連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定設(shè)計(jì)的探討

梁志文（江門市建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東江門529000）

連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定設(shè)計(jì)的探討

梁志文（江門市建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東江門529000）

穩(wěn)定性是連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)框架最為關(guān)鍵的內(nèi)容，直接關(guān)系著連棟溫室的安全與穩(wěn)定。本文結(jié)合現(xiàn)階段最為先進(jìn)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與研究成果，在已改善長(zhǎng)度系數(shù)方法弊端的基礎(chǔ)上，就連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)有側(cè)移失穩(wěn)時(shí)、等高獨(dú)特性質(zhì)，有針對(duì)的制定出一種可以計(jì)算柱與相互作用的層穩(wěn)定系數(shù)法與長(zhǎng)度系數(shù)計(jì)算修正法。

連棟溫室；鋼結(jié)構(gòu)；框架；穩(wěn)定；設(shè)計(jì)

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)是當(dāng)前國(guó)際上連棟溫室應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)，溫室多采用小型桁架或鋼管梁，立柱采用矩形薄壁鋼管，以單元組合的形式通過天溝形成等高、多跨的連跨結(jié)構(gòu)。過去在對(duì)輕型鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定傳統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所用到的材料過多，對(duì)于結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況也很難準(zhǔn)確的反映。本次試驗(yàn)正是在當(dāng)前最為先進(jìn)的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論與研究成果的基礎(chǔ)上，通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)各個(gè)柱子相互支援及結(jié)構(gòu)整體的性質(zhì)的全面考慮，對(duì)此種多跨、等高的相互支援的生產(chǎn)性溫室鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以在保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，降低用鋼量，更真實(shí)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)反應(yīng)。

2 溫室結(jié)構(gòu)類型及構(gòu)造特點(diǎn)

2.1 山形屋面溫室

門市鋼架結(jié)構(gòu)在現(xiàn)階段溫室中應(yīng)用最為普遍，溫室柱腳一般為剛接或鉸接，如果跨度超過8.0m時(shí)，就應(yīng)在門架梁再增添一個(gè)拉梁與柱通過剛接方式進(jìn)行連接。開間一般為3.0m、4.0m，跨度一般為6.0、8.0m。

圖1 山形屋面溫室

2.2 Venlo溫室

溫室柱腳一般有兩種，即剛接與鉸接，屋面梁通常以輕鋼梁為主，大梁主要應(yīng)用桁架結(jié)構(gòu)；開間為4.0、5.0m；跨度有12.8m、9.6m、6.4m。

圖2 Venlo溫室

2.3 三角形屋架溫室

三角形屋架溫室屋架為有檁體系，梁柱連接采用剛接方式，柱腳連接有剛接與鉸接兩種；開間為4.0m、5.0m，跨度為8.0m、9.6m。

圖3 三角形屋架溫室

2.4 三鉸拱屋架溫室

屋架由吊桿和小桁架共同形成，屋架下弦為輕鋼拉桿中間吊桿，上弦為小桁架，屋面為有檁體系，梁柱連接采用剛接方式，柱腳連接有剛接與鉸接兩種；開間為3.0m、4.0m、5.0m，跨度為9.6m、12.8m、15.0m。

圖4

2.5 拱形屋面溫室

拱形為常見的屋架形式，屋面設(shè)置拉桿或檁條，梁柱連接采用剛接方式，柱腳連接有剛接與鉸接兩種；開間為3.0m、4.0m，跨度為8.0m、10.0m。

圖5 拱形溫室

2.6 鋸齒型屋面溫室

鋸齒型為溫室剖面常見形式，屋面設(shè)置檁條，梁柱連接采用剛接方式，柱腳連接有剛接與鉸接兩種；開間為3.5m、4.0m，跨度為9.2m、9.6m。

圖6 鋸齒形屋面溫室

3 傳統(tǒng)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法

傳統(tǒng)上，框架柱的平面內(nèi)穩(wěn)定采用如下的公式：當(dāng)框架出現(xiàn)側(cè)移屈曲時(shí)，長(zhǎng)度系數(shù)計(jì)算公式為：當(dāng)框架柱出現(xiàn)無側(cè)移屈曲時(shí)，長(zhǎng)度系數(shù)計(jì)算公式如下：在以上兩式中，柱腳鉸支時(shí)，柱腳固支時(shí)，即匯交于柱上端的梁線剛度之和與柱線剛度之和的比值，見圖7，其中對(duì)邊柱對(duì)中柱

圖7 山形溫室有關(guān)參數(shù)示意

圖8 框架的失穩(wěn)模式

4 框架有側(cè)移失穩(wěn)——一個(gè)簡(jiǎn)單的判定準(zhǔn)則

框架每一層的抗側(cè)剛度K可從結(jié)構(gòu)的線性分析直接得到。如果在沒有水平力作用的狀態(tài)下，框架的有側(cè)移失穩(wěn)現(xiàn)象將會(huì)明顯的顯現(xiàn)出來，這也從側(cè)面表明框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度被削弱，不具備水平位移抵抗能力。研究表明，豎向荷載是一種負(fù)剛度的因素，也框架抗側(cè)剛度K變小最為主要的因素，其可以將框架原本的正剛度進(jìn)行抵消。假設(shè)豎向荷載為V（N），當(dāng)臨界荷載超出框架時(shí)，可利用反算對(duì)豎向荷載的等效負(fù)剛度進(jìn)行計(jì)算求取。

則該框架有側(cè)移屈曲的一個(gè)簡(jiǎn)單準(zhǔn)則就變長(zhǎng)。

5 同層各柱的相互作用——修正計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法及其困難

傳統(tǒng)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)有明確的物理意義，可以通過多跨框架的算例驗(yàn)證。每一根柱子的傳統(tǒng)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)可以用下式計(jì)算框架抗側(cè)剛度與結(jié)構(gòu)力學(xué)矩陣位移法線性分析得到層抗側(cè)剛度：

屈曲時(shí)，柱子軸力越大，失穩(wěn)傾向也會(huì)更大，軸力小的柱子也會(huì)提供支援，因此在對(duì)軸力大的柱子進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)將此種情況充分考慮進(jìn)去。

6 框架整體屈曲分析方法

整體屈曲分析是按照以下步驟進(jìn)行的：

（1）對(duì)給定的荷載組合，采用線性分析方法對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算得到所有框架柱子的軸力；

（2）以該工況的組合軸力Pk為標(biāo)準(zhǔn)，與荷載因子進(jìn)行相乘；

（3）形成有限元分析的剛度矩陣，進(jìn)行特征值分析，得到臨界荷載因子xcr：

（4）求得的第k個(gè)柱子的臨界荷載為xcrPk，長(zhǎng)度系數(shù)計(jì)算公式如下：

長(zhǎng)度系數(shù)μnk所計(jì)算出的結(jié)果通常情況下會(huì)和式（8）中k值相等，接下來可利用整體屈曲形式對(duì)所得到的長(zhǎng)度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

7 對(duì)溫室柱按整層失穩(wěn)模式的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)建議

（1）計(jì)算溫室框架的通用長(zhǎng)細(xì)比：

設(shè)溫室柱子總根數(shù)為n根，框架柱為m根，搖擺柱為n-m根。K是該層抗側(cè)剛度，Pyk為該層全截面屈服時(shí)搖擺柱的軸力，Pyj為全截面屈服時(shí)第j根框架柱子軸力，h是層高。

（2）該層穩(wěn)定系數(shù)φst計(jì)算：按照每根柱子的截面類型，有針對(duì)性的計(jì)算柱子曲線。

（3）按照下列公式對(duì)每根框架柱有側(cè)移失穩(wěn)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，公式如下：

式中：φx-按照框架無側(cè)移失穩(wěn)時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)確定的穩(wěn)定系數(shù)βmx-按照無側(cè)移失穩(wěn)的規(guī)定計(jì)算，

式中：η—對(duì)箱形柱子取0.7，對(duì)H形截面柱子取1；y—框架柱平面外彎曲失穩(wěn)的穩(wěn)定系數(shù)。

（6）計(jì)算整層時(shí)，框架柱長(zhǎng)細(xì)比非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，控制指標(biāo)為1.6。

單個(gè)柱子的長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)小于200。

（7）雙向壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算

y方向是純框架，x方向設(shè)置支撐的雙向壓彎框架柱的穩(wěn)定性計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為：y方向（繞x軸）按照整層有側(cè)移失穩(wěn)計(jì)算的公式是：

（5）框架柱的平面外，則按照下式計(jì)算框架柱的平面外穩(wěn)定：

y方向（繞x軸）按照不利柱子的無側(cè)移失穩(wěn)計(jì)算的公式是：

（A.3）x方向（繞截面的弱軸y軸）的計(jì)算穩(wěn)定性的公式為：

式中：φy—計(jì)算無側(cè)移失穩(wěn)時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。層穩(wěn)定系數(shù)法為整層失穩(wěn)的框架柱穩(wěn)定性計(jì)算方法。詳細(xì)的反映出整層失穩(wěn)的特點(diǎn)為框架有側(cè)移失穩(wěn)現(xiàn)象，沒有對(duì)各柱子進(jìn)行有側(cè)移失穩(wěn)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)計(jì)算，有效的使穩(wěn)定計(jì)算方式簡(jiǎn)化。懸臂柱的通用長(zhǎng)細(xì)比是：

式中：Ny=Afy表示柱子全截面屈服荷載，S=3EI/h3為懸臂柱的抗側(cè)剛度。

框架結(jié)構(gòu)在完全不具備彈性的情況下，其穩(wěn)定性與彎矩之間并無明顯的聯(lián)系，但對(duì)采用彈塑性的框架結(jié)構(gòu)而言，彎矩能夠使框架梁柱提前進(jìn)入彈塑性，從而將框架的剛度削弱，對(duì)框架穩(wěn)定性造成影響。當(dāng)框架出現(xiàn)側(cè)移失穩(wěn)現(xiàn)象，可在柱子上下端強(qiáng)柱弱梁的狀態(tài)下，在梁端開展塑性，當(dāng)梁端及柱頂塑性鉸趨于形成時(shí)，層承載力也會(huì)到達(dá)極限。所以利用穩(wěn)定性方法對(duì)整層穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，其彎矩項(xiàng)的計(jì)算也會(huì)相應(yīng)增加。這種情況下，相較于傳統(tǒng)的長(zhǎng)度系數(shù)計(jì)算法，框架層計(jì)算的準(zhǔn)確率較低，因此并不鼓勵(lì)其在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用。搖擺柱則只需進(jìn)行無側(cè)移屈曲的驗(yàn)算。對(duì)整層的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算后，一般可以由有效減少該層有側(cè)移失穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。單只有在得到別的柱子支援或軸力過大時(shí)，無側(cè)移失穩(wěn)情況才可能發(fā)生。下面是一個(gè)算例中的一些參數(shù)，從中可以得到采用本文方法將能夠達(dá)到的效果。不同方法的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 不同計(jì)算方法的比較

從表1中可以看出，在均布豎向荷載的作用下，邊柱為中柱提供支援后，將會(huì)增大其自身的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，而中柱在得到邊柱支持后，其計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)將會(huì)變小。由此可見，邊柱軸力越小，中柱軸力越大，失穩(wěn)傾向也愈發(fā)嚴(yán)重。依據(jù)改善后的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法可以獲知，由于中柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)減小，其截面（壁厚或外形）也會(huì)相應(yīng)的縮短，減少結(jié)構(gòu)建設(shè)成本。因此，水平力作用下，層穩(wěn)定系數(shù)法的應(yīng)用，使得框架柱的軸力分布不均?？蚣苤茌S壓力越大，將會(huì)得到越大的支援，從而使截面減小，為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。

8 討論

因此，目前絕大多數(shù)溫室的邊柱和中柱都采用了不同的截面，采用本文的方法對(duì)溫室柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。穩(wěn)定系數(shù)法在水平力的作用，能夠極大的減少經(jīng)濟(jì)支出，這是由于水平力使得框架柱的軸力分布更不均勻?？蚣苤茌S壓力越大，將會(huì)得到更大的支援，使得截面減小。部分結(jié)構(gòu)中，中柱采用無側(cè)移失穩(wěn)控制，通過上下鉸接形式。因此，通過層穩(wěn)定系數(shù)法可以柱子的無側(cè)移失穩(wěn)進(jìn)行驗(yàn)算補(bǔ)充。

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TU391

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2095-2066（2016）36-0183-03

2016-12-12