門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)現(xiàn)況概述

我國(guó)有多例跨度60~72米的實(shí)腹式輕鋼門(mén)式剛架工程，包括湛江港從美國(guó)引進(jìn)的60米跨的保稅倉(cāng)庫(kù)、北京西郊機(jī)場(chǎng)從美國(guó)引進(jìn)的一座跨度72米的飛機(jī)庫(kù)，和國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)大連72米門(mén)式剛架糧倉(cāng)儲(chǔ)備庫(kù)，跨度再大的就非常少見(jiàn)。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(wèn)題，須要加大剛架截面。此時(shí)，增大截面是為了控制變形，沒(méi)有充分利用鋼材的強(qiáng)度。 因此普通大跨度實(shí)腹式門(mén)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(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)的大連72米門(mén)式剛架糧倉(cāng)儲(chǔ)備庫(kù)，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(wèn)題，目前有幾種解決方法，例如采用預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式門(mén)式剛架、在普通實(shí)腹式門(mén)式剛架柱頂布置直線(xiàn)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(lái)不便。

門(mén)式剛架柱頂布置直線(xiàn)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(wú)法避免高空作業(yè)。而且剛架中直線(xiàn)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(mén)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(mén)式剛架隨著跨度的增大經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)下降的問(wèn)題，提出了索支承實(shí)腹式門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)體系。索支承實(shí)腹式門(mén)式剛架只須通過(guò)伸長(zhǎng)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(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)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(guò)對(duì)某72m跨度的糧食倉(cāng)庫(kù)采用索支承門(mén)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。

索支承門(mén)式剛架梁下的拉索通過(guò)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(xiàn)，撐竿采用雙層的套絲鋼套管，通過(guò)旋動(dòng)鋼套管的外管使撐竿伸長(zhǎng)(圖1和圖2)。 索支承實(shí)腹式門(mén)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(guò)伸長(zhǎng)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(zhǎng)撐桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的，給索支承剛架施加預(yù)應(yīng)力就是通過(guò)人為伸長(zhǎng)撐竿來(lái)張緊和拉長(zhǎng)鋼索使鋼索中產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的過(guò)程。拉索預(yù)先錨固在柱頂?shù)倪B接牛腿中(圖5)，旋長(zhǎng)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(zhǎng)量變化，而鋼索的伸長(zhǎng)量可以通過(guò)撐竿的伸長(zhǎng)來(lái)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(guò)焊接與鋼梁相連(圖4)，另一端焊接在槽形夾片上通過(guò)螺栓與拉索相連(圖3)。鋼索通過(guò)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(chǎng)焊接以保證質(zhì)量。

索支承大跨度門(mén)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(guò)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(guò)程。

索支撐門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(wú)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(lái)說(shuō)，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(lái)保證。預(yù)應(yīng)力門(mén)式剛架中的橫梁面外穩(wěn)定性同樣靠檁條和隅撐來(lái)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(wèn)題不容忽視。而索支承門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)則很好的解決了這一問(wèn)題:索支承結(jié)構(gòu)中的拉索通過(guò)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(zhǎng)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]。

為分析索支撐實(shí)腹式門(mén)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(cāng)庫(kù)采用索支撐門(mén)式剛架進(jìn)行了計(jì)算?？紤]到撐竿在施加預(yù)應(yīng)力過(guò)程中伸長(zhǎng)量很大，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮大變形。本文采用幾何非線(xiàn)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(guò)程中剛架的實(shí)際受荷過(guò)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(guò)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(cāng)采用索支承預(yù)應(yīng)力門(mén)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(lái)用普通門(mén)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(mén)式剛架的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而增大門(mén)式剛架的經(jīng)濟(jì)適用跨度。