基于抗风抗震的门刚托架平面外变形与安全鉴定

缪言，李梦飞，孙赞，刘浩 ，朱华，周安

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽寰宇建筑设计院，安徽 合肥 230051)

0 引言

门式刚架是目前单层工业厂房采用最广泛的一种结构形式，具有结构形式灵活、空间跨度大、施工周期短、经济效益高、构件可在工厂预制等优点。门式刚架厂房一般平面及柱网布置简单规整，但也存在因为工艺和物流要求局部需要抽柱的情况。在这种情况下，常对抽柱部位采用增设托架的方式作为门式刚架梁的竖向支承。

托架常采用平面钢桁架结构，其受力较为复杂，在竖向荷载作用下是平面内弯剪，在风荷载或水平地震作用下，抽柱榀的门式刚架因为侧向刚度降低导致水平侧移增大，引起托架的平面外变形，导致厂房整体的安全性降低，因此托架的平面外变形是门式刚架结构设计或安全鉴定中不可忽视的影响因素。本文以合肥某抽柱门式刚架物流厂房的抗风抗震鉴定为例，进行托架的平面外变形分析，并基于分析结果提出减小托架平面外变形的相关措施。

1 工程概况

合肥某已建物流厂房为单层门式刚架结构，平面尺寸为252.1m×120m，建筑总面积约3万m，结构平面布置如图1所示。门刚厂房为单脊双坡屋面，檐口高为13.70m，屋脊处高16.50m，厂房外墙面和屋面均采用带保温的压型钢板。为方便商品存储空间及物流需要，在设计时抽去了中间柱列的部分柱子，形成了边柱列柱距为6.85m，中柱列柱距为13.70m的抽柱式单层门式刚架结构体系。其中，边柱和中柱均采用H型钢，柱间设置支撑，柱脚铰接。普通榀和抽柱榀平面简图如图2所示。刚架梁采用变截面楔形梁。抽柱位置的刚架梁支承于托架，托架采用平面钢桁架形式，与刚架柱和刚架梁均为刚接。托架上下弦杆均采用250×250×8×8的方钢管，腹杆采用150×150×6×6的方钢管，托架结构如图3所示。该抽柱式门刚厂房中所有主结构均使用Q345B钢，次结构均使用Q235钢。

图1 结构平面布置图

图2 刚架简图

图3 托架结构图

2 侧移计算

2.1 荷载与地震作用取值

屋面恒荷载标准值：0.4kN/m；屋面活荷载标准值：0.5kN/m；基本风压：0.35kN/m，地面粗糙程度为B类；基本雪压（一百年）：0.7kN/m。

抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组。

2.2 风荷载作用下托架平面外变形

根据建筑结构可靠性设计统一标准的要求，采用平面刚架模型对托架在风荷载作用下的平面外挠曲变形进行计算。抽柱式门式刚架是空间结构，将空间刚架结构转化为平面刚架模型进行受力和变形计算，忽略了各榀平面刚架之间的支撑、蒙皮效应等因素对空间结构整体性的有利影响，计算方法更加简便。抽柱榀和普通榀侧移变形差值即为托架平面外变形。

风荷载作用下，普通榀和抽柱榀侧移如图4，单位均为mm。虚线表示刚架柱及托架变形前位置，实线为变形后位置。托架平面外变形计算结果如表1。

图4 风荷载作用下平面刚架侧移图

在风荷载作用下，当普通榀侧移为31.24mm，抽柱榀侧移为63.52mm时，可得各托架中平面外变形为32.28mm，则矢跨比为1/424。

2.3 地震作用下托架平面外变形

根据建筑结构可靠性设计统一标准的要求，采用平面刚架模型对托架在地震作用下的平面外挠曲变形进行计算。地震作用下，抽柱榀和普通榀侧移变形差值即为托架平面外变形。地震作用下，普通榀和抽柱榀侧移如图5，单位均为mm。虚线表示刚架柱及托架变形前位置，实线为变形后位置。托架平面外变形计算结果如表2。

图5 地震作用下平面刚架侧移图

在地震作用下，当普通榀侧移为89.42mm，抽柱榀侧移为127.87mm时，可得各托架中平面外变形为38.45mm，其矢跨比为1/356。

3 安全鉴定

相关设计规范对于抽柱式门式刚架房屋钢结构中托架的平面外挠曲变形暂时还没有明确的规定。但民用建筑可靠性鉴定标准中有对于“受弯钢结构在侧向弯曲矢高＞l/400，其中，l为构件计算跨度”情况下不适于承载的要求。基于表1、表2计算结果，参考该要求进行安全鉴定。

风荷载作用下托架平面外变形计算结果表 表1

地震作用下托架平面外变形计算结果表 表2

风荷载作用下，各托架平面外最大挠曲变形为l/424，计算结果满足风荷载作用下的可靠性要求。

地震作用下，各托架平面外最大挠曲变形为l/356，计算结果无法满足地震作用下的可靠性要求。

4 减小托架平面外变形的设计建议

在设计和鉴定抽柱式门式刚架厂房时，常常仅针对平面模型进行建模计算，忽略普通榀和抽柱榀由刚度不同而导致的侧移不一致，进而出现托架侧向弯曲，平面外变形过大，不宜继续承载的现象。因此进行托架变形分析及安全鉴定时，在建立抽柱式门式刚架各榀平面模型的基础上需验算校核风荷载和地震作用下托架的平面外变形。

在设计时，可采取以下措施减少托架的平面外变形：

①增加屋盖刚度，不仅需要设置横向和纵向连续的水平支撑系统，增强刚架的整体性，还需在托架之间设置纵向水平支撑，提高托架的稳定性与屋面整体刚度；

②严格控制托架的平面外变形，在托架与抽柱榀刚架之间设置容许一定水平位移的滑动支座，减小托架产生随抽柱榀在平面外的位移；

③增大抽柱榀梁、柱截面，并在允许范围内，减小普通榀梁、柱截面，减小抽柱榀和普通榀刚架刚度差值，协调二者梁、柱刚度；

④柱网规整的门式刚架抽柱并设置托架后，会有一部分屋面荷载传递到托架上，可能导致托架扭转变形，出现平面外失稳现象，因此，可考虑在两托架之间合理设置水平支撑和垂直支撑，增强托架平面外刚度，避免其出现平面外失稳；

⑤协调普通榀和抽柱榀柱脚刚度，尽量避免普通榀柱脚刚度强于抽柱榀刚度过多。刚架柱脚避免使用铰接，增加平面刚架刚度，减小抽柱榀和普通榀的侧向位移。