大跨度廠房自穩(wěn)定屋架分析與計(jì)算

李 麟

(攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 攀枝花 617000)

1 概述

攀鋼釩原料場(chǎng)主廠房長300 m，寬234 m，局部不規(guī)則，凈高30 m，采用兩跨鋼排架結(jié)構(gòu)，柱距30 m，大跨屋架檐口高度36.20 m，屋脊高度44.0 m，兩端山墻采用獨(dú)立抗風(fēng)柱系統(tǒng)，中間屋架均采用自穩(wěn)定四管立體桁架，鋼柱也采用自穩(wěn)定四管格構(gòu)柱，屋架跨度為151 m+77.5 m，檁條及墻梁均采用三管桁架檁條，并采用一端焊接，一端滑動(dòng)支座。屋架及鋼柱均采用Q345B鋼材，主廠房空間結(jié)構(gòu)圖見圖1。

本工程由于屋架跨度較大，遠(yuǎn)超國家規(guī)范及行業(yè)要求，且屋架及鋼柱均采用自穩(wěn)定體系，因此本文對(duì)大跨度自穩(wěn)定屋架進(jìn)行分析與計(jì)算。

2 結(jié)構(gòu)尺寸及荷載

2.1 幾何外形

2.2 荷載取值

1)結(jié)構(gòu)自重：由程序自動(dòng)考慮；

2)屋面恒載：0.3 kN/m2；

3)屋面活載：0.3 kN/m2；

4)基本參數(shù)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0；

5)風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度為B類，風(fēng)荷載體型系數(shù)及高度系數(shù)均按荷載規(guī)范取值；

6)溫度作用：根據(jù)攀枝花氣象資料，設(shè)計(jì)溫度變化范圍為5 ℃～45 ℃，合龍溫度考慮15 ℃；

7)地震作用：本工程抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，水平地震影響系數(shù)最大值為0.12，按第三組考慮，豎向地震影響系數(shù)最大值為0.078，按第一組考慮。

3 計(jì)算模型及主要計(jì)算結(jié)果

3.1 計(jì)算模型及軟件選取

結(jié)構(gòu)部分主要采用SAP2000進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，取單榀鋼柱及屋架建模，三維模型見圖3。

3.2 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

模態(tài)計(jì)算結(jié)果詳見表1，結(jié)構(gòu)前三階特征明顯，分別為一階模態(tài)：大跨度屋架平面外平動(dòng)；二階模態(tài)：小跨度屋架平面外平動(dòng)；三階模態(tài)：大跨度屋架平面內(nèi)豎向平動(dòng)。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

3.3 變形計(jì)算結(jié)果

3.3.1豎向變形結(jié)果

大跨度屋架跨中在恒荷載與活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，其最大撓度為422.8 mm，為跨度的422.8/151 000=1/357，滿足限值要求。經(jīng)復(fù)核，大跨度屋架跨中在屋架自重及屋面荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，其最大撓度為282 mm。屋架、檁條及屋面瓦施工完畢后，測(cè)得的豎向變形見表2，考慮施工誤差及實(shí)際屋面恒載(屋面瓦+檁條重量)小于0.3 kN/m2，產(chǎn)生撓度與計(jì)算值基本符合。

表2 屋架豎向變形

3.3.2水平變形結(jié)果

Y向風(fēng)荷載作用下，剛架柱頂水平位移為61.23 mm，為柱高度的61.23/30 500=1/498，滿足限值要求。

3.3.3多遇地震水平位移

重力荷載代表值+多遇地震作用下，大跨度屋架跨中豎向位移為291.31 mm，為跨度的291.31/151 000=1/518，滿足限值要求。

多遇地震作用下，大跨度屋架上弦跨中X向位移為47 mm，為柱高度的47/44 000=1/936，滿足限值要求。

3.4 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析

特征值屈曲分析：結(jié)構(gòu)屈曲模式表現(xiàn)為面外失穩(wěn)形態(tài)，屈曲因子為 7.37。

1)采用ANSYS軟件，對(duì)剛架進(jìn)行荷載—位移全過程分析。分析考慮幾何非線性、材料非線性及結(jié)構(gòu)整體初始幾何缺陷。缺陷分布模式取結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)，缺陷幅值取跨度的 1/300。通過分析得到結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)—跨中上弦節(jié)點(diǎn)面外位移曲線，如圖4所示，其中結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)是指曲線上各點(diǎn)的加載值與(1.0恒載+1.0活載)的比值，荷載系數(shù)最大值即為結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。參考JGJ 7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)按彈塑性全過程分析時(shí)，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)應(yīng)為2.0。由曲線可知，荷載系數(shù)最大值為2.295，結(jié)構(gòu)承載力滿足規(guī)范要求。

2)采用NIDA軟件進(jìn)行復(fù)核，對(duì)剛架進(jìn)行荷載—位移全過程分析。分析考慮幾何非線性、材料非線性及結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件初始幾何缺陷。缺陷分布模式取結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)，缺陷幅值取跨度的1/300。通過分析得到結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)—跨中上弦節(jié)點(diǎn)面外位移曲線，如圖5所示，其中結(jié)構(gòu)荷載系數(shù)是指曲線上各點(diǎn)的加載值與(1.2恒載+1.4活載)的比值，荷載系數(shù)最大值即為結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。由曲線可知，荷載系數(shù)最大值為1.530，結(jié)構(gòu)承載力滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

1)自穩(wěn)定立體桁架屋架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其豎向平面內(nèi)承受恒載、活載及豎向地震作用，平面外承受水平地震作用，整體上屬于受彎構(gòu)件，因立體桁架高度高，且縱向沒有布置垂直支撐，使得側(cè)向穩(wěn)定成為一個(gè)起控制的破壞模式之一，所以屋架寬度對(duì)屋架平面外穩(wěn)定性起決定性的作用,本工程屋架寬度與跨度之比為6/151=1/25。

2)屋架在靜力荷載作用下的控制荷載為1.2恒+1.4活，參考JGJ 7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行彈塑性全過程分析，并采用直接分析法分析進(jìn)一步復(fù)核，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3)屋架在地震作用下的穩(wěn)定性主要考慮屋架頂端側(cè)的位移，在多遇地震作用下，大跨度屋架上弦跨中X向位移為47 mm，為柱高度的47/44 000=1/936，那么設(shè)防地震作用下(地震影響系數(shù)0.34)，位移為柱高的1/330，所以在設(shè)防地震作用下，屋架穩(wěn)定性也可以滿足規(guī)范要求。