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

芮娟

摘要：作為我國(guó)連棟溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，我國(guó)的工業(yè)和民用建筑鋼結(jié)構(gòu)十分注重穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)存在一些問(wèn)題，如無(wú)法真實(shí)反饋出溫室中薄壁小界面的力學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而會(huì)增加鋼材的用量。本文針對(duì)連棟溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出一種可考慮柱間斷作用，可提升生產(chǎn)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方式，希望能夠?yàn)闇厥忆摻Y(jié)構(gòu)的框架設(shè)計(jì)有所參考借鑒。

關(guān)鍵詞：連棟溫室;鋼結(jié)構(gòu);框架穩(wěn)定設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的連棟溫室都采用輕型鋼結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的梁采用桁架或者是鋼管結(jié)構(gòu)。立柱采用的是薄壁鋼管。在實(shí)際的生產(chǎn)中也可以采用單元組合的方式形成多跨徑的綜合連跨結(jié)構(gòu)。若采用傳統(tǒng)的方式來(lái)計(jì)算輕型鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可能因?yàn)椴牧嫌昧线^(guò)多，無(wú)法反饋結(jié)構(gòu)的正式受力情況。通過(guò)分析鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論和實(shí)際的實(shí)踐成果，可結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合其整體的性質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)等高，多跨度的生產(chǎn)型溫室鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，希望能夠真實(shí)反饋結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)，保證結(jié)構(gòu)安全的前提下降低鋼材用量。

1.溫室結(jié)構(gòu)的類(lèi)型和構(gòu)造特點(diǎn)

山形屋面溫室結(jié)構(gòu)采用的是門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)，跨度大于8m時(shí)候需要在門(mén)架梁中間安插一個(gè)拉桿，而溫室的柱腳可以采用鉸鏈或者是剛連接。一般跨度為開(kāi)間的兩倍。如開(kāi)間為3m時(shí)候，跨度為6m。

Venlo溫室結(jié)構(gòu)采用的是屋面輕鋼梁聯(lián)合桁架結(jié)構(gòu)。其中溫室的內(nèi)部柱腳有桿連接和鉸鏈連接兩種形式。常見(jiàn)的跨度為9.6m、12.0m、12.8m;常見(jiàn)的開(kāi)間一般為4m、5m。

三鉸拱屋架溫室結(jié)構(gòu)采用了吊桿和小桁架結(jié)構(gòu)連接的方式。屋架的上弦為小桁架、屋架的下弦為吊桿和輕鋼拉桿。其中屋面采用的是有檁體系，柱腳為鉸連接和剛連接兩種形式。跨度可為9.6m、15m;開(kāi)間多為3m、5m。

拱形屋面溫室結(jié)構(gòu)也十分常見(jiàn)，這種結(jié)構(gòu)的柱腳采用的是剛接和鉸接，柱和梁都采用的是鋼結(jié)構(gòu)，其中的跨度為8m、10m左右;開(kāi)間可為3m、4m。

鋸齒形屋面溫室結(jié)構(gòu)剖面呈鋸齒形，柱腳采用的是是鉸接和剛連接，梁和柱子僅采用剛接，屋面設(shè)置了檁條。

2.相關(guān)設(shè)計(jì)研究分析

2.1相關(guān)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)分析

實(shí)際上，框架柱腳的平面內(nèi)部的穩(wěn)定考慮因素較多，需要考慮長(zhǎng)細(xì)比和壓桿穩(wěn)定系數(shù)等內(nèi)容。計(jì)算系數(shù)確定時(shí)候要考慮框架是否發(fā)生側(cè)移彎曲。對(duì)比可知，溫室屋蓋若采用的是三角形桁架結(jié)構(gòu)，而桁架頂端和柱子采用鋼架連接，梁的線剛度需要取端部上下弦界面慣性矩之間和端部節(jié)間水平長(zhǎng)度的距離（2倍）。但是系數(shù)計(jì)算時(shí)候也存在一些失穩(wěn)的問(wèn)題。如實(shí)際的情況中柱子側(cè)移產(chǎn)生屈曲的影響因素較多，一個(gè)柱子不能夠發(fā)生單獨(dú)側(cè)移，側(cè)移是多項(xiàng)因素整體影響產(chǎn)生的結(jié)果;而計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)考慮的環(huán)境為理想的軸壓框架模型結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)中沒(méi)有彎矩和初始側(cè)移，實(shí)際的框架上面有荷載，初始的彎矩和彎曲綜合影響因素;而計(jì)算系數(shù)確定對(duì)象是彈性，實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中是彈塑性結(jié)構(gòu)。

2.2對(duì)框架側(cè)移失穩(wěn)問(wèn)題分析

框架的抗側(cè)剛度值K和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有直接關(guān)聯(lián)，因此可以從分析線性結(jié)構(gòu)來(lái)確定K值。設(shè)計(jì)顯示，在沒(méi)有側(cè)移失穩(wěn)的水平作用力影響下，框架會(huì)產(chǎn)生較大的水平側(cè)移，指的是框架此時(shí)無(wú)法正常抵抗水平的作用力，即使結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度消失也無(wú)法解決這一問(wèn)題?，F(xiàn)代的研究結(jié)果顯示，框架的抗側(cè)剛度K值會(huì)因?yàn)樨Q向荷載的影響讓K從大于0變成0，這一結(jié)果的原因是豎向荷載是一種負(fù)剛度的荷載，會(huì)和框架正剛度發(fā)生抵消。而計(jì)算框架的臨界荷載后，可通過(guò)反算的方式得到荷載的等效負(fù)剛度。經(jīng)過(guò)計(jì)算，臨界荷載值和現(xiàn)實(shí)的最大誤差一般在10%以內(nèi)，驗(yàn)算時(shí)候可以先設(shè)定一個(gè)虛擬的荷載工況環(huán)境，并逐一在每一個(gè)柱子頂端增加水平力，進(jìn)而計(jì)算出每一個(gè)柱頂端的位移。

2.3同層中各個(gè)柱子之間的相互作用力

可借鑒傳統(tǒng)的長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)進(jìn)行多框架算例驗(yàn)算。如可以聯(lián)合結(jié)構(gòu)力學(xué)的矩陣位移法得到層抗側(cè)剛度。曲屈時(shí)候，柱子的失穩(wěn)的傾向較大，而受到軸力的影響來(lái)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，對(duì)比傳統(tǒng)的處理方式這種方式更加精準(zhǔn)，而且同層各柱子的相互作用力需要結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《冷彎薄壁型鋼技術(shù)規(guī)范》等來(lái)確定穩(wěn)定設(shè)計(jì)的系數(shù)。但是這種計(jì)算系數(shù)方式也存在一些問(wèn)題。

對(duì)于受力較大的柱子會(huì)受到周?chē)氖芰π≈犹峁┑闹巫饔糜绊?，若支撐作用的力度足夠大，按照?jì)算和規(guī)范的長(zhǎng)度就會(huì)小于框架無(wú)側(cè)移失穩(wěn)的長(zhǎng)度，因此需要考慮無(wú)側(cè)移失穩(wěn)的環(huán)境來(lái)計(jì)算長(zhǎng)度。第二，在風(fēng)荷載的作用下，一些軸力較小，若按照層穩(wěn)定系數(shù)公式來(lái)計(jì)算長(zhǎng)度，可能會(huì)為影響其他的柱子的長(zhǎng)細(xì)比，因此建議驗(yàn)算集合長(zhǎng)細(xì)比。第三，在軸向力小或者接近于零的狀態(tài)下，柱子的受力影響因素較多，不光長(zhǎng)細(xì)比，穩(wěn)定系數(shù)查表存在問(wèn)題，若按照常規(guī)的方式進(jìn)行計(jì)算結(jié)果可能有較大問(wèn)題，因此需要尋求其他的改進(jìn)方法。

2.4整層失穩(wěn)模式的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)研究

結(jié)合整層失穩(wěn)的框架穩(wěn)定性計(jì)算分析，層穩(wěn)定系數(shù)也反可能反應(yīng)框架有側(cè)移失穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)情況，具體設(shè)計(jì)時(shí)候不需要確定柱子的側(cè)移失穩(wěn)的相關(guān)系數(shù)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了穩(wěn)定計(jì)算的內(nèi)容。層穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算公式運(yùn)用了《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)內(nèi)容，其中長(zhǎng)細(xì)比也采用的是層長(zhǎng)細(xì)比來(lái)計(jì)算。按照整層的失穩(wěn)情況來(lái)分析，柱子的穩(wěn)定性需要單獨(dú)計(jì)算，而且在完全彈性的框架結(jié)構(gòu)中，彎矩對(duì)框架的結(jié)構(gòu)性沒(méi)有影響的，但是材料若是彈塑性的實(shí)際框架結(jié)構(gòu)，會(huì)影響整個(gè)兒框架的穩(wěn)定性。因此每一個(gè)柱的穩(wěn)定性系數(shù)確定都要分析線性環(huán)境。

3.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文總結(jié)分析了當(dāng)前常見(jiàn)的生產(chǎn)溫室結(jié)構(gòu)類(lèi)型，結(jié)合穩(wěn)定性理論和工程實(shí)際的施工進(jìn)行了論述。并結(jié)合計(jì)算長(zhǎng)度和層穩(wěn)定內(nèi)容進(jìn)行了探討，希望能夠?yàn)閮?yōu)化現(xiàn)代溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所參考借鑒。

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