淺析工業(yè)建筑剛架結(jié)構(gòu)選型

李 偉 楊華中

（蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

0 前言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)各不相同且種類繁多，工業(yè)建筑即是為了滿足各種工業(yè)生產(chǎn)需要和工藝要求而建造的建筑物。生產(chǎn)工藝、工業(yè)原料和制成品運輸路線以及工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備布置順序決定了工業(yè)建筑平面形狀和布置。由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)工藝復(fù)雜，工業(yè)建筑往往要求能夠同時布置多臺大體量設(shè)備，且有不同型號運輸和起重設(shè)備通行，致使工業(yè)建筑內(nèi)部需形成較高較大通敞空間，同時，為了滿足建筑室內(nèi)環(huán)境和屋頂防水排水各項要求，致使工業(yè)建筑屋頂面積大且構(gòu)造復(fù)雜。與民用建筑相比，工業(yè)建筑對結(jié)構(gòu)設(shè)計要求更高。

工業(yè)建筑按層數(shù)分為單層、多層和高層建筑，工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)類型包括排架結(jié)構(gòu)、剛架結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)等。其中單層剛架工業(yè)建筑具有內(nèi)外交通聯(lián)系方便、桿件較少和結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間較大利于大型設(shè)備布置等優(yōu)點，是應(yīng)用較多的一種類型。

1 剛架結(jié)構(gòu)的種類

建筑剛架結(jié)構(gòu)是指由梁柱通過剛性節(jié)點聯(lián)接的單層建筑結(jié)構(gòu)，當剛架橫梁與立柱剛接夾角大于90 時，又稱為“門式剛架”。門式剛架由于橫梁斜向布置使室內(nèi)空間加大，并且由結(jié)構(gòu)形成屋面排水坡度節(jié)省了構(gòu)造找坡的材料和費用。門式剛架屋面多使用輕型屋面結(jié)構(gòu)，屋面排水坡度常用i=1/8～1/20。

按照結(jié)構(gòu)體系幾何不變組成規(guī)則，單層剛架結(jié)構(gòu)可布置為三鉸剛架、兩鉸剛架和無鉸剛架三種類型，分別如圖1 所示。三鉸剛架為靜定結(jié)構(gòu)，兩鉸剛架為一次超靜定結(jié)構(gòu)，無鉸剛架為三次超靜定結(jié)構(gòu)。

圖1 單層平面剛架簡圖

2 剛架結(jié)構(gòu)的受力特點及節(jié)點構(gòu)造

由于梁柱剛接而形成互為約束，單層剛架結(jié)構(gòu)在常規(guī)工業(yè)建筑荷載作用下內(nèi)力得到優(yōu)化，與排架結(jié)構(gòu)比較，梁柱彎矩均有所降低，故剛架結(jié)構(gòu)受力比排架結(jié)構(gòu)優(yōu)越。但是，當結(jié)構(gòu)跨度較大時，剛架結(jié)構(gòu)單根構(gòu)件長度過大剛度降低，尤其是在吊車起重量較大情況下大跨度剛架結(jié)構(gòu)不能滿足建筑結(jié)構(gòu)適用度和經(jīng)濟性要求。單層剛架工業(yè)建筑常用跨度為9m～36m，建筑高度一般不超過10m。

從結(jié)構(gòu)組成上看，三種單層剛架結(jié)構(gòu)均可作為承受荷載的結(jié)構(gòu)形式，但是在相同荷載作用下，三種剛架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性存在顯著差別，構(gòu)造方式及經(jīng)濟性也各不相同。三鉸剛架為靜定結(jié)構(gòu)，在荷載作用下梁柱節(jié)點處彎矩較大，屋脊節(jié)點和支座節(jié)點處無彎矩存在，當?shù)鼗A(chǔ)存在不均勻沉降時，不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力，但結(jié)構(gòu)整體剛度較差。兩鉸剛架是超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體剛度較大，由于梁柱剛接和屋脊節(jié)點剛接使得梁柱彎矩有所降低，柱與基礎(chǔ)鉸接使基礎(chǔ)頂面無彎矩作用，降低了材料消耗量。無鉸剛架超靜定次數(shù)更高使結(jié)構(gòu)整體剛度進一步增大，但其對基礎(chǔ)不均勻沉降較敏感，且由于基礎(chǔ)頂面存在彎矩作用使基礎(chǔ)材料消耗量顯著增加。

三鉸剛架有三個鉸接節(jié)點（即兩個柱與基礎(chǔ)鉸接支座節(jié)點和一個屋脊鉸接節(jié)點），由于柱與基礎(chǔ)鉸接使得柱底無彎矩，鋼筋混凝土三鉸剛架結(jié)構(gòu)柱底鉸接節(jié)點需使用杯口基礎(chǔ)與預(yù)制柱柔性連接構(gòu)造，鋼結(jié)構(gòu)則需使用鉸接柱腳，當柱底反力不大時可設(shè)計成板式鉸接柱腳；屋脊處鉸接點處理也應(yīng)保證有足夠的轉(zhuǎn)動能力。兩鉸剛架的兩個支座節(jié)點為鉸接節(jié)點，構(gòu)造方式與三鉸剛架相同；屋脊處為剛性節(jié)點，鋼筋混凝土剛性節(jié)點可采用整澆彎折梁節(jié)點構(gòu)造，鋼結(jié)構(gòu)則可采用高強螺栓群剛性節(jié)點構(gòu)造。無鉸剛架所有節(jié)點均為剛性節(jié)點，節(jié)點處理時需保證能夠傳遞彎矩。

3 剛架結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)設(shè)置

在結(jié)構(gòu)整體布置過程中，應(yīng)使結(jié)構(gòu)在縱橫兩個方向均具有足夠的剛度，而剛架結(jié)構(gòu)是一種典型的橫向平面結(jié)構(gòu)，在建筑剛架結(jié)構(gòu)縱向需通過設(shè)置支撐系統(tǒng)以滿足縱向剛度要求。支撐系統(tǒng)包括；屋面支撐和柱間支撐，屋面支撐設(shè)于溫度區(qū)段兩端開間和設(shè)有柱間支撐開間處，屋面支撐采用交叉型張進圓鋼，在其它開間需設(shè)置縱向剛性系桿；柱間支撐一般設(shè)于結(jié)構(gòu)兩端和溫度區(qū)段中部。

4 結(jié)論

由以上分析可知：

①建筑剛架結(jié)構(gòu)常采用兩鉸剛架和三鉸剛架兩種形式；

②剛架結(jié)構(gòu)中梁柱構(gòu)件中存在較大的彎矩，不能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能；

③剛架結(jié)構(gòu)常用于無動荷載或吊車荷載較小的工業(yè)建筑中；

④剛架結(jié)構(gòu)是一種典型的平面結(jié)構(gòu)形式，為獲得足夠的結(jié)構(gòu)空間剛度和穩(wěn)定性，需要設(shè)置屋面支撐系統(tǒng)和柱間支撐系統(tǒng)。

［1］王心田.建筑結(jié)構(gòu)體系與選型[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2003.

［2］葉獻國，等.建筑結(jié)構(gòu)選型概論[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003

［3］樊振和.建筑結(jié)構(gòu)體系及選型[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011

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