論工業(yè)建筑梯形鋼屋架計(jì)算應(yīng)注意問題范文

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摘　要:以一非標(biāo)梯形屋架為例,分析了屋架在不同約束條件、不同工況下的受力情況,并與圖集算法進(jìn)行對比。通過計(jì)算分析,梯形屋架在不同情況下的內(nèi)力相差較大。非標(biāo)屋架設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮廠房跨度、柱距、吊車噸位、抗震等級、設(shè)計(jì)使用年限等因素,不應(yīng)隨意參考圖集。對于上下弦分別與柱鉸接的非標(biāo)屋架,建議采用整體計(jì)算方法,即將屋架與柱按實(shí)際約束、受荷情況整體建模,分析屋架的受力情況,并對薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng);而對于鉸接屋架,可采用簡化計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞:梯形屋架;復(fù)核驗(yàn)算;約束

單跨梁式桁架體系因其制作和安裝簡單,常作為屋架在工業(yè)與民用建筑中廣泛應(yīng)用[1]。屋架的形式主要取決于房屋的使用要求、屋面材料、屋架與柱的連接方式、屋蓋的整體剛度等。近年來,由于設(shè)計(jì)原因?qū)е挛菁芴鹿蕦掖伟l(fā)生,如山東聊城某棉紡織品廠鋼屋架上弦桿件平面外失穩(wěn),導(dǎo)致屋架整體坍塌[2];某國際展覽館發(fā)生整體坍塌,其原因之一是其屋面桁架未設(shè)置縱向斜腹桿,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)[3];某公司養(yǎng)殖廠房發(fā)生倒塌,其原因是鋼屋架上下弦、部分腹桿及部分跨中支架在平面內(nèi)和平面外的應(yīng)力比不滿足規(guī)范要求[4]。對于梯形屋架,通常用于屋面坡度較為平緩的大型屋面或長尺壓型鋼板的屋面,跨度一般為15~36m,柱距6~12m,跨中經(jīng)濟(jì)高度為(1/8~1/10)L[5]。為方便設(shè)計(jì),現(xiàn)有關(guān)于梯形屋架的圖集也較完善,如05G511《梯形鋼屋架》、05G515《輕型屋面梯形鋼屋架》、06SG515—1《輕型屋面梯形鋼屋架(圓鋼管、方鋼管)》、06SG515—2《輕型屋面梯形鋼屋架(部分T型鋼)》等。對于圖集,都有其適用范圍,相關(guān)論文也有介紹[6-7],在設(shè)計(jì)中可以進(jìn)行參考。如廠房跨度、柱距、吊車噸位、抗震等級、設(shè)計(jì)使用年限等與圖集規(guī)定不符,應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)復(fù)核驗(yàn)算。本文以一非標(biāo)屋架為例,屋架與排架柱整體建模,分析了考慮吊車荷載-上下弦分別與柱鉸接、不考慮吊車荷載-上下弦分別與柱鉸接、考慮吊車荷載-屋架與柱鉸接、不考慮吊車荷載-屋架與柱鉸接,并按圖集的計(jì)算方法對屋架簡化建模。

1　工程概況

該廠房由高低兩跨組成,其剖面如圖1所示。高跨部分跨度38m,檐口設(shè)計(jì)標(biāo)高26.6m,吊車為中級吊車(300/25t);低跨部分跨度36m,檐口設(shè)計(jì)標(biāo)高21.0m,吊車為中級吊車(50/5t)。廠房柱距12m,整體采用排架結(jié)構(gòu),排架柱下階為鋼管混凝土柱,上側(cè)為H型鋼。綜合考慮廠房跨度、吊車噸位、整體剛度及實(shí)際施工安裝的方便性與經(jīng)濟(jì)性,廠房屋架采用梯形鋼屋架。本文主要對38m跨屋架進(jìn)行分析,其屋架布置如圖2所示,主要構(gòu)件如表1所示。

2　內(nèi)力計(jì)算

屋架按桁架設(shè)計(jì),屋架所受荷載作用于上弦節(jié)點(diǎn)處,未考慮非節(jié)點(diǎn)荷載及次應(yīng)力影響,采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM工作部編制的PKPM-STS軟件計(jì)算內(nèi)力。屋架與排架柱整體計(jì)算時,考慮的荷載如下。1)屋面恒載:0.5MPa。2)屋面活載:0.5MPa。3)風(fēng)載:基本風(fēng)壓0.55kN/m2,地面粗糙度B類,風(fēng)荷載體型系數(shù)如圖3所示。4)吊車荷載:左跨共兩臺吊車,最大輪壓49.6t,最小輪壓13.2t,折減系數(shù)為0.9;右跨為一臺吊車,最大輪壓15.3t,最小輪壓5.3t。5)地震作用:抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,4類場地,周期折減系數(shù)0.8。通過PKPM建模,分析了考慮吊車荷載-上下弦分別與柱鉸接、不考慮吊車荷載-上下弦分別與圖3風(fēng)荷載體型系數(shù)柱鉸接、考慮吊車荷載-屋架與柱鉸接、不考慮吊車荷載-屋架與柱鉸接及按圖集計(jì)算方法五種情況,其含義如表2所示。

3　結(jié)果分析

通過PKPM計(jì)算,對表2各項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算,分別提取出屋架各主要桿件軸力。由于部分桿件受力較小,其截面主要受長細(xì)比控制,在對比分析中并未考慮。屋架各桿件軸力如下。

1)“考慮吊車荷載-上下弦分別與柱鉸接”屋架軸力，2)“不考慮吊車荷載-上下弦分別與柱鉸接”屋架軸力，3)“考慮吊車荷載-屋架與柱鉸接”屋架軸力，4)“不考慮吊車荷載-屋架與柱鉸接”屋架軸力，5)“圖集計(jì)算方法”屋架軸力。由圖4~8分析可知:1)“上下弦分別與柱鉸接”與“屋架與柱鉸接”內(nèi)力分布不同。前者下弦桿軸力由端部至跨中呈減少—增大—減小的趨勢,最大值出現(xiàn)在約1/3分節(jié)點(diǎn)上;上弦桿先減小后增大,至跨中達(dá)到最大值。后者下弦桿軸力由端部至跨中先增大后減小,最大值出現(xiàn)在約1/3分節(jié)點(diǎn)上;上弦桿由端部至跨中呈增大趨勢。而腹桿內(nèi)力變化趨勢基本一致。2)“上下弦分別與柱鉸接”較“屋架與柱鉸接”受下部支撐側(cè)向剛度影響較大。由于廠房由高低兩跨組成,下部支撐側(cè)向剛度不同。由圖4及圖5可以看出,屋架兩端軸力分布差異較大,而圖6及圖7屋架軸力分布基本對稱。3)“上下弦分別與柱鉸接”較“屋架與柱鉸接”受吊車荷載影響較大。由圖4及圖5可以看出,“上下弦分別與柱鉸接”端部軸力受吊車荷載影響較大,至跨中部分軸力分布基本一致;相對來說考慮吊車荷載屋架桿件軸力較大,設(shè)計(jì)更加安全。而“屋架與柱鉸接”屋架受力情況受吊車荷載影響較小。4)“考慮吊車荷載-上下弦分別與柱鉸接”屋架端部區(qū)域內(nèi)力分布發(fā)生突變,設(shè)計(jì)中應(yīng)對相應(yīng)桿件局部加強(qiáng)。由圖4可知,屋架上弦桿端部桿件較相鄰桿件最大相差2.6倍,相應(yīng)下弦桿為1.6倍。5)“屋架與柱鉸接”與“圖集計(jì)算方法”內(nèi)力結(jié)果基本一致,在設(shè)計(jì)中可按下部為剛性桿簡化計(jì)算。由圖6~8分析可知,屋架軸力分布基本一致。所以在設(shè)計(jì)中,可將下部柱簡化為剛性桿,屋架一端與剛性桿鉸接,一端采用滑動支座。也可將屋架支座構(gòu)件長度取2m左右、截面與弦桿相近,定義為兩端鉸接。6)綜合比較圖4~8,“上下弦分別與柱鉸接”較“屋架與柱鉸接”對應(yīng)桿件相比軸力較小。

4　結(jié)論與建議

1)對于“上下弦分別與柱鉸接”梯形屋架,建議與下側(cè)柱整體建模進(jìn)行計(jì)算,并考慮吊車、地震、風(fēng)荷載等實(shí)際受載情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)對于“屋架與柱鉸接“梯形非標(biāo)屋架,可采用簡化計(jì)算方法。即將下部支座簡化為剛性桿,一端鉸按,一端滑動支座連接;也可將下部簡化為2m左右、截面與弦桿相近桿件,兩端鉸接。

3)結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工條件,相比“屋架與柱鉸接”情況,“上下弦分別與柱鉸接”屋架用鋼量較小。4)在復(fù)核驗(yàn)算中,對于非標(biāo)屋架不應(yīng)隨意參考圖集,而應(yīng)根據(jù)實(shí)際約束條件、受荷工況進(jìn)行驗(yàn)算。

作者：李建爽 單位：中冶建筑研究總院有限公司建筑工程檢測中心