關(guān)于門式剛架結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)分析

楊爽

摘要：門式剛架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑中，其特點(diǎn)是自重輕、結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、施工周期短、構(gòu)件制作快捷、便于工廠化加工。本文就門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中的問題進(jìn)行闡述，希望對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師能夠起到一定幫助。

關(guān)鍵詞：門式剛架;荷載取值;材料優(yōu)化;抗倒塌分析

前言

門式剛架結(jié)構(gòu)具有自重輕、結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，常見的門式剛架結(jié)構(gòu)在橫向是一榀剛架，縱向則是由剛性系桿及支撐系統(tǒng)形成的穩(wěn)定體系。門式剛架設(shè)計(jì)看似簡單，但小知識(shí)點(diǎn)較多，且結(jié)構(gòu)體系需要配合很多構(gòu)造措施來，需要設(shè)計(jì)師具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。門式剛架結(jié)構(gòu)體系主要由各榀平面剛架依靠縱向剛性系桿連接，并通過設(shè)置縱向支撐而形成。

1門式剛架規(guī)范的適用范圍

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015），以下簡稱《門剛規(guī)范》的適用范圍是一個(gè)在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中容易被忽視的問題，一些設(shè)計(jì)人員常?？吹酱罂缍容p型屋面的鋼結(jié)構(gòu)，就默認(rèn)為是采用門式剛架結(jié)構(gòu)，這是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹！堕T剛規(guī)范》第1.0.2條中對規(guī)范適用范圍做了明確規(guī)定，就筆者個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，房屋高寬比及吊車起重量超出適用范圍的情況時(shí)有出現(xiàn)，應(yīng)結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及其他相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，支撐布置等一些構(gòu)造要求可參照《門剛規(guī)范》。

2結(jié)構(gòu)重要性等級

門式剛架輕型房屋設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)可能危及人的生、經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)影響等的嚴(yán)重程度，采用不同的安全等級，結(jié)合設(shè)計(jì)使用年限，選取合適的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。結(jié)構(gòu)受力性能應(yīng)滿足：

γS≥R（1）

式中：γ———結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);S———荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值;R———結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值。重要性系數(shù)的取值直接影響結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)性。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級的建筑物，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)應(yīng)符合：設(shè)計(jì)使用年限（a）為50a、25a和5a，其結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)分別是1.0、0.95和0.9。

3荷載取值

3.1屋面荷載

1）由于門式剛架自重很輕，荷載對用鋼量及造價(jià)非常敏感，設(shè)計(jì)時(shí)欠荷載對結(jié)構(gòu)是不安全的，而由于屋面風(fēng)吸力的存在，設(shè)計(jì)時(shí)恒荷載考慮過大也是不安全的。因此，設(shè)計(jì)人員必須對屋面荷載精確取值，不能隨意加大或減小。

2）《門式鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》規(guī)定：剛架計(jì)算時(shí)，屋面活荷載不與雪荷載同時(shí)考慮，而取較大值。屋面均布活荷載不小于0.5kN/m²，對水平投影面積大于60m²的剛架，豎向均布活荷載可取≥0.3kN/m²。檁條計(jì)算時(shí)需要同時(shí)考慮雪荷載與活荷載，但不同時(shí)參與組合。根據(jù)第4.3.1條規(guī)定，基本雪壓選用按100年重現(xiàn)期的雪壓。

4門式剛架的跨度和柱距

4.1跨度

門式剛架鋼結(jié)構(gòu)廠房的最大優(yōu)勢就是布置靈活、空間大。一般情況下，當(dāng)柱高、荷載一定時(shí)，適當(dāng)加大跨度，而剛架的用鋼量增加的增幅不太明顯，但確實(shí)節(jié)省了空間、基礎(chǔ)造價(jià)低，綜合效益較為可觀。

4.2柱距

習(xí)慣上廠房縱向柱距一般采用6m，在現(xiàn)代化開敞式流水線工廠顯得柱子太過密集，影響設(shè)備布置。在某汽車配件工廠設(shè)計(jì)中，廠房平面尺寸為194m×93m，在縱向采用抽柱形式，即橫向剛架跨度為25.5m，縱向柱距12m。既節(jié)約了建設(shè)投資，又增大了裝置內(nèi)部空間，方便了工藝設(shè)備布置。

5材料優(yōu)化及其縱向支撐布置

1）工程中Q345和Q235是最為常見和常用的材質(zhì)，為方便管理一般采用單一的鋼種。有條件時(shí)可將Q345用于強(qiáng)度控制情況，將Q235用在穩(wěn)定控制情況，此時(shí)的綜合經(jīng)濟(jì)效益較好。

2）縱向支撐布置有2種方式：有吊車時(shí)布置在廠房中部或1/3位置處;無吊車時(shí)布置在廠房端部。從支撐受力合理性來看，支撐布置在端部更有利于中間剛架傳力和抗震，但這種布置不利于溫度應(yīng)力消散。在沒有吊車情況下，剛架之間用系桿連接，系桿本身剛度較小，而且系桿與剛架之間用普通螺栓連接，安裝精度相對較低，螺栓兩端構(gòu)件有一定位移，有利于溫度應(yīng)力消散。

6連接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

6.1縱向加強(qiáng)梁方案

基于“二次傳力路徑法”的設(shè)計(jì)思想，考慮增設(shè)縱向加強(qiáng)構(gòu)件梁來加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)，通過增加冗余構(gòu)件，增設(shè)備用荷載傳遞路徑，提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌極限承載力，進(jìn)而防止剛架發(fā)生倒塌，并可及時(shí)加固并修復(fù)，確保整體結(jié)構(gòu)具備繼續(xù)承載的能力。

6.2加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗倒塌分析

6.2.1單根梁破壞時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌分析

設(shè)置縱向加強(qiáng)梁后，考慮梁失效，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性靜力分析。加強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)承載能力達(dá)到了1.0倍的設(shè)計(jì)荷載，最大應(yīng)力位于加強(qiáng)梁上，剛架構(gòu)件的最大應(yīng)力略大于屈服強(qiáng)度，大部分區(qū)域保持彈性。與未加強(qiáng)結(jié)構(gòu)相比，最大應(yīng)力位置由剛架構(gòu)件轉(zhuǎn)移至加強(qiáng)構(gòu)件上，說明荷載是依靠二次傳遞路徑（縱向加強(qiáng)梁）傳遞.

6.2.2單根柱破壞時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌分析

加強(qiáng)后的承載能力達(dá)到了1.0倍的設(shè)計(jì)荷載，最大應(yīng)力位于加強(qiáng)梁上，剛架構(gòu)件的應(yīng)力介于屈服強(qiáng)度和塑性極限強(qiáng)度之間，部分區(qū)域進(jìn)入彈塑性。與未加強(qiáng)結(jié)構(gòu)比較，最大應(yīng)力位置由剛架構(gòu)件轉(zhuǎn)移至加強(qiáng)構(gòu)件上，剛架結(jié)構(gòu)不僅承載能力得到提高，構(gòu)件的應(yīng)力安全儲(chǔ)備也得以提高，并且最大位移為未加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的0.53（2.88/5.44=0.53）。

7結(jié)語

文中采用有限元數(shù)值分析方法，通過對門式剛架結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，可得出以下結(jié)論：

通過對單根梁破壞和單根柱破壞情形下的結(jié)構(gòu)抗倒塌分析可知，結(jié)構(gòu)的彈塑性極限承載力均小于1.0倍正常設(shè)計(jì)荷載，結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性特征，結(jié)構(gòu)的最大位移均遠(yuǎn)大于工程設(shè)計(jì)容許值，局部構(gòu)件的失效必然導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的倒塌。

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[3]? 余慶.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需注意的幾個(gè)問題[J].科技信息，2011（22）：533-534.

[4]? GB50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

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