门式刚架抗地表变形的研究现状分析

侯永琦 杨秀英

（聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000）

0 引言

门式刚架是一种传统的结构体系，该类结构的上部主构架包括刚架斜梁、刚架柱、支撑、檩条、系杆、山墙骨架等。门式刚架轻型房屋钢结构具有受力简单、传力路径明确、构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点，因此广泛应用于工业、商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中。然而，地下资源的开发和利用，不可避免地会破坏地下岩体，引起地表变形，导致门式刚架结构变形，从而影响建筑物的正常使用和结构的安全。因此，对门式刚架抗地表变形能力的研究十分必要。本文仅从门式刚架抗地表变形平面分析研究现状、空间分析现状以及蒙皮效应的研究现状进行综述。

1 地表变形的破坏作用

我国软土地区分布十分广泛，随着经济水平及建筑需求的发展，人们加大了对地下资源的开发和利用，而这不可避免地会破坏地下岩体，引起岩土体内的应力重分布，岩层产生移动、变形和破坏，形成一个变形区，从而影响地面建筑物、构筑物的基础，使其产生附加应力和位移，严重影响建筑物的正常使用和结构的安全。《建筑地基基础设计规范》规定，对于设计等级为甲级、乙级的建筑物均应按地基变形设计。

当地表易变形的上部结构受影响后，将产生附加内力，因地表变形而造成建筑破坏的案例时有发生。如某门式刚架轻钢厂房发生不均匀沉降使多处墙体出现裂缝（见图1），上海闵行区某楼体整体倾覆（见图2）。面对地表变形对建筑物产生的破坏，为了确保对门式刚架应用的可靠性，不得不对其抗地表变形的能力进行研究。

图1 墙体裂缝图

图2 楼体倾覆图

2 门式刚架抗地表变形的研究现状

2.1 门式刚架抗地表变形平面分析研究现状

由于模拟技术上的限制，门式刚架结构的传统研究主要以平面内分析为主，对于结构简单，纵向刚度小的建筑可以获得较为合理的结果。已有门式刚架抗地表变形研究主要为抗变形能力、平面内稳定性及承载力方面。

周淑春，吕恒林等[1]在模拟试验的基础上，通过粘接-滑移本构关系对上部结构、局部基础进行建模，分别对地表在拉伸、压缩、倾斜及正负曲率变形条件下的结构内力、位移反应进行计算，并提出基础联系梁、柱顶拉杆等加固措施。

丁平，夏军武等[2]使用有限元软件模拟钢框架结构柱脚在地表变形过程中的内力变化规律，分析出柱脚内力最大值时对应的地表位置，计算结果表明，对抗地表变形结构设计时，应考虑附加内力的影响，特别是边柱柱脚的剪力、弯矩，中柱的轴力。

王元清，章军等[3]对单跨、双跨以及有无吊车等多种门刚结构在地基沉降情况下结构所受的影响进行模拟分析，对梁端、跨中、柱顶及柱脚等敏感部位附加变形及内力进行探究，结果表明，规范[4]对于地基沉降限值的规定较为保守，依据规范计算结果均满足设计要求。

吕恒林，周淑春等[5]在土与结构物界面的粘接-滑移本构模型试验研究结果的基础上，通过ANSYS有限元分析软件对一榀24m跨门式刚架在多种地表变形条件下的附加内力和位移反应进行分析，并对不同加固保护措施的适用效果进行探讨。

卜令全，侯智超等[6]以一双跨门式刚架为研究对象，对各种地基变形情况下的刚性中柱刚架结构及摇摆中柱刚架结构的力学性能进行模拟分析。结果表明，地表变形情况下中柱连接方式对结构抗变形能力影响较小，从经济角度考虑，设计时应优先考虑中柱铰接（即摇摆柱）结构形式。

卜令全，夏军武等[7]对一双跨带吊车门式刚架进行研究，对一榀刚架及下部基础进行建模，通过柱脚、柱顶、牛腿处及梁端等敏感部位的计算数据与试验结果进行对比，验证模拟方法的正确性，得到结构在多种地表变形情况下附加内力、附加变形的变化规律及控制部位，并验证变截面梁在地表变形情况下的可行性。

袁浩文[8]对一单跨门式刚架在地表变形情况下结构的平面内稳定性进行分析，在对模拟数据与试验对比后，发现通过对柱脚施加位移荷载模拟地表变形形式较为合理。通过对不同地表变形情况下的非线性稳定性计算，对比发现结构极限承载力有明显变化，并对结构失稳过程中塑性位置出现顺序进行探讨。

夏翔[9]以单跨半刚性门式刚架为研究对象，对其在竖向不均匀沉降、拉伸及压缩地表变形情况下的平面内稳定性及机理进行研究，通过非线性分析与足尺试验数据对比验证模型计算的正确性，发现其中以竖向不均匀沉降对结构影响最小，拉伸地表变形影响最大。

由以上可知，对于门式刚架抗地表变形的平面分析已有一定研究，通过对柱脚或局部地基施加位移荷载以模拟土体移动，分析附加内力影响及平面内变化规律，对于纵向传力构件布置简单的结构可以获得较合理的结果。而对于纵向布置较复杂的门刚结构，在地表变形后必将影响相邻平面刚架，且实际地表变形往往并非单一柱脚产生位移，此时采取平面分析将与实际结果产生一定偏差。

2.2 考虑空间效应的门式刚架抗地表变形研究现状

随着建筑需求的日益提高，出现越来越多跨度大、纵向结构布置不同的结构，特别是质量、刚度不均，高低错落类的结构，随着模拟技术的提升，此时宜考虑实际结构的空间协同作用。苏妮娜[10]使用SAP2000有限元软件对竖向荷载下门刚的空间作用进行研究，通过与现场静载试验数据对比发现，结构在荷载作用下有一定的空间作用，其中以端部支撑贡献最大，在设计中不应忽略。徐天进[11]对门式刚架结构进行平面、空间模型对比分析，空间模型平面外支撑体系对结构空间作用存在影响，平面模型的计算复核偏于保守，在设计中不应忽略空间作用。李庆武，吴从超[12]以某单层钢结构厂房为例，建立空间、平面分析模型，通过调整结构布置，对空间作用影响的主要因素进行分析。结果表明，在计算刚架平面内地震作用时，考虑空间作用的影响是必要的。目前对于地表变形情况下的轻钢结构空间作用分析已有一定研究，通过考虑纵向传力构件可使计算结果更贴合实际情况，使整体结构附加内力的形成原因及传递路径更加明确，得到直观的附加变形影响范围。

夏军武，王宽如等[13]使用ANSYS有限元软件对一单跨门刚结构进行空间建模，依据采动区地表变形的规律，对地表变形情况下门式刚架结构所受影响进行数值模拟研究。分析门式刚架抗地表变形性能及不同部位受附加内力的情况，得出地基、基础协同作用对上部结构变形，附加内力有较大影响，及基础形式的不同对建筑物附加内力的影响最大等有效结论。

胡敬礼，刘宏伟等[14]对门式刚架及下部结构进行整体建模，分析不同柱脚固定方式、增设柱根/柱脚拉杆等措施下不同模型在不同地表变形情况下的抗影响能力，并指出不同改进措施下对不同地表变形情况作用的有效性。

夏军武，王守祥等[15]对一大跨门式刚架结构进行整体建模，研究此类结构整体变形特点及不同部位的受力情况，并提出可变铰支座、基础与地基加入滑移层、柱端拉杆等抗影响措施。

吕飞飞[16]以某钢结构厂房为研究对象，采用理论分析及工程调查相结合的方法，利用空间有限元的方法对软土地基情况下地表变形的空间作用效应进行全面分析。文中通过空间分析与平面分析的对比，发现特别当结构空间刚度较大时，产生的附加内力要比平面模型大许多，并建立与空间结构分析等效的平面结构分析方法。

侯智超，夏军武等[17]以门式刚架空间结构为研究对象，对其进行建模分析，研究采动区空间门式刚架在不同地表变形位置的附加变形及附加内力的变化规律。其结果表明处于地表沉陷盆地最大沉降点时，空间门式刚架结构受影响最小。

王国渝，余绍峰[18]结合某软土地基上带轻型吊车大型单层厂房沉降观测数据，对沉降产生的原因进行分析，通过有限元软件对结构进行整体建模，在考虑空间作用下计算不同沉降差对结构产生附加内力的不同。结果表明，当实际沉降在规范限值内时，其附加内力可忽略，当接近限值时，杆件的控制内力的最不利波动在承载力的10%～15%，设计中应考虑附加内力的影响。

2.3 蒙皮效应研究现状

蒙皮效应是指在建筑物的表面覆盖材料（屋面板和墙板），利用本身的刚度和强度对建筑物整体刚度起到加强作用。蒙皮效应会提高结构的整体刚度，使结构侧移减小，在平面内具有一定的抗剪强度，要充分研究门式刚架结构的空间性能，宜对蒙皮效应进行考虑。

陈剑[19]通过试验探究将蒙皮体开洞对蒙皮效应的影响，并使用ANSYS有限元软件进行拓展分析，获得基于蒙皮洞改变下多种模型的计算结果，分析其影响规律。

卢枫林，董刘方等[20]对门式刚架蒙皮效应进行模拟分析，通过对比有无蒙皮系统的两种模型，发现蒙皮效应对结构整体的竖向和水平位移有较大的限制作用。

杨彦[21]通过有限元软件对某单层门刚厂房的蒙皮效应进行对比分析，发现蒙皮效应对单层厂房的影响十分显著，在结构设计时应充分考虑蒙皮效应带来的实际影响，并制定相应的规范。

肖亚明，朱蔷[22]通过对比有无蒙皮系统在静力和模态分析的计算结果，发现蒙皮效应显著提高了结构的整体刚度，结构侧移有效减小。

李烨，殷小珠等[23]利用东京数据库相关风洞数据对考虑蒙皮效应下门刚的风振响应进行分析，结果表明蒙皮效应提高了结构的自振频率，并减小了结构的自振周期。

戴素娟，李婷等[24]在模拟试验对比的基础上，探讨蒙皮板厚度及框架柱长细比对结构受力及变形的影响规律，发现蒙皮作用随厚度的增加而增强，在设计中应考虑蒙皮效应带来的经济效益。

综上来看，蒙皮效应对结构受力性能的提升显著，而对于地表变形控制下的研究较少，在此类研究中应在空间分析的基础上对此类围护结构进行考虑从而探讨其对附加应力、变形的影响规律，以求安全、经济最大化。

3 结束语

现阶段对于平面、空间门式刚架抗地表变形已进行了一定的研究，主要集中在门式刚架抗变形能力、平面内稳定性及承载力方面。空间、平面门式刚架对比计算中，由于考虑了纵向传力构件使得部分部位计算结果差距较大，甚至出现变号的情况，在计算复核时宜考虑空间计算情况下不利附加内力控制位置。门式刚架的平面分析较空间整体分析计算复核偏于保守，且为考虑上部结构、下部基础在地表变形情况下的协同作用，使计算结果更加偏向实际，空间门式刚架分析不应忽略。已有研究中对于抗地表变形情况下的蒙皮效应研究较少，围护结构对地表发生变形后附加内力影响范围及结构附加变形将产生一定变化，随着模拟技术的进步宜在研究中加以考虑。大型、重型厂房建造需求增加，而对大跨、多跨门式刚架抗地表变形的研究却较少，缺少地表变形作用下大型厂房的结构分析。由此可见，基于空间协同作用下的蒙皮效应及对于大跨、多跨厂房研究是门式刚架抗地表变形的研究应引起重视，其研究成果可为地表易变形的大跨、多跨厂房门式刚架结构设计提供实际理论指导及加固建议。