浅析工业建筑刚架结构选型

2013-08-16杨华中

山东工业技术 2013年10期

李伟杨华中

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070）

0 前言

现代工业生产任务各不相同且种类繁多，工业建筑即是为了满足各种工业生产需要和工艺要求而建造的建筑物。生产工艺、工业原料和制成品运输路线以及工业生产设备布置顺序决定了工业建筑平面形状和布置。由于现代工业生产工艺复杂，工业建筑往往要求能够同时布置多台大体量设备，且有不同型号运输和起重设备通行，致使工业建筑内部需形成较高较大通敞空间，同时，为了满足建筑室内环境和屋顶防水排水各项要求，致使工业建筑屋顶面积大且构造复杂。与民用建筑相比，工业建筑对结构设计要求更高。

工业建筑按层数分为单层、多层和高层建筑，工业建筑的结构类型包括排架结构、刚架结构、拱结构等。其中单层刚架工业建筑具有内外交通联系方便、杆件较少和结构内部空间较大利于大型设备布置等优点，是应用较多的一种类型。

1 刚架结构的种类

建筑刚架结构是指由梁柱通过刚性节点联接的单层建筑结构，当刚架横梁与立柱刚接夹角大于90 时，又称为“门式刚架”。门式刚架由于横梁斜向布置使室内空间加大，并且由结构形成屋面排水坡度节省了构造找坡的材料和费用。门式刚架屋面多使用轻型屋面结构，屋面排水坡度常用i=1/8～1/20。

按照结构体系几何不变组成规则，单层刚架结构可布置为三铰刚架、两铰刚架和无铰刚架三种类型，分别如图1 所示。三铰刚架为静定结构，两铰刚架为一次超静定结构，无铰刚架为三次超静定结构。

图1 单层平面刚架简图

2 刚架结构的受力特点及节点构造

由于梁柱刚接而形成互为约束，单层刚架结构在常规工业建筑荷载作用下内力得到优化，与排架结构比较，梁柱弯矩均有所降低，故刚架结构受力比排架结构优越。但是，当结构跨度较大时，刚架结构单根构件长度过大刚度降低，尤其是在吊车起重量较大情况下大跨度刚架结构不能满足建筑结构适用度和经济性要求。单层刚架工业建筑常用跨度为9m～36m，建筑高度一般不超过10m。

从结构组成上看，三种单层刚架结构均可作为承受荷载的结构形式，但是在相同荷载作用下，三种刚架结构的内力响应和结构适应性存在显著差别，构造方式及经济性也各不相同。三铰刚架为静定结构，在荷载作用下梁柱节点处弯矩较大，屋脊节点和支座节点处无弯矩存在，当地基基础存在不均匀沉降时，不会产生结构附加内力，但结构整体刚度较差。两铰刚架是超静定结构，结构整体刚度较大，由于梁柱刚接和屋脊节点刚接使得梁柱弯矩有所降低，柱与基础铰接使基础顶面无弯矩作用，降低了材料消耗量。无铰刚架超静定次数更高使结构整体刚度进一步增大，但其对基础不均匀沉降较敏感，且由于基础顶面存在弯矩作用使基础材料消耗量显著增加。

三铰刚架有三个铰接节点（即两个柱与基础铰接支座节点和一个屋脊铰接节点），由于柱与基础铰接使得柱底无弯矩，钢筋混凝土三铰刚架结构柱底铰接节点需使用杯口基础与预制柱柔性连接构造，钢结构则需使用铰接柱脚，当柱底反力不大时可设计成板式铰接柱脚；屋脊处铰接点处理也应保证有足够的转动能力。两铰刚架的两个支座节点为铰接节点，构造方式与三铰刚架相同；屋脊处为刚性节点，钢筋混凝土刚性节点可采用整浇弯折梁节点构造，钢结构则可采用高强螺栓群刚性节点构造。无铰刚架所有节点均为刚性节点，节点处理时需保证能够传递弯矩。

3 刚架结构支撑系统设置

在结构整体布置过程中，应使结构在纵横两个方向均具有足够的刚度，而刚架结构是一种典型的横向平面结构，在建筑刚架结构纵向需通过设置支撑系统以满足纵向刚度要求。支撑系统包括；屋面支撑和柱间支撑，屋面支撑设于温度区段两端开间和设有柱间支撑开间处，屋面支撑采用交叉型张进圆钢，在其它开间需设置纵向刚性系杆；柱间支撑一般设于结构两端和温度区段中部。