面可由箱型截面優化為H 型鋼截面，用鋼量也可優化約20%；另外，采用不設縫的結構方案還將更利于鋼結構的制作、安裝，降低伸縮縫處的構造處理難度、漏水風險等。

7 結語

1） 在本工程高大超長單層鋼結構剛架的結構設計過程中， 通過溫度作用計算考慮對結構引起的溫度應力和溫度變形影響，采用不設縫的超長結構方案是可行的。

2）單層鋼結構高度、長度等超過規范適用范圍較多時，影響其受力、變形等關鍵指標的主要因素可能發生變化，或影響程度會發生變化，故對此類超常規結構，設計時應進行針對性分析并多方案比較，選擇最優化方案。

3）本文僅結合某高大超長單層鋼結構剛架的設計進行分析，受建筑規模、外部條件等影響，今后類似的工程可參考本文分析計算方式及優化設計思路， 但尚需結合工程的實際情況進行具體的分析設計。