大跨度厂房自稳定屋架分析与计算

李 麟

(攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司，四川 攀枝花 617000)

1 概述

攀钢钒原料场主厂房长300 m，宽234 m，局部不规则，净高30 m，采用两跨钢排架结构，柱距30 m，大跨屋架檐口高度36.20 m，屋脊高度44.0 m，两端山墙采用独立抗风柱系统，中间屋架均采用自稳定四管立体桁架，钢柱也采用自稳定四管格构柱，屋架跨度为151 m+77.5 m，檩条及墙梁均采用三管桁架檩条，并采用一端焊接，一端滑动支座。屋架及钢柱均采用Q345B钢材，主厂房空间结构图见图1。

本工程由于屋架跨度较大，远超国家规范及行业要求，且屋架及钢柱均采用自稳定体系，因此本文对大跨度自稳定屋架进行分析与计算。

2 结构尺寸及荷载

2.1 几何外形

2.2 荷载取值

1)结构自重：由程序自动考虑；

2)屋面恒载：0.3 kN/m2；

3)屋面活载：0.3 kN/m2；

4)基本参数：结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，结构重要性系数1.0；

5)风荷载：基本风压为0.4 kN/m2，地面粗糙度为B类，风荷载体型系数及高度系数均按荷载规范取值；

6)温度作用：根据攀枝花气象资料，设计温度变化范围为5 ℃～45 ℃，合龙温度考虑15 ℃；

7)地震作用：本工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度(0.15g)，水平地震影响系数最大值为0.12，按第三组考虑，竖向地震影响系数最大值为0.078，按第一组考虑。

3 计算模型及主要计算结果

3.1 计算模型及软件选取

结构部分主要采用SAP2000进行设计计算，取单榀钢柱及屋架建模，三维模型见图3。

3.2 模态计算结果

模态计算结果详见表1，结构前三阶特征明显，分别为一阶模态：大跨度屋架平面外平动；二阶模态：小跨度屋架平面外平动；三阶模态：大跨度屋架平面内竖向平动。

表1 模态分析结果

3.3 变形计算结果

3.3.1竖向变形结果

大跨度屋架跨中在恒荷载与活荷载标准组合作用下，其最大挠度为422.8 mm，为跨度的422.8/151 000=1/357，满足限值要求。经复核，大跨度屋架跨中在屋架自重及屋面荷载标准组合作用下，其最大挠度为282 mm。屋架、檩条及屋面瓦施工完毕后，测得的竖向变形见表2，考虑施工误差及实际屋面恒载(屋面瓦+檩条重量)小于0.3 kN/m2，产生挠度与计算值基本符合。

表2 屋架竖向变形

3.3.2水平变形结果

Y向风荷载作用下，刚架柱顶水平位移为61.23 mm，为柱高度的61.23/30 500=1/498，满足限值要求。

3.3.3多遇地震水平位移

重力荷载代表值+多遇地震作用下，大跨度屋架跨中竖向位移为291.31 mm，为跨度的291.31/151 000=1/518，满足限值要求。

多遇地震作用下，大跨度屋架上弦跨中X向位移为47 mm，为柱高度的47/44 000=1/936，满足限值要求。

3.4 结构整体稳定性分析

特征值屈曲分析：结构屈曲模式表现为面外失稳形态，屈曲因子为 7.37。

1)采用ANSYS软件，对刚架进行荷载—位移全过程分析。分析考虑几何非线性、材料非线性及结构整体初始几何缺陷。缺陷分布模式取结构一阶屈曲模态，缺陷幅值取跨度的 1/300。通过分析得到结构荷载系数—跨中上弦节点面外位移曲线，如图4所示，其中结构荷载系数是指曲线上各点的加载值与(1.0恒载+1.0活载)的比值，荷载系数最大值即为结构的安全系数。参考JGJ 7—2010空间网格结构技术规程的相关规定，当按弹塑性全过程分析时，结构安全系数应为2.0。由曲线可知，荷载系数最大值为2.295，结构承载力满足规范要求。

2)采用NIDA软件进行复核，对刚架进行荷载—位移全过程分析。分析考虑几何非线性、材料非线性及结构整体和构件初始几何缺陷。缺陷分布模式取结构一阶屈曲模态，缺陷幅值取跨度的1/300。通过分析得到结构荷载系数—跨中上弦节点面外位移曲线，如图5所示，其中结构荷载系数是指曲线上各点的加载值与(1.2恒载+1.4活载)的比值，荷载系数最大值即为结构的安全系数。由曲线可知，荷载系数最大值为1.530，结构承载力满足规范要求。

4 结语

1)自稳定立体桁架屋架的结构设计时，其竖向平面内承受恒载、活载及竖向地震作用，平面外承受水平地震作用，整体上属于受弯构件，因立体桁架高度高，且纵向没有布置垂直支撑，使得侧向稳定成为一个起控制的破坏模式之一，所以屋架宽度对屋架平面外稳定性起决定性的作用,本工程屋架宽度与跨度之比为6/151=1/25。

2)屋架在静力荷载作用下的控制荷载为1.2恒+1.4活，参考JGJ 7—2010空间网格结构技术规程的相关规定，进行弹塑性全过程分析，并采用直接分析法分析进一步复核，结果均满足规范要求。

3)屋架在地震作用下的稳定性主要考虑屋架顶端侧的位移，在多遇地震作用下，大跨度屋架上弦跨中X向位移为47 mm，为柱高度的47/44 000=1/936，那么设防地震作用下(地震影响系数0.34)，位移为柱高的1/330，所以在设防地震作用下，屋架稳定性也可以满足规范要求。