横向超宽刚架设计实例分析

胡瑞珍 严雨 闫胜利

[摘要] 随着工业化程度的高度发展，工业厂房的规模越来越大，超长、超宽结构越来越多，温度应力对结构的影响已不能忽略。在建筑设计中，设计师必须综合考虑温度应力对主体结构和围护结构的影响，通过优化布局进行温度应力分析，使建筑物既达到使用要求，又能满足规范及计算要求。通过对结构件车间的分析，介绍超宽钢结构厂房的结构布置、内力分析及温度应力的构造处理措施等。

[关键词] 超宽结构；伸缩缝；温度应力

0. 引言

钢结构具有商品化程度高、施工速度快、综合经济效益高等优点，其市场需求越来越大，现已广泛运用于厂房、库房、体育馆、展览馆、飞机场机库等工程。随着设备的大型化、多样化、使得建造大跨度、多跨数、高立面建筑称为现实。《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）8.1.5（以下简称《规范》规定，单层房屋和露天结构的温度区段长度（伸缩缝）的间距）对采暖房屋和非采暖地区纵向温度区段要求不超过220m，横向温度区段不超过120m（柱顶刚接）和140m（柱顶铰接），否则要考虑温度应力的影响。

1. 温度荷载的类型及特点

热胀冷缩是建筑物的普遍特性。对建筑结构而言，不同体型、不同平面形式以及不同时段，温度产生的内力大小都是不同的。温度应力的大小仅与温度变化的幅度有极大的关系，还和约束有密切关系，约束强则温度应力大，无约束则不产生温度应力。温度荷载类型可分为日照温度变化、骤然温度变化和年温温度变化，各种温度荷载类型的特点如表1所示。本文主要研究年温变化下温度应力的作用。

2. 工程简介

一拖（洛阳）工程机械销售有限公司投资建设的国机重工（洛阳）产业园，位于河南省洛阳市西工区工业园内，衡山路与G310国道交汇处的东北侧，交通便利。本工程包括主厂房和生产辅房两部分，建筑面积约为46300m2，主厂房分为结构件车间和装配车间两部分，基本柱距为8m；其中结构件车间横向总宽170m，跨度均为24m，纵向总长208m，檐口高度13m；装配车间横向总宽48m，纵向总长184m，檐口高度13m。屋面为双坡自由落水，屋脊在11轴。当地冬夏温差较大。车间平面布置图见图1，剖面图见图2.

3. 结构方案

现行GB 50017-2003《钢结构设计规范》规定，当单层房屋在纵向（横向）温度区段长度超出限值时，需设置纵（横）向温度伸缩缝，否则需考虑温度变形和温度应力对结构承载力的影响。本工程中横向建筑尺度超过规范规定限值，且当地温差较大，故在设计时，必须考虑温度伸缩问题。横向超长刚架的温度伸缩问题一般有以下三种处理方案：1）对刚架不做任何处理，只在刚架计算时进行温度应力分析，考虑温度应力对刚架的影响；2）在适当的位置设置双柱，将一榀刚架分为两榀刚架，使每榀刚架的长度小于规范要求的横向温度区段的长度；3）在柱顶或梁中适当的位置设置滑动支座，用以消除温度应力。考虑结构设计应满足安全性和经济性的原则，对三种结构方案进行初步分析。在满足结构安全性的前提下，比较方案的经济性。

3.1横向不设温度伸缩缝结构方案

即第一种处理方案，对于横向总宽170m的超宽结构，不对刚架做任何处理，通过简化计算分析方法，将温度应力考虑在结构的荷载效应中，从而保障结构的安全性。

3.2横向设温度伸缩缝结构方案

3.2.1 横向双柱温度缝设置

在适当位置设置双列柱形成横向温度伸缩缝是工程设计中常用的结构方案（如图3），这种结构方案计算简单，但会导致厂房总体宽度的增加，另外需增加钢架柱27根，从而增加厂房结构建筑面积、降低了空间使用率，同时增加厂房整体用钢量及基础的费用。

3.2.2横向单柱温度缝设置

在屋面钢梁与柱顶连接节点处采用适当的构造措施（加设滑动支座等），使此节点处的柱頂在水平力作用下可产生一定位移，释放温度应力，可减小温度区段的长度。单柱横向温度缝具有较高的建筑空间利用率，经济性较好。

4.结构内力计算与分析

本文拟按横向不设温度缝、横向设双柱温度伸缩缝和横向设单柱温度伸缩缝3种结构方案分别进行结构受力计算和分析，在相同承载力水平下，按经济指标最优原则选择结构方案。

4.1 结构内力计算

4.1.1 横向不设温度伸缩缝内力计算

按横向不设温度伸缩缝结构方案，结构计算简图如图2所示。以结构承载力极限状态为设计目标，按荷载效应基本组合计算得到柱的柱脚弯矩和轴力如下表2所示

4.1.2 横向设双柱温度伸缩缝内力计算

按横向设双柱温度伸缩缝结构方案，结构计算简图如图3所示。

4.1.3 横向设单柱温度伸缩缝内力分析

按横向设单柱温度伸缩缝结构方案，通过在刚架横梁端部设置滑动支座与结构的柱顶连接，考虑滑动支座释放温度变化产生的变形，不考虑温度变化对结构承载力的影响。在水平荷载作用下，当滑动支座位移达到限值后，滑动支座两边的结构共同工作抵抗水平荷载。

4.2 内力计算结果分析

静力分析结果显示，温度应力的影响主要集中在刚架的边柱，约占10%，而对刚架中柱的影响甚小，可达到减小温度作用的目的。

5. 构造设计

通过采用在刚架横梁端部设置滑动支座，可以提供柱顶一定限值的水平位移，从而释放大部分的温度内力，当柱顶位移达到限值后，结构共同工作抵抗水平荷载。由于建筑围护体系直接受到太阳的辐射，由温度引起的变形更加严重。在解决了温度作用对结构主体的影响后，还需对建筑围护体系进行温度伸缩问题的处理，减少由温度伸缩而引起围护及主体结构的破坏。

处理围护体系温度伸缩问题的最好解决办法就是将屋面板分隔成数段，使每段均能消耗因温度收缩引起的应力，但这样会增大屋面漏水的几率。

屋面板的伸缩缝通常有两种做法，一种是通过调整屋面檩条截面高度使屋面板在断点处上、下错开；另一种做法是不改变屋面檩条的截面高度，而是通过调整檩托的高度使屋面板在断点处上、下错开；然后，再对屋面板上、下搭接处进行防水处理，滑动支座可以让屋面板在温度作用下能够有一定的滑动量。考虑本工程的实际情况，采用了第二种处理方案，即通过调整屋面檩条的檩托高度来设置屋面板伸缩缝。

6 结语

从以上对3种情况的静力分析显示，温度应力的影响主要集中在刚架的边柱，约占10%，而对刚架中柱的影响甚小，可达到减小温度作用的目的。

总的来说，温度作用对刚架的内力及截面影响较小，充分说明了通过调整结构方案。结构的长度超过规范规定且不采取释放温度应力构造时，构件所受的应力很大，削弱了结构的承载能力，加大构件的截面尺寸势必造成很大的浪费；按照《规范》的规定设置伸缩缝，这样在相同情况下每个独立结构所受的力最小，但是由于伸缩缝的存在，厂房的连续性遭到破坏，且整体造型不美观；而设置滑动支座以释放温度应力的方法集合了以上两种方法的优点，既减小了构件的受力值，控制了结构的整体纵向位移，又能较小的削弱整体结构的稳定性以满足工程工艺上的要求。这种构造措施在不增加结构造价的基础上，可有效减小单层多跨超宽钢结构结构的温度应力，对类似工程具有参考意义。

参 考 文 献

[1] GB50017—2003钢结构设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2003.

[2] 魏明忠. 厂房钢结构温度应力和区段长度（上）[J].工业建筑，1986，16（9）；48-56.

[3] 魏明忠. 厂房钢结构温度应力和区段长度（上）[J].工业建筑，1986，16（10）；51-56.

[4] GB50009—2012 建筑结构荷载规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[5] 刘晓光. 超宽超长特大型轻钢厂房的结构设计[J].建筑结构，2003，33（7）；9-12.