门式刚架厂房支撑设计探讨

蔡正华 韩晓健 董 军

0 引言

门式刚架在其平面内竖向荷载或水平荷载作用下,梁柱刚接可以减小结构的内力和变形。相对排架结构,门式刚架结构的截面可以适当减小,门式刚架结构体系比排架结构体系节省钢材,促使单层钢结构工业厂房广泛选用门式刚架结构体系。门式刚架结构是由门式刚架、支撑系统及其他次要构件构成的一种结构体系。CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程中提出：对于斜梁上横向水平支撑的内力,应根据纵向风荷载按支撑于柱顶的水平桁架计算;柱间支撑的内力,应根据所受纵向风荷载按支撑于柱脚基础上的竖向悬臂桁架计算;对于交叉支撑可不计压杆的受力。这种计算方法,是将门式刚架结构体系简化为平面系统,没有考虑横向水平支撑和柱间支撑的整体作用及相互影响。GB 50017-2003钢结构设计规范也没有给出计算空间结构中支撑内力及变形的简化方法。对于建立空间模型、空间结构中支撑内力与平面结构及简化模式中支撑内力有多大差别,目前还没有形成确实的理论与计算方法。

钢结构厂房纵向柱间距和跨度增大,支撑体系设计怎样保证钢结构厂房的纵向刚度和整体刚度达到设计要求是一个重要的问题。工程设计实践表明：厂房采用轻型钢板屋面以及墙面时,刚度较小,自重较轻,结构有良好的抗震性能,但是在风荷载与吊车纵向荷载工况作用下,结构的内力和变形均较大,风荷载以及吊车纵向荷载是引起柱间支撑内力以及柱列纵向位移的主要因素。对于支撑和纵向系杆的内力计算规范无明确规定,实际工程设计中弱化了支撑体系内力与刚度计算,导致厂房的纵向刚度与整体刚度降低。

1 柱间支撑

1.1 柱间支撑假定

纵向柱间支撑在承受纵向作用力时起着决定性的作用,单层工业厂房应在每一纵列设置柱间支撑,以构成各个纵向平面框架,从而保证厂房的纵向几何形状不变形,减小柱的侧向计算长度,并承受房屋端部山墙风力、吊车纵向刹车荷载、温度应力和地震作用,使之传于基础。支撑体系的布置和设计是一个重要的内容。支撑的强度和刚度是否满足要求,直接关系到厂房的安全。在进行柱列纵向作用力分析时,通常采用以下假定：

1)一般只考虑柱间支撑,忽略钢柱刚度的影响;

2)计算十字形交叉支撑时,一般仅考虑拉杆工作并假定支撑与钢柱的连接节点为铰接;

3)当纵向水平构件如吊车梁、辅助桁架等截面较大时,可忽略其轴向变形的影响;

4)纵向水平力分布在温度区段内柱列所有柱间支撑上。

1.2 支撑体系设计

支撑体系的设计原则是：

1)明确、合理、简捷地传递纵向荷载,尽量缩短传力路径;

2)保证结构体系平面外的稳定,对结构和构件的整体稳定提供侧向支点;

3)满足房屋生产净空的要求;

4)满足必要的强度、刚度要求,具有可靠的连接。

柱间支撑由以下各部分组成：

1)在吊车梁以上至屋架下弦间设置上段柱的柱间支撑,当它为双阶柱时,上下两层吊车梁之间设置中段柱的柱间支撑;

2)在吊车梁以下至柱脚处设置下段柱的柱间支撑;

3)屋架端部的垂直支撑和屋架端部上下弦标高处的纵向系杆、吊车梁、辅助桁架以及柱本身等都是柱间支撑体系的组成部分。

1.3 柱间支撑设计要求

纵向柱列支撑体系在承受和传递水平荷载的同时,还保证纵向稳定性,现行规范缺少支撑力与水平力相互组合的规定,GB 50017-2003钢结构设计规范规定支撑传递的水平力与保证稳定性的支撑力不相叠加。研究结果表明水平力与支撑力简单叠加方法计算支撑的设计要求偏低。柱间支撑体系刚度可以适当控制严格。调查还发现冶金系统的单层厂房往往因重级制吊车的要求,下柱支撑的长细比常控制在150以下,冶金厂房柱间支撑的破坏率远较其他工业系统厂房的柱间支撑的破坏率低。

2 屋面支撑

2.1 屋面支撑设置

钢结构厂房普遍采用的是有檩轻钢屋面,结构设计计算中不考虑屋面的蒙皮效应,只是作为结构承载安全储备。结构的空间刚度主要是由横向刚架、屋面水平支撑、柱间竖向支撑共同工作提供。对于门式刚架水平支撑和柱间支撑的受力模型,实际上是一个空间桁架,水平支撑是一个水平桁架,柱间支撑是一个竖向桁架,是水平桁架的支座;纵向的水平力通过纵向系杆传给各榀水平支撑,再经过支座传给柱间支撑,最后传到基础。了解了水平支撑和柱间支撑的受力模型,因此,在设置水平支撑和柱间支撑时,就必须把水平支撑和柱间支撑设置在同一纵向跨内,且第一道支撑和最后一道支撑必须设置在纵向第一跨和最后一跨内。什么时候设置刚性支撑,什么时候设置柔性支撑,这主要取决于结构承受荷载的大小,对于有中、重型吊车的结构,采用刚性支撑;对于轻型门式刚架,可采用柔性支撑。

2.2 平面模型与空间模型计算比较

平面模型简化不考虑实际结构的整体协调作用和空间效应,认为各道支撑承担相同大小的纵向水平力,即各道支撑均匀受力,考虑了柱间支撑和水平支撑的相互作用,且考虑了部分通长系杆的纵向传力作用。对于柱间支撑,考虑了系杆的传力作用,且把柱间支撑与水平支撑相互作用的约束反力作为柱间支撑系统的外力,计算模型接近实际受力情况。但是简化模式没有考虑实际纵向系杆的传力作用,因此随着支撑道数的增加,平面模型及简化模式的结果误差会越来越大。

空间模型计算,屋面水平支撑与柱间竖向支撑按空间桁架受力模型考虑,其中,门式刚架的柱和斜梁作为梁柱单元,水平支撑和柱间支撑作为二力杆单元,与柱和斜梁铰接连接。把门式刚架的柱和斜梁作为梁柱单元,水平支撑和柱间支撑作为二力杆单元,与柱和斜梁铰接连接,整个结构看成空间桁架,得到每榀屋面水平支撑和柱间支撑所受的荷载,按此荷载加在各榀水平支撑的节点上。水平支撑直腹杆内力,水平支撑斜拉杆内力和柱间支撑的拉杆内力随着水平支撑和柱间支撑道数的增加而减小。实际计算表明,纵向系杆内力随着水平支撑和柱间支撑道数的增加变化不明显,对屋面水平支撑的直腹杆和柱间支撑的拉杆内力有较大的出入,但对水平支撑的斜拉杆的影响不大。

2.3 屋面支撑设计要求

钢结构门式刚架厂房整个结构的空间整体稳定性主要由柱间支撑和屋面支撑决定,屋面支撑较柱间支撑复杂,因此,设计中应对整个结构的空间受力进行认真分析,布置合理的支撑体系,保证结构的整体稳定。屋面支撑的刚度是厂房屋面刚度的主要影响因素。屋盖刚度越大,其承担的力越大,厂房的空间作用越大。厂房纵向柱间距和跨度增大,必须加强屋面支撑刚度才能满足屋面刚度需求。加强屋面支撑刚度,提高厂房整体作用。

3 结语

门式刚架结构体系在我国应用非常广泛,多数厂房支撑体系仍然按平面简化模式计算,柱间支撑与屋面支撑分别设计,这种计算模式不适于验算厂房刚度。支撑失效情况的调查显示,支撑刚度控制严格能提高柱间支撑的安全性。

屋面水平支撑计算简化分析假定每榀支撑所受的纵向水平风荷载均相等,实际计算,随着迎风面到背风面,各榀支撑的内力逐渐减小,即迎风面处的支撑内力最大,背风面处的支撑内力最小。因此,不考虑纵向风荷载的传力途径,简化成每道水平支撑和柱间支撑所受的风荷载均相同,这样的计算结果与实际受力情况有较大的差别,以此计算的内力来设计支撑的杆件,对于迎风面的前半部分是不安全的。

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