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

摘 要：穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前，我國(guó)在民用建筑和工業(yè)建筑中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析，一方面無(wú)法反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)力學(xué)特征，另一方面由于在設(shè)計(jì)上存在的問(wèn)題較為嚴(yán)重，整個(gè)溫室鋼的質(zhì)量過(guò)大。這對(duì)溫室的發(fā)展十分不利。由此可見(jiàn)，對(duì)連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：連棟溫室；穩(wěn)定設(shè)計(jì)；鋼結(jié)構(gòu)；長(zhǎng)度系數(shù)

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.114

目前，我國(guó)缺乏明確的溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，科技人員雖對(duì)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)的研究與分析，但是并未形成一套穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論。溫室結(jié)構(gòu)與一般民用鋼結(jié)構(gòu)相比，其鋼構(gòu)件的截面更小。這對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出了更高的要求。在工程建設(shè)中，部分構(gòu)件經(jīng)常無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，影響工程質(zhì)量，由此可見(jiàn)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的重要性。因此相關(guān)人員要加強(qiáng)對(duì)其的研究與分析。

1 溫室結(jié)構(gòu)的類型及特點(diǎn)

1.1 山形屋面溫室

采用門式鋼架結(jié)構(gòu)制作溫室，在應(yīng)用此溫室結(jié)構(gòu)時(shí)，如果跨度大小超過(guò)了8 m，為了確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)在門架梁中間建設(shè)一拉桿。對(duì)于溫室的柱腳，在制作上應(yīng)當(dāng)使用剛接或鉸接，梁與柱兩者之間的連接則應(yīng)通過(guò)剛接完成。通常情況下，跨度為6 m或者8 m，開(kāi)間通常為3 m或者4 m。

1.2 三角形屋架溫室

選用三角形屋架溫室時(shí)，如果使用的體系為檀體系，梁柱在連接上應(yīng)當(dāng)選用剛接，柱腳則應(yīng)當(dāng)采用交接連接；跨度通常有8 m或9.6 m2種不同的情況，開(kāi)間一般則有4 m或5 m2種情況。

1.3 拱形屋面溫室

屋架的整體成一個(gè)拱形形狀，在屋面上需要設(shè)置拉桿，注膠的制作則利用剛接或交接完成。其中，剛接主要用于柱與柱之間的連接，跨度通常有8 m或10 m2種不同的長(zhǎng)度，開(kāi)間則通常有3 m或4 m2種不同的類型。

1.4 三鉸拱屋架溫室

屋架主要由于吊桿和小桁架共同組成，屋架下弦的為輕鋼拉桿中間吊桿，上弦的為小桁架，屋面上所應(yīng)用的體現(xiàn)為檀體系。該結(jié)構(gòu)的溫室的柱腳也有剛接和鉸接2種不同的方式，梁與柱之間的連接方式為剛接，跨度一般有9.6 m、12.8 m、15.0 m 3種不同的類型，開(kāi)間通常也包括3種不同的類型，分別為3.0 m、4.0 m、5.0 m。

2 傳統(tǒng)計(jì)算方法及修正后應(yīng)用的困難

2.1 計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的傳統(tǒng)方法

人們已經(jīng)對(duì)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的傳統(tǒng)方法進(jìn)行了大量的研究與分析。從研究結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)的計(jì)算方法存在以下弊端，受到了較多質(zhì)疑：①傳統(tǒng)的計(jì)算方法在對(duì)長(zhǎng)度系數(shù)進(jìn)行確定時(shí)，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)中柱子與柱子之間的作用力加以考慮，而是簡(jiǎn)單地判斷為處于同一層的所有柱子都具有相同的失穩(wěn)狀態(tài)，考慮問(wèn)題不夠全面，問(wèn)題分析存在較大的漏洞。從大量分析結(jié)果可以判斷，實(shí)際情況是，一個(gè)柱子在溫室剛結(jié)構(gòu)中是不會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)側(cè)移屈曲的情況，只有整層結(jié)構(gòu)才會(huì)出現(xiàn)側(cè)移失穩(wěn)的現(xiàn)象。②長(zhǎng)度系數(shù)的計(jì)算來(lái)源于過(guò)于理想化的結(jié)構(gòu)。對(duì)于軸壓框架模型這種結(jié)構(gòu)，梁中不存在彎矩，同時(shí)該結(jié)構(gòu)也不存在初始側(cè)移。但是從實(shí)際情況來(lái)看，結(jié)構(gòu)中的框架梁是具有荷載的，并且存在初始彎矩和彎曲。因此傳統(tǒng)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的計(jì)算方法是不可取的，最終的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況之間存在較大誤差，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成不良影響。③應(yīng)用傳統(tǒng)方法所計(jì)算出的長(zhǎng)度系數(shù)從本質(zhì)上看是有彈性的，而實(shí)際結(jié)構(gòu)是彈塑性的。基于以上3點(diǎn)不難看出，傳統(tǒng)的長(zhǎng)度系數(shù)計(jì)算方法存在較多問(wèn)題，必須對(duì)其進(jìn)行修正。

2.2 修正后長(zhǎng)度系數(shù)計(jì)算方法應(yīng)用的困難

傳統(tǒng)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的方法所具有的物理意義十分明確，在具體過(guò)程中可以通過(guò)多框架算例的方式完成相應(yīng)的驗(yàn)證工作。

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，屈曲時(shí)，軸力較大的柱子失穩(wěn)傾向更大，因此將會(huì)得到軸力較小的柱子的支援。在計(jì)算軸力大的柱子的長(zhǎng)度系數(shù)時(shí)，需要在考慮這種相互支援后再進(jìn)行相應(yīng)的修正。這樣，最終所獲取的數(shù)值要比傳統(tǒng)計(jì)算方法所獲取的數(shù)值略小。在應(yīng)用這種修正后的長(zhǎng)度計(jì)算方法時(shí)會(huì)遇到以下困難：①一些受力較大的柱子會(huì)受到受力較小柱子的支撐。如果這種支撐作用達(dá)到了一定值，利用標(biāo)準(zhǔn)公式所計(jì)算的長(zhǎng)度會(huì)略小于框架產(chǎn)生無(wú)側(cè)移失穩(wěn)時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度。此時(shí)，在計(jì)算長(zhǎng)度時(shí)，必須依照無(wú)側(cè)移失穩(wěn)進(jìn)行。②計(jì)算某些軸力較小的柱子時(shí)，由于其對(duì)一些軸力較大的柱子提供了支持，如果在計(jì)算過(guò)程中仍然依據(jù)層穩(wěn)定計(jì)算公式進(jìn)行，計(jì)算的長(zhǎng)度系數(shù)將會(huì)偏大，進(jìn)而增加控制柱子的細(xì)長(zhǎng)的難度。因此在具體計(jì)算過(guò)程中，最好直接通過(guò)驗(yàn)算的方式完成幾何長(zhǎng)細(xì)比。③除了長(zhǎng)細(xì)指標(biāo)外，還有軸力為零、軸力很小、軸力為柱子拉力。因?yàn)槠湓诮Y(jié)構(gòu)中會(huì)對(duì)其他柱子提供一定的支持，所以計(jì)算起來(lái)難度較大，可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)很小，甚至無(wú)法查到。該現(xiàn)象在工程實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)，但是這并不表示承載力已被完全消耗。一旦應(yīng)用常規(guī)方法計(jì)算，結(jié)果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，必須尋找相應(yīng)的改進(jìn)措施，從而使計(jì)算變得科學(xué)、合理。

3 判斷框架是否存在側(cè)移失穩(wěn)的方式

通過(guò)分析可以直接獲取框架中每一側(cè)剛度值K，框架存在側(cè)移失穩(wěn)，在沒(méi)有水平力作用的狀態(tài)下，框架在水平方向上將會(huì)出現(xiàn)較大移動(dòng)。這一側(cè)移說(shuō)明了此時(shí)框架不再具有抵抗水平力作用。也就說(shuō)，結(jié)構(gòu)不再存在抗側(cè)剛度。通過(guò)對(duì)大量的連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，K值從大于0變?yōu)?的主要原因是受到豎向荷載作用的影響。這在結(jié)構(gòu)中是一種負(fù)剛度，正好將結(jié)構(gòu)中的正剛度抵消。

在具體分析過(guò)程中，假設(shè)結(jié)構(gòu)在豎向上的荷載為V（N），在完成對(duì)框架臨界荷載計(jì)算后，采用反算方式獲取負(fù)剛度，計(jì)算方式如公式（1）所示：

由此可以得到框架側(cè)曲簡(jiǎn)單準(zhǔn)則為K=- =0.各國(guó)的研

究結(jié)果表明，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，α始終都在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，在實(shí)際中對(duì)工程進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，α值取1.1時(shí)，臨界荷載的誤差不會(huì)超過(guò)10%.如果對(duì)長(zhǎng)度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，那么誤差不會(huì)超過(guò)5%。由于實(shí)際工程中框架柱中α的取值處于1.05～1.15之間，在計(jì)算中取1.1，計(jì)算結(jié)果誤差很小，因此，推導(dǎo)出

的K=- =0具有很強(qiáng)的應(yīng)用意義。對(duì)于連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)框

架來(lái)說(shuō)，計(jì)算分析時(shí)可以先設(shè)定一個(gè)荷載工況，該工況荷載是在每一個(gè)柱頂設(shè)計(jì)水平力，然后再對(duì)柱頂發(fā)生的位移進(jìn)行計(jì)算。

4 層整體彈塑性失穩(wěn)下的框架穩(wěn)定系數(shù)

在連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)跨框架結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中，考慮到各柱之間相互作用的修正計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)方法難度較大，結(jié)果準(zhǔn)確率較低，因此應(yīng)當(dāng)提出一種新的計(jì)算方法。修改后的方案如下。

考慮到同層柱之間存在相互作用，第i根柱子的臨界荷載計(jì)算方法如公式（2）所示：

式（2）中：m為非搖擺柱總數(shù)；n為柱子總數(shù)。

其中銜接搖擺柱，非搖擺柱αj=1.1，搖擺柱αj=1.0.在分析過(guò)程中，假設(shè)結(jié)構(gòu)中的柱子細(xì)長(zhǎng)，彈性范圍內(nèi)出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象，穩(wěn)定系數(shù)φ=PEi/Aify.此時(shí)，在引入抗拉分項(xiàng)系數(shù)時(shí)，可以得到公式（3）：

通過(guò)公式（2）和公式（3）可以發(fā)現(xiàn)，考慮整層失穩(wěn)后，任意柱子軸力項(xiàng)都有相同的數(shù)值，不論柱子軸力受到的拉力是大還是小。

如果結(jié)構(gòu)恰好在彈塑性階段工作，可以對(duì)K值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。依照壓桿彈塑性穩(wěn)定的切線模量法及日后出現(xiàn)的壓桿穩(wěn)定系數(shù)，得出失穩(wěn)層中的穩(wěn)定系數(shù)。在分析過(guò)程中，通過(guò)對(duì)大量的跨度、長(zhǎng)度細(xì)比、層數(shù)框架等多項(xiàng)內(nèi)容的彈性進(jìn)行深度分析，對(duì)結(jié)構(gòu)中各種缺陷可能產(chǎn)生的影響都進(jìn)行了充分考慮，對(duì)上述所提到的公式的合理性都進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，上述公式適合應(yīng)用于穩(wěn)定設(shè)計(jì)研究中。

5 溫室柱整層失穩(wěn)模式穩(wěn)定設(shè)計(jì)修改意見(jiàn)

在連棟溫室鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)研究中，依據(jù)整層失穩(wěn)計(jì)算，需要單獨(dú)計(jì)算每個(gè)柱子的穩(wěn)定性，在完全彈性框架彈性結(jié)構(gòu)中，所存在的彎矩并不會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但是，需要研究人員注意的是，對(duì)于材料為彈塑性的實(shí)際框架，由于彎矩的存在，將會(huì)使梁柱更早地進(jìn)入彈塑性，從而使框架的剛度被削弱，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。因此在分析過(guò)程中，需要逐個(gè)考慮柱子彎矩對(duì)結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)性所造成的影響，采用線性分析彎矩的情況。

如果框架整層存在側(cè)失穩(wěn)現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)在強(qiáng)柱弱梁或柱子上下端開(kāi)展塑性，同時(shí)在所有梁端或柱頂都接近塑形鉸時(shí)，使層級(jí)的極限承載力達(dá)到最大。這也是計(jì)算整層穩(wěn)定性的方法之一，并且應(yīng)當(dāng)與彎矩項(xiàng)相加。在此情況下，與傳統(tǒng)方法相比，該方法的可靠度偏低，因此并不推薦使用。

依據(jù)整層對(duì)穩(wěn)定性計(jì)算之后，能夠確保的是整個(gè)框架在應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)整層側(cè)移的情況。但是，無(wú)法確?？蚣苤械膯蝹€(gè)柱子在具體應(yīng)用過(guò)程中不出現(xiàn)失穩(wěn)情況，因此需要對(duì)單個(gè)柱子的穩(wěn)定情況進(jìn)行計(jì)算與分析。通常來(lái)說(shuō)，軸力較大時(shí)，并且在應(yīng)用過(guò)程中能夠得到其余柱子支援的情況下才有可能不會(huì)發(fā)生側(cè)移穩(wěn)失。結(jié)構(gòu)中的搖擺柱子的驗(yàn)算只需進(jìn)行無(wú)側(cè)移屈曲驗(yàn)算即可。下面通過(guò)實(shí)例，對(duì)比采用不同算法的計(jì)算參數(shù)，具體內(nèi)容如表1所示。

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，依據(jù)修正計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法，采用傳統(tǒng)方法計(jì)算出的中柱計(jì)算長(zhǎng)度變小了。因此在實(shí)際操作中可以適當(dāng)減小中柱截面，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更加科學(xué)、合理。

在有水平力作用的基礎(chǔ)下，應(yīng)用穩(wěn)定系數(shù)法計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，可以使鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性得到提高。這主要是因?yàn)樵谒搅ψ饔孟拢蚣苤械妮S力分布不均勻，框架柱會(huì)得到更大支援，從而縮減了截面。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，多數(shù)溫室在設(shè)計(jì)中都采用了中柱和邊柱，采用本文提到的方法對(duì)溫室柱設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，在獲取到不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但是，需要注意的是，一些結(jié)構(gòu)中中柱采用上下鉸接方式，在對(duì)這一結(jié)構(gòu)計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，需要對(duì)無(wú)側(cè)移失穩(wěn)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充。

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〔編輯：劉曉芳〕