索支承實腹門式拱架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計實例分析

宋欣剛

（赤峰市房屋產(chǎn)權(quán)交易管理中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 模型概況

計算模型A：跨度72m，檐口高度為12m，柱距9m，矢高3.6m，垂度1.8m縱向長度99m，為某市物流中心庫房.桿件截面及材質(zhì)：索支承拱架上弦為焊接H型鋼H900x250x10x12，撐桿為108x5，材質(zhì)為 Q345B，f=315N/mm2(t≤16mm)，彈性模量 E=2.06x105Mpa，泊松比μ=0.3.預(yù)應(yīng)力鋼索采用塑料護(hù)套半平行鋼絲束￠7系列61￠7，Ac＝2347mm2（截面面積），fck=3680kN（破斷荷載），fPtk=1570MPa（鋼絲公稱抗拉強度），彈性模量E＝2.1x105Mpa.鋼索的初始預(yù)應(yīng)力應(yīng)力控制在0.10fPtk.在此基礎(chǔ)上，只改變結(jié)構(gòu)2，4點的剛結(jié)、鉸接支承條件，對比計算結(jié)果，分析兩種情況結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和特點.

結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力為0.1fPtk，面外約束間距1.5m，柱腳約束為剛接，索支承結(jié)構(gòu)2，4點約束為剛接，張弦梁結(jié)構(gòu)為鉸接，鋼柱截面暫取H900X250X10X12，鋼柱面外約束間距1.5m，荷載條件僅討論跨中集中荷載方式，結(jié)構(gòu)上弦、鋼柱、撐桿、索截面等參數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果調(diào)整.

2 荷載設(shè)計參數(shù)選用及荷載工況

2.1 荷載設(shè)計參數(shù)選用

結(jié)構(gòu)上的荷載有預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)自重、屋面及天窗荷載、設(shè)備懸掛荷載、屋面活荷載或雪荷載、風(fēng)荷載、溫度及地震作用（抗震設(shè)防烈度為八度）.

（1）恒荷載：檁條（C型鋼）0.1kN/m2；屋面板、保溫材料，0.2kN/m2；吊掛設(shè)備0.1KN/m2.

（2）雪荷載：某市50年一遇基本雪壓為0.40kN/m2，由于屋面橫向跨度較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要重視屋面積雪的影響，雪荷載分布系數(shù)取值為1.0.

（3）風(fēng)荷載：某市50年一遇基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，建筑場地周圍地貌為B類，結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)取為1.1.

（4）地震作用：本工程建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為八度，設(shè)計基本加速度為0.20g；所在場地設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為三類，采用人工模擬地震波進(jìn)行了時程分析和驗算.

（5）溫度作用：工程所在地地處北方，冬夏溫差為＋35℃～－15℃，結(jié)構(gòu)需要考慮溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響.

2.2 荷載工況

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)并參照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:2002)，剛架在正常使用階段的荷載最不利組合考慮以下七種計算工況：

（1）1.2恒荷載 +1.4（活荷載＋風(fēng)荷載(向左)＋0.7×正溫）

（2）1.2恒荷載 +1.4（活荷載＋風(fēng)荷載(向右)＋0.7×正溫）

（3）1.2恒荷載 +1.4（活荷載＋風(fēng)荷載(向左)＋0.7×負(fù)溫）

（4）1.2恒荷載 +1.4（活荷載＋風(fēng)荷載(向右)＋0.7×負(fù)溫）

（5）1.2恒荷載+1.4風(fēng)荷載(風(fēng)吸)

（6）1.2恒荷載+1.4活荷載

（7）1.2恒荷載+1.4（活荷載+0.7×正溫）

參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》及《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》：主剛架梁的撓度限值取跨度的1/400，主剛架柱側(cè)移限值取高度的1/150.依據(jù)上文分析，索支承實腹式門式拱架有1：零狀態(tài)，2：初始態(tài)，3：荷載態(tài)三個受力階段，靜力分析也按上述三個狀態(tài)進(jìn)行.

3 靜力分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)分析時，采用通用有限元程序ANSYS10.0分析，拉索為LINK10單元，撐桿為LINK8單元，工字梁柱為BEAM188單元，分析均考慮了幾何非線性，及材料非線性，首先靜力分析，然后進(jìn)行彈塑性分析，首先計算結(jié)構(gòu)零狀態(tài)下的位移，施加預(yù)應(yīng)力的過程中，調(diào)整預(yù)應(yīng)力施加的大小，使結(jié)構(gòu)的反向位移與零狀態(tài)位移一致，結(jié)構(gòu)計算結(jié)果（表1，表2）.

表1 72m跨度索支承門式拱架在各荷載工況下的應(yīng)力及位移

表2 72m跨度索支承門式拱架在各荷載工況下的柱腳反力及節(jié)點彎矩

（1）施加了預(yù)應(yīng)力對剛架起到了很好的卸載作用.自重作用下剛架橫梁跨中撓度為L/993（向下，L為剛架梁跨度），施加預(yù)應(yīng)力并控制橫梁跨中撓度達(dá)到L/227（向上，反拱），柱頂側(cè)移由7.3mm（向外）變?yōu)?0.6mm（向內(nèi)）（表1），此時梁柱節(jié)點彎矩由自重作用下的-111kNm變?yōu)?41kNm，梁跨中彎矩由73.6kN.m變?yōu)?345kN.m.

（2）施加預(yù)應(yīng)力后，結(jié)構(gòu)克服自重，產(chǎn)生反向位移，因預(yù)應(yīng)力過大，結(jié)構(gòu)受力為最不利，調(diào)整預(yù)應(yīng)力值，使結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，預(yù)應(yīng)力大小對結(jié)構(gòu)受力影響大，恰當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵.

（3）在無風(fēng)荷載作用時，結(jié)構(gòu)不利，風(fēng)荷載向上較大吸力抵抗部分豎向荷載和活荷載，對結(jié)構(gòu)有利，正溫度不利，負(fù)溫度有利.

（4）拉索的最大拉應(yīng)力534.5MPa，最大應(yīng)力比為0.34，拉索的材料強度已經(jīng)充分利用.

（5）因自重不足，在風(fēng)吸力作用下，為避免工況（5）控制設(shè)計應(yīng)增加屋面自重，或者修改實腹式鋼梁形式.

4 節(jié)點設(shè)計與構(gòu)造

本文算例節(jié)點設(shè)計及構(gòu)造設(shè)計主要有：

4.1 銷軸節(jié)點的設(shè)計

文中采用銷軸節(jié)點撐桿節(jié)點構(gòu)造，銷軸節(jié)點的形式基本相同，即主要由耳板和銷軸兩部分構(gòu)成.銷軸節(jié)點的計算

①耳板凈截面抗拉承載力的計算

②耳板局部承壓承載力的計算

③耳板截面抗剪承載力的計算

④銷軸承載力的計算

4.2 索節(jié)點的設(shè)計

索作為索支承結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，其與梁的連接尤為重要，索節(jié)點主要分為兩類：一類是對索起錨固作用的節(jié)點，這類節(jié)點主要位于拉索的端部；另一類是只對拉索起限位作用的限位節(jié)點，這類節(jié)點一般位于拉索的中部，在設(shè)計中我們根據(jù)索的受力及構(gòu)造選用成型產(chǎn)品.

4.3 支座節(jié)點的設(shè)計

本文采用平板支座，工字型上弦支與鋼柱上，需作如下計算：

底板面積計算：

式中：R－結(jié)構(gòu)的支座反力；fc-鋼柱的承壓設(shè)計值

一般計算所需底板面積很小，主要根據(jù)螺栓直徑和位置的構(gòu)造要求決定底板的尺寸.

4.4 底板厚度的計算

底板的厚度，由底板在柱頂反力作用下產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行計算.

式中：f－鋼材的抗彎強度設(shè)計值

M=aqa2四邊支承區(qū)格

M=βqa12三邊支承區(qū)格和兩相鄰支承區(qū)格

M=0.5qc2一邊支承區(qū)格

式中其他參數(shù)可差相關(guān)表格取用.

4.5 合理的設(shè)置構(gòu)造保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定，是索支承結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計的主要方面，同時銷軸節(jié)點、支座節(jié)點的設(shè)計除滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求外，尚應(yīng)根據(jù)設(shè)計的具體特點，合理設(shè)置加勁肋及鋼板厚度等，根據(jù)本文算例，梁柱連接節(jié)點及撐桿與索連接節(jié)點.同時柱間支承、屋面垂直、水平支承的設(shè)計也十分重要.

由于屋面重量較輕，時程響應(yīng)分析結(jié)果表明地震作用對結(jié)構(gòu)設(shè)計不起控制作用，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及分析計算，本例均不作深入討論.

通過改變拉索初始預(yù)張力、拉索截面積、張弦矢高、拉索垂度等參數(shù)分析后，最終確定張弦拱各構(gòu)件截面，折合用鋼量64kg/m2，對于本例平面結(jié)構(gòu)而言，這樣的用鋼量指標(biāo)是合理的.

5 小結(jié)

本文在模型設(shè)計鹽酸的基礎(chǔ)上，通過幾何參數(shù)選用、何載工況分析及結(jié)構(gòu)靜力分析和設(shè)計計算，對一72m跨度索支承實腹門式拱架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出了索支承實腹門式拱架鋼結(jié)構(gòu)受力性能，給出了節(jié)點設(shè)計公式及構(gòu)造要求.

需要注意的是：在索支承實腹門式拱架鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，不可忽略撐桿和鋼索的變形，必須按幾何非線性計算；屋蓋的向上風(fēng)吸力和預(yù)應(yīng)力共同作用可能成為起控制作用的最不利組合；大跨度索支承實腹門式拱架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，溫度荷載的影響不能忽略，在荷載工況中可能起控制作用，設(shè)計時要充分考慮其對結(jié)構(gòu)的影響.