基于抗風(fēng)抗震的門剛托架平面外變形與安全鑒定

繆言，李夢飛，孫贊，劉浩 ，朱華，周安

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽寰宇建筑設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230051)

0 引言

門式剛架是目前單層工業(yè)廠房采用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)形式靈活、空間跨度大、施工周期短、經(jīng)濟(jì)效益高、構(gòu)件可在工廠預(yù)制等優(yōu)點(diǎn)。門式剛架廠房一般平面及柱網(wǎng)布置簡單規(guī)整，但也存在因?yàn)楣に嚭臀锪饕缶植啃枰橹那闆r。在這種情況下，常對(duì)抽柱部位采用增設(shè)托架的方式作為門式剛架梁的豎向支承。

托架常采用平面鋼桁架結(jié)構(gòu)，其受力較為復(fù)雜，在豎向荷載作用下是平面內(nèi)彎剪，在風(fēng)荷載或水平地震作用下，抽柱榀的門式剛架因?yàn)閭?cè)向剛度降低導(dǎo)致水平側(cè)移增大，引起托架的平面外變形，導(dǎo)致廠房整體的安全性降低，因此托架的平面外變形是門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或安全鑒定中不可忽視的影響因素。本文以合肥某抽柱門式剛架物流廠房的抗風(fēng)抗震鑒定為例，進(jìn)行托架的平面外變形分析，并基于分析結(jié)果提出減小托架平面外變形的相關(guān)措施。

1 工程概況

合肥某已建物流廠房為單層門式剛架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為252.1m×120m，建筑總面積約3萬m，結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。門剛廠房為單脊雙坡屋面，檐口高為13.70m，屋脊處高16.50m，廠房外墻面和屋面均采用帶保溫的壓型鋼板。為方便商品存儲(chǔ)空間及物流需要，在設(shè)計(jì)時(shí)抽去了中間柱列的部分柱子，形成了邊柱列柱距為6.85m，中柱列柱距為13.70m的抽柱式單層門式剛架結(jié)構(gòu)體系。其中，邊柱和中柱均采用H型鋼，柱間設(shè)置支撐，柱腳鉸接。普通榀和抽柱榀平面簡圖如圖2所示。剛架梁采用變截面楔形梁。抽柱位置的剛架梁支承于托架，托架采用平面鋼桁架形式，與剛架柱和剛架梁均為剛接。托架上下弦桿均采用250×250×8×8的方鋼管，腹桿采用150×150×6×6的方鋼管，托架結(jié)構(gòu)如圖3所示。該抽柱式門剛廠房中所有主結(jié)構(gòu)均使用Q345B鋼，次結(jié)構(gòu)均使用Q235鋼。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 剛架簡圖

圖3 托架結(jié)構(gòu)圖

2 側(cè)移計(jì)算

2.1 荷載與地震作用取值

屋面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.4kN/m；屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.5kN/m；基本風(fēng)壓：0.35kN/m，地面粗糙程度為B類；基本雪壓（一百年）：0.7kN/m。

抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

2.2 風(fēng)荷載作用下托架平面外變形

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用平面剛架模型對(duì)托架在風(fēng)荷載作用下的平面外撓曲變形進(jìn)行計(jì)算。抽柱式門式剛架是空間結(jié)構(gòu)，將空間剛架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面剛架模型進(jìn)行受力和變形計(jì)算，忽略了各榀平面剛架之間的支撐、蒙皮效應(yīng)等因素對(duì)空間結(jié)構(gòu)整體性的有利影響，計(jì)算方法更加簡便。抽柱榀和普通榀側(cè)移變形差值即為托架平面外變形。

風(fēng)荷載作用下，普通榀和抽柱榀側(cè)移如圖4，單位均為mm。虛線表示剛架柱及托架變形前位置，實(shí)線為變形后位置。托架平面外變形計(jì)算結(jié)果如表1。

圖4 風(fēng)荷載作用下平面剛架側(cè)移圖

在風(fēng)荷載作用下，當(dāng)普通榀側(cè)移為31.24mm，抽柱榀側(cè)移為63.52mm時(shí)，可得各托架中平面外變形為32.28mm，則矢跨比為1/424。

2.3 地震作用下托架平面外變形

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用平面剛架模型對(duì)托架在地震作用下的平面外撓曲變形進(jìn)行計(jì)算。地震作用下，抽柱榀和普通榀側(cè)移變形差值即為托架平面外變形。地震作用下，普通榀和抽柱榀側(cè)移如圖5，單位均為mm。虛線表示剛架柱及托架變形前位置，實(shí)線為變形后位置。托架平面外變形計(jì)算結(jié)果如表2。

圖5 地震作用下平面剛架側(cè)移圖

在地震作用下，當(dāng)普通榀側(cè)移為89.42mm，抽柱榀側(cè)移為127.87mm時(shí)，可得各托架中平面外變形為38.45mm，其矢跨比為1/356。

3 安全鑒定

相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于抽柱式門式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)中托架的平面外撓曲變形暫時(shí)還沒有明確的規(guī)定。但民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)中有對(duì)于“受彎鋼結(jié)構(gòu)在側(cè)向彎曲矢高＞l/400，其中，l為構(gòu)件計(jì)算跨度”情況下不適于承載的要求。基于表1、表2計(jì)算結(jié)果，參考該要求進(jìn)行安全鑒定。

風(fēng)荷載作用下托架平面外變形計(jì)算結(jié)果表 表1

地震作用下托架平面外變形計(jì)算結(jié)果表 表2

風(fēng)荷載作用下，各托架平面外最大撓曲變形為l/424，計(jì)算結(jié)果滿足風(fēng)荷載作用下的可靠性要求。

地震作用下，各托架平面外最大撓曲變形為l/356，計(jì)算結(jié)果無法滿足地震作用下的可靠性要求。

4 減小托架平面外變形的設(shè)計(jì)建議

在設(shè)計(jì)和鑒定抽柱式門式剛架廠房時(shí)，常常僅針對(duì)平面模型進(jìn)行建模計(jì)算，忽略普通榀和抽柱榀由剛度不同而導(dǎo)致的側(cè)移不一致，進(jìn)而出現(xiàn)托架側(cè)向彎曲，平面外變形過大，不宜繼續(xù)承載的現(xiàn)象。因此進(jìn)行托架變形分析及安全鑒定時(shí)，在建立抽柱式門式剛架各榀平面模型的基礎(chǔ)上需驗(yàn)算校核風(fēng)荷載和地震作用下托架的平面外變形。

在設(shè)計(jì)時(shí)，可采取以下措施減少托架的平面外變形：

①增加屋蓋剛度，不僅需要設(shè)置橫向和縱向連續(xù)的水平支撐系統(tǒng)，增強(qiáng)剛架的整體性，還需在托架之間設(shè)置縱向水平支撐，提高托架的穩(wěn)定性與屋面整體剛度；

②嚴(yán)格控制托架的平面外變形，在托架與抽柱榀剛架之間設(shè)置容許一定水平位移的滑動(dòng)支座，減小托架產(chǎn)生隨抽柱榀在平面外的位移；

③增大抽柱榀梁、柱截面，并在允許范圍內(nèi)，減小普通榀梁、柱截面，減小抽柱榀和普通榀剛架剛度差值，協(xié)調(diào)二者梁、柱剛度；

④柱網(wǎng)規(guī)整的門式剛架抽柱并設(shè)置托架后，會(huì)有一部分屋面荷載傳遞到托架上，可能導(dǎo)致托架扭轉(zhuǎn)變形，出現(xiàn)平面外失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，可考慮在兩托架之間合理設(shè)置水平支撐和垂直支撐，增強(qiáng)托架平面外剛度，避免其出現(xiàn)平面外失穩(wěn)；

⑤協(xié)調(diào)普通榀和抽柱榀柱腳剛度，盡量避免普通榀柱腳剛度強(qiáng)于抽柱榀剛度過多。剛架柱腳避免使用鉸接，增加平面剛架剛度，減小抽柱榀和普通榀的側(cè)向位移。