論工業建筑梯形鋼屋架計算應注意問題范文

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

關鍵詞:梯形屋架;復核驗算;約束

單跨梁式桁架體系因其制作和安裝簡單,常作為屋架在工業與民用建筑中廣泛應用[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,由于設計原因導致屋架坍塌事故屢次發生,如山東聊城某棉紡織品廠鋼屋架上弦桿件平面外失穩,導致屋架整體坍塌[2];某國際展覽館發生整體坍塌,其原因之一是其屋面桁架未設置縱向斜腹桿,導致結構整體失穩[3];某公司養殖廠房發生倒塌,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和平面外的應力比不滿足規范要求[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,跨中經濟高度為(1/8~1/10)L[5]。為方便設計,現有關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,相關論文也有介紹[6-7],在設計中可以進行參考。如廠房跨度、柱距、吊車噸位、抗震等級、設計使用年限等與圖集規定不符,應進行單獨復核驗算。本文以一非標屋架為例,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,檐口設計標高26.6m,吊車為中級吊車(300/25t);低跨部分跨度36m,檐口設計標高21.0m,吊車為中級吊車(50/5t)。廠房柱距12m,整體采用排架結構,排架柱下階為鋼管混凝土柱,上側為H型鋼。綜合考慮廠房跨度、吊車噸位、整體剛度及實際施工安裝的方便性與經濟性,廠房屋架采用梯形鋼屋架。本文主要對38m跨屋架進行分析,其屋架布置如圖2所示,主要構件如表1所示。

2　內力計算

屋架按桁架設計,屋架所受荷載作用于上弦節點處,未考慮非節點荷載及次應力影響,采用中國建筑科學研究院PKPM工作部編制的PKPM-STS軟件計算內力。屋架與排架柱整體計算時,考慮的荷載如下。1)屋面恒載:0.5MPa。2)屋面活載:0.5MPa。3)風載:基本風壓0.55kN/m2,地面粗糙度B類,風荷載體型系數如圖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:抗震設防烈度為7度(0.1g),設計地震分組為第一組,4類場地,周期折減系數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風荷載體型系數柱鉸接、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算方法五種情況,其含義如表2所示。

3　結果分析

通過PKPM計算,對表2各項目進行計算,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,最大值出現在約1/3分節點上;上弦桿先減小后增大,至跨中達到最大值。后者下弦桿軸力由端部至跨中先增大后減小,最大值出現在約1/3分節點上;上弦桿由端部至跨中呈增大趨勢。而腹桿內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”受下部支撐側向剛度影響較大。由于廠房由高低兩跨組成,下部支撐側向剛度不同。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,設計更加安全。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”屋架端部區域內力分布發生突變,設計中應對相應桿件局部加強。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,相應下弦桿為1.6倍。5)“屋架與柱鉸接”與“圖集計算方法”內力結果基本一致,在設計中可按下部為剛性桿簡化計算。由圖6~8分析可知,屋架軸力分布基本一致。所以在設計中,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”對應桿件相比軸力較小。

4　結論與建議

1)對于“上下弦分別與柱鉸接”梯形屋架,建議與下側柱整體建模進行計算,并考慮吊車、地震、風荷載等實際受載情況進行設計。

2)對于“屋架與柱鉸接“梯形非標屋架,可采用簡化計算方法。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)結合結構特點及施工條件,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)在復核驗算中,對于非標屋架不應隨意參考圖集,而應根據實際約束條件、受荷工況進行驗算。

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