門式鋼架結(jié)構(gòu)實(shí)例分析

為分析索支撐實(shí)腹式門式剛架的受力性能，本文對(duì)跨度72m，檐口高度24m，柱距9m，屋面坡度1:20的某糧食倉庫采用索支撐門式剛架進(jìn)行了計(jì)算。考慮到撐竿在施加預(yù)應(yīng)力過程中伸長量很大，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮大變形。本文采用幾何非線性方法進(jìn)行計(jì)算，以一榀剛架為單元，按平面結(jié)構(gòu)處理。施工過程中剛架的實(shí)際受荷過程分三個(gè)階段:第一階段--剛架在現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成后，此時(shí)剛架只承受自重。第二階段--剛架拼裝后，安裝鋼拉索和撐竿，然后旋撐竿施加預(yù)應(yīng)力，此時(shí)剛架同時(shí)承受自重和預(yù)應(yīng)力。第三階段--剛架在正常使用階段承受全部使用荷載。因此，剛架受力性能分析計(jì)算按照以上三個(gè)階段進(jìn)行。 剛架在正常使用階段的荷載最不利組合考慮以下幾種計(jì)算工況:

(1)1. 2恒荷載+1.4活荷載

(2)1.0恒荷載+1.4風(fēng)荷載(向右)

(3)1.2恒荷載+1.4風(fēng)荷載(向右)

(4)1.2恒荷載+1.4×0.85(活荷載+風(fēng)荷載(向右)) 通過仔細(xì)分析表1中數(shù)據(jù)和不同階段剛架內(nèi)力變化圖可以看出，施加了預(yù)應(yīng)力后的梁柱節(jié)點(diǎn)彎矩由自重作用下的-503.67KNm增至217.03KNm，梁跨中彎矩由313.78KNm減至-365.96KNm(圖7)。

此時(shí)剛架梁柱的內(nèi)(應(yīng))力幾乎與豎向荷載作用下的內(nèi)(應(yīng))力反號(hào)，預(yù)應(yīng)力對(duì)剛架起到了很好的卸載作用，而且剛架梁柱的應(yīng)力均不大(表1)。剛架承受外荷載作用時(shí)，雖然2、3兩種荷載組合作用下由于風(fēng)荷載對(duì)屋蓋向上的吸力作用，剛架的內(nèi)力在施加預(yù)應(yīng)力后的內(nèi)力基礎(chǔ)上略有增加，但結(jié)果表明這兩種工況引起的最終內(nèi)力都不起控制作用。在豎向荷載作用下，剛架梁柱節(jié)點(diǎn)和跨中內(nèi)力分別由第二階段的217.03KNm和-365.96KNm逐漸變到-1273.12KNm和116.05KNm(圖7)。

施加預(yù)應(yīng)力后剛架梁的跨中撓度由自重作用下的180.2mm(向下)變?yōu)?63.2mm(向上)，柱頂側(cè)移由7.2mm(向外)變?yōu)?8.8mm(向內(nèi))(表1)。 對(duì)截面進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化后，上述72m跨度的糧倉采用索支承預(yù)應(yīng)力門式剛架用鋼量(僅為剛架部分，未包括鋼拉索和撐竿)為32.2 kg/m2，比原來用普通門式剛架(文獻(xiàn)[8])節(jié)省用鋼量約35%左右。即采用撐竿和鋼索施加預(yù)應(yīng)力可以提高大跨度門式剛架的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而增大門式剛架的經(jīng)濟(jì)適用跨度。

索支承大跨度門式剛架的力學(xué)性能與一般預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)一樣預(yù)應(yīng)力調(diào)整了剛架梁、柱受力狀態(tài)，降低了外荷載作用下的內(nèi)力峰值和剛架梁的跨中撓度，從而使預(yù)應(yīng)力剛架比普通剛架的內(nèi)力和變形有大幅度下降，提高了剛架的承載力、增大了結(jié)構(gòu)剛度。從剛架梁柱節(jié)點(diǎn)和梁跨中彎矩在受力全過程三個(gè)階段的變化(圖7)不難看出索支承剛架三個(gè)階段的受力就是加載--卸載--再加載的過程。

索支撐門式剛架除了具有傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度、降低柱頂彎矩及柱腳反力(柱腳彎矩為零)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有一些自身的特點(diǎn):

(1) 較傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力門式剛架預(yù)應(yīng)力效果更明顯、具有更大的承載能力 施加預(yù)應(yīng)力后，不難從剛架內(nèi)力圖(圖3)上看出，不僅鋼拉索對(duì)柱頂產(chǎn)生向內(nèi)的拉力，同時(shí)與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)比較撐竿還對(duì)剛架產(chǎn)生向上的頂力。向上的頂力能夠抵消很大一部分豎向外荷載，因此施加了預(yù)應(yīng)力后的索支撐門式剛架承受外荷載后，梁柱中最終彎矩減小甚至反號(hào)。 預(yù)應(yīng)力鋼索和撐竿的內(nèi)力隨著外荷載的施加而變化(圖8和圖9)，在起控制作用的豎向荷載作用下鋼索和撐竿的內(nèi)力有顯著增加，對(duì)整個(gè)剛架承受更大的外荷載起到很大作用。

(2) 較傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力門式剛架結(jié)構(gòu)具有更大的結(jié)構(gòu)剛度 拉索不僅僅給結(jié)構(gòu)施加了預(yù)應(yīng)力，而且成為剛架橫梁的下弦桿，無疑較傳統(tǒng)采用的緊貼剛架梁下弦布置預(yù)應(yīng)力索的方式具有更大的結(jié)構(gòu)剛度。此外，在豎向荷載作用下，索支承剛架的撐竿和鋼拉索分別對(duì)剛架梁和柱起到彈性支撐的作用，增強(qiáng)了剛架特別是梁的剛度。

(3)避免剛架梁在平面內(nèi)失穩(wěn) 對(duì)于一般屋面坡度較小的實(shí)腹剛架來說，剛架橫梁的軸向力較小，所以設(shè)計(jì)時(shí)不需驗(yàn)算橫梁的平面內(nèi)穩(wěn)定承載力，而橫梁的平面外的穩(wěn)定性則靠檁條和隅撐來保證。預(yù)應(yīng)力門式剛架中的橫梁面外穩(wěn)定性同樣靠檁條和隅撐來保證，但其面內(nèi)的力學(xué)性能與一般剛架不同。因?yàn)槔髦械念A(yù)拉力在使剛架梁產(chǎn)生上拱變形的同時(shí)，還給斜梁施加了一個(gè)較大的軸向壓力，這樣斜梁就成為一個(gè)典型的壓彎構(gòu)件，其穩(wěn)定問題不容忽視。而索支承門式剛架結(jié)構(gòu)則很好的解決了這一問題:索支承結(jié)構(gòu)中的拉索通過豎撐竿桿不僅給剛架施加了預(yù)應(yīng)力，而且豎桿端部也成為了剛架梁在剛架平面內(nèi)的一個(gè)彈性支承點(diǎn)，這樣剛架橫梁在平面內(nèi)的穩(wěn)定計(jì)算長度便可大為折減。布置若干個(gè)這樣的豎桿便可保證了剛架梁平面內(nèi)的穩(wěn)定性[2]。

索支承門式剛架梁下的拉索通過三根豎撐桿與剛架梁發(fā)生作用，此時(shí)的拉索不僅僅是給結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的手段，而且成為剛架橫梁的下弦桿，較傳統(tǒng)采用的緊貼剛架梁下弦布置預(yù)應(yīng)力索的方式具有更大的結(jié)構(gòu)剛度。

鋼拉索兩端錨固在剛架柱頂，梁跨中屋脊位置設(shè)置一道撐竿，視剛架跨度和所需預(yù)應(yīng)力大小可在半跨內(nèi)再各設(shè)一道，其中拉索采用高強(qiáng)度鋼絞線，撐竿采用雙層的套絲鋼套管，通過旋動(dòng)鋼套管的外管使撐竿伸長(圖1和圖2)。 索支承實(shí)腹式門式剛架的特點(diǎn)在于施加預(yù)應(yīng)力的方法有兩種:可以直接張拉鋼索施加預(yù)應(yīng)力，也可以通過伸長撐竿施加預(yù)應(yīng)力。

后一種預(yù)應(yīng)力施加方法是靠旋長撐桿來實(shí)現(xiàn)的，給索支承剛架施加預(yù)應(yīng)力就是通過人為伸長撐竿來張緊和拉長鋼索使鋼索中產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的過程。拉索預(yù)先錨固在柱頂?shù)倪B接牛腿中(圖5)，旋長撐竿必然撐緊拉索，也就給拉索施加了預(yù)拉力。由于撐竿所受的力是拉索預(yù)應(yīng)力的豎向分力，而拉索于豎直方向夾角接近90度，所以此分力相比于拉索預(yù)應(yīng)力非常小。

而旋轉(zhuǎn)撐竿本身又是利用杠桿原理，這樣施加預(yù)應(yīng)力是便不需要張拉設(shè)備，采用電動(dòng)扳手甚至于人工便可完成。 由于預(yù)應(yīng)力的大小隨鋼索的伸長量變化，而鋼索的伸長量可以通過撐竿的伸長來控制，因此預(yù)應(yīng)力水平易于控制，同時(shí)改變撐竿的數(shù)目和位置就可以控制加在剛架梁上的向上的頂力。

索支承剛架的梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與普通剛架相同，但是撐竿和鋼索、撐竿和梁以及鋼索和剛架的連接節(jié)點(diǎn)需要作特殊處理。兩端帶有反向螺紋的鋼管撐桿一端通過焊接與鋼梁相連(圖4)，另一端焊接在槽形夾片上通過螺栓與拉索相連(圖3)。鋼索通過多孔夾片錨具錨固在柱牛腿上(圖5)。撐竿和梁下翼緣以及槽形夾片的焊接都應(yīng)采用工廠焊接以保證質(zhì)量。

我國有多例跨度60~72米的實(shí)腹式輕鋼門式剛架工程，包括湛江港從美國引進(jìn)的60米跨的保稅倉庫、北京西郊機(jī)場(chǎng)從美國引進(jìn)的一座跨度72米的飛機(jī)庫，和國內(nèi)自行設(shè)計(jì)大連72米門式剛架糧倉儲(chǔ)備庫，跨度再大的就非常少見。這是因?yàn)殡S著跨度的增大，剛架梁的撓度和梁柱節(jié)點(diǎn)彎矩顯著增加，對(duì)剛架起控制作用的往往是剛架梁的跨中撓度，這時(shí)候采用較高強(qiáng)度的鋼材不能解決問題，須要加大剛架截面。此時(shí)，增大截面是為了控制變形，沒有充分利用鋼材的強(qiáng)度。 因此普通大跨度實(shí)腹式門式剛架用鋼量大幅度增加，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)大大下降，削弱了輕鋼結(jié)構(gòu)自重輕這一優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)自行設(shè)計(jì)的大連72米門式剛架糧倉儲(chǔ)備庫，最大截面已達(dá)到1800Ⅹ300Ⅹ12Ⅹ14，用鋼量(僅剛架部分，不包括圍護(hù)結(jié)構(gòu))達(dá)到49.7kg/m2[9]。 針對(duì)上述問題，目前有幾種解決方法，例如采用預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式門式剛架、在普通實(shí)腹式門式剛架柱頂布置直線式預(yù)應(yīng)力鋼索。但是預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式剛架對(duì)部分桿件施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力鋼索的布置比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造繁瑣給施工帶來不便。

門式剛架柱頂布置直線式鋼索須待剛架整體安裝完畢后張拉鋼索施加預(yù)應(yīng)力，無法避免高空作業(yè)。而且剛架中直線式預(yù)應(yīng)力索的效率往往不能充分發(fā)揮作用，而且預(yù)應(yīng)力對(duì)梁的平面內(nèi)穩(wěn)定非常不利。 為了增加斜梁剛度，并降低結(jié)構(gòu)用鋼量，本文提出了索支承實(shí)腹式門式剛架這種新型預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)形式。

本文針對(duì)普通大跨度實(shí)腹式門式剛架隨著跨度的增大經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)下降的問題，提出了索支承實(shí)腹式門式剛架結(jié)構(gòu)體系。索支承實(shí)腹式門式剛架只須通過伸長撐竿施加預(yù)應(yīng)力，比較于其他需要張拉鋼索的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)它是一種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單、施工簡便，預(yù)應(yīng)力效果明顯的結(jié)構(gòu)。本文詳細(xì)分析了這種結(jié)構(gòu)的受力性能，施工工藝和主要結(jié)點(diǎn)構(gòu)造。通過對(duì)某72m跨度的糧食倉庫采用索支承門式剛架的實(shí)例計(jì)算，得出了一些有實(shí)用意義的結(jié)論和建議，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了參考。