門式剛架輕房屋鋼結(jié)構(gòu)屋面支撐布置探討

門式剛架輕房屋鋼結(jié)構(gòu)屋面支撐布置探討

門型剛架結(jié)構(gòu)的建筑采用優(yōu)質(zhì)高效建筑材料（大大降低了結(jié)構(gòu)的脹冷結(jié)構(gòu)的水溫）和集耐候性和防水性于一體的優(yōu)質(zhì)壓板護(hù)理系統(tǒng)。此外，還宣傳和推廣了《門型剛結(jié)構(gòu)房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（ceps102:2002）（以下簡稱“門規(guī)”），使設(shè)計師能夠設(shè)計適應(yīng)性強(qiáng)的建筑結(jié)構(gòu)體系，使大跨度和大柱網(wǎng)成為門型剛架建筑的標(biāo)志。在這樣的情況下探討一種有效的屋面支撐布置形式很有必要。作為工程師當(dāng)然愿意在每一個柱列設(shè)置柱間支撐,以滿足“門規(guī)”所建議的柱間支撐不超過60m的要求。但在實(shí)際設(shè)計中業(yè)主更愿意堅持安全無障礙的空間布局要求,或者柱網(wǎng)跨度本身已超過60m的限值。這時屋面支撐在水平風(fēng)荷載作用下,其跨中變形將增大,由于重力二階效應(yīng),會對屋面支撐產(chǎn)生附加水平力,同時作為桁架弦桿的屋面梁中也會產(chǎn)生較大軸力,為消除這種不利因素,對常用的屋面支撐布置形式進(jìn)行改進(jìn)是有必要的。1屋面支撐的剛度對于屋面支撐桁架,由于屋面梁的強(qiáng)軸平面垂直于支撐桁架平面,作為桁架弦桿的屋面梁,其彎曲次應(yīng)力通常很小,可以忽略,所以屋面支撐桁架在水平荷載作用下,受壓的斜腹桿退出工作時,可以視為靜定的桁架。由結(jié)構(gòu)力學(xué)知,當(dāng)靜定的桁架結(jié)構(gòu)處于線彈性范圍內(nèi)時,位移由計算,該式中包含了斜腹桿的軸向拉伸變形,直腹桿的軸壓變形,以及弦桿的軸向變形引起的位移。由文獻(xiàn)可得屋面支撐由腹桿軸向變形引起的跨中最大水平變形為:式中,Ai為各支撐斜腹桿的截面積;H為桁架矢高;θi為各斜腹桿與直腹桿的夾角。作為受彎構(gòu)件的梁,當(dāng)其跨高比大于1/10時,可以忽略其腹板剪切變形僅計入彎曲變形,這時其位移計算簡化公式為(L為梁的跨度),而桁架的截面慣性矩由文獻(xiàn)可得近似計算公式為Ix=0.9ΣAid2(式中,A,為桁架弦桿截面積,d為弦桿至桁架中和軸的距離),由此可以將桁架位移的公式(1)簡化為公式(2):式中,Ni為各腹桿的軸力;AFi為各支撐腹桿的截面積;H為桁架矢高;θFi為各斜腹桿與直腹桿的夾角;Mmax為桁架在水平荷載作用下跨中最大彎矩;L為桁架的跨度;AXi為桁架弦桿的截面積;dXi為弦桿至桁架中和軸的距離。通常屋面橫向支撐設(shè)置在溫度區(qū)段的端部第一或第二個開間,當(dāng)建筑物縱向較長時,則在中間區(qū)段均勻布置橫向支撐,且支撐間距離宜小于60m。各道橫向支撐均勻承擔(dān)縱向水平荷載。其布置見圖1。屋面支撐的計算模型可以簡化為兩端鉸接支撐于邊柱柱間支撐上的水平桁架,見圖2。2屋面支撐系統(tǒng)縱向水平力本工程位于某沿海城市的開發(fā)區(qū),廠房檐口高11.0m,寬120m(4×30m),長153m,縱向柱距9m,橫向抗風(fēng)柱柱距10m。屋面自重D=0.20kN/m2,屋面懸掛荷載C=0.40kN/m2,基本雪壓S0為0.0kN/m2,基本風(fēng)壓ω0=0.80kN/m2,地面粗糙度為B類,抗震設(shè)防烈度為7度,地面加速度A=0.15g,第一組。考慮到廠房比較高大,抗風(fēng)柱柱距為10m,而且風(fēng)壓較大,所以抗風(fēng)柱柱腳采用固接,以便減小抗風(fēng)柱柱頂傳到屋面支撐系統(tǒng)縱向水平力。屋面梁截面為H800×200×6×10,屋面支撐采用φ28圓鋼,屋面剛性系桿采用φ140×4.5焊接鋼管。廠房中柱柱列不設(shè)置柱間支撐,僅在兩個邊柱柱列各設(shè)置4道柱間支撐,支撐采用L125×8角鋼。屋面常規(guī)支撐布置見圖3。由式(2)可得屋面支撐跨中由斜拉桿軸向變形引起的位移為:由桁架直腹桿壓縮變形引起的位移為:由作為弦桿的屋面梁軸向變形引起的位移為:為了驗(yàn)證計算結(jié)果,筆者用SAP2000進(jìn)行空間整體建模計算,為了模擬支撐斜桿在水平荷載作用下受壓時退出工作,對屋面支撐及柱間支撐斜桿進(jìn)行拉壓限定,并將縱向水平風(fēng)荷載工況設(shè)為非線性,計算時分兩種情況:第一種情況,不對屋面梁的軸向橫截面積作調(diào)整,這樣可以計算出屋面支撐的總位移;第二種情況,將屋面梁的軸向橫截面積調(diào)整系數(shù)乘以1000的放大系數(shù),這樣不計入由于屋面梁軸向變形引起的位移,從而可以單獨(dú)計算出由于屋面支撐腹桿軸向變形引起的位移,同時這兩個位移值之差即為由于屋面梁軸向變形引起的桁架位移。計算結(jié)果見表1。由表1中屋面支撐跨中位移可得廠房中柱柱頂位移角為(44.2329+3.7754)/11000=1/229。屋面支撐的位移形狀類似兩端簡支于邊柱柱間支撐的簡支梁,屋面梁由水平荷載產(chǎn)生的最大軸力也可由Mmax/H求得,Nmax=Mmax/H=720×105/9000=80kN,略小于由SAP2000計算的結(jié)果83.0856kN。3屋面橫向支撐體系的啟發(fā)1)方案一由于本工程屋面懸掛荷載較大,在重力荷載作用下會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大附加傾覆力矩。對此,文獻(xiàn)提出了一種改善方案。其布置見圖4。這種方案的思路是,在屋面橫向水平支撐道數(shù)不變的前提下,將相鄰的兩道水平支撐連續(xù)布置,使水平支撐桁架的矢高加大一倍,從而使支撐桁架的慣性矩增大4倍,相應(yīng)的水平支撐跨中最大位移將減小一半。但由公式(2)可知,在屋面支撐道數(shù)、規(guī)格不變的前提下,支撐桁架由腹桿軸向變形引起的位移不會發(fā)生變化,桁架矢高加大一倍僅使屋面梁軸向變形引起的位移減小了一半。由式(2)計算得屋面支撐位移為:∑△i=19.258+23.4034/2=30.9597mm。經(jīng)SAP2000空間整體建模計算結(jié)果見表2。由表2中數(shù)據(jù)可知,改進(jìn)后屋面支撐的位移比常規(guī)布置方案減小了28.4%。2)方案二受高層鋼結(jié)構(gòu)中巨型框架體系的啟發(fā),結(jié)合方案一,在主體水平支撐桁架間配以局部小桁架,分別設(shè)置在廠房的兩側(cè)檐口以及跨度的三分點(diǎn)處,從而將屋面支撐形成巨型框架體系。這時,屋面橫向支撐由于受到縱向支撐嵌固,在水平荷載作用下,跨中彎矩明顯減小,抗側(cè)剛度進(jìn)一步加大,而且屋蓋的整體剛度得到加強(qiáng)。需要注意的是,首先,屋面橫向支撐斜桿的內(nèi)力最大值發(fā)生在橫向支撐的端部第二跨,不象前兩種方案發(fā)生在端跨,這是因?yàn)榭v、橫向支撐相交形成類似框架梁柱的剛性節(jié)點(diǎn)域,支撐端斜桿類似于節(jié)點(diǎn)域的斜加勁肋,節(jié)點(diǎn)區(qū)不平衡彎矩由縱支撐弦桿軸力形成的一對力偶以及橫向支撐端斜桿共同抵抗。所以,屋面橫向支撐斜桿的內(nèi)力最大值類似于框架梁中剪力最大值發(fā)生在梁端一樣發(fā)生在橫向支撐的端部第二跨。其次,縱向支撐兩側(cè)屋面剛性系桿成為桁架的弦桿,特別是檐口縱橫向支撐交接處,類似于框架梁與邊柱相交處存在較大彎矩,造成系桿桿件內(nèi)力較大,所以不建議采用屋面檁條兼作系桿,而應(yīng)當(dāng)采用效率較高的鋼管作為系桿,并滿足“門規(guī)”規(guī)定的長細(xì)比小于180;此外,縱向支撐在兩個相鄰的橫向支撐間的間距不宜過大,以免削弱對橫向支撐的嵌固作用。方案二的支撐布置見圖5。經(jīng)SAP2000空間整體建模的計算結(jié)果見表3。借鑒《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)對結(jié)構(gòu)不考慮重力二階效應(yīng)時要求水平荷載作用下重力附加彎矩小于初始彎矩的10%,對本工程進(jìn)行復(fù)核。所以可以不考慮重力二階效應(yīng)。由表1可得方案一屋面支撐的位移比屋面常規(guī)支撐布置減少了約28.4%,方案二則減少約53.2%,而且中柱柱頂位移角約為24.4075/11000=1/451,較好地滿足了建筑縱向剛度要求;方案二由于主體水平支撐桁架間配以局部小桁架,從而將屋面支撐形成巨型框架體系,在水平風(fēng)荷載作用下橫向支撐的變形受到縱向支撐的嵌固作用,所以屋面支撐斜桿以及作為支撐弦桿的屋面梁中的軸力會減小并趨于均勻,而縱向剛性系桿的軸力僅在檐口縱、橫向支撐交接處與常規(guī)支撐布置相當(dāng),而其他區(qū)域系桿中的軸力均小于常規(guī)支撐布置及方案一。本工程如果采用“門規(guī)”建議的在中柱柱列設(shè)置門式支撐,而屋面支撐采用常用的均勻布置的方案,筆者通過PKPM軟件計算可得,需要在廠房3個縱向中柱柱列均勻布置12個門式支撐,并將門式支撐柱腳設(shè)置為固接,相應(yīng)的梁截面為H500×200×5×10,柱截面為H500×260×5×12,柱頂在縱向風(fēng)荷載作用下的位移角為1/471,用鋼量為26.8t。而采用方案二,屋面縱向支撐中增加的用鋼量為4.7t。相比之下方案二要比采用門式支撐的方案節(jié)約鋼材22.1t。4型鋼框架體系的設(shè)計對于大跨度門式剛架,