摘要:門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的支撐體系對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性起著重要的作用。實(shí)際結(jié)構(gòu)中支撐體系為空間受力體系,而一般在支撐體系設(shè)計(jì)計(jì)算中通常采用簡化模式,這與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力存在較大差異。根據(jù)門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)支撐體系的實(shí)際受力特點(diǎn),結(jié)合具體實(shí)例討論了采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行支撐體系計(jì)算的空間建模過程,通過與平面模型及簡化模式得到的支撐構(gòu)件內(nèi)力的對比分析,找出了現(xiàn)行設(shè)計(jì)計(jì)算中存在的問題,并給出了相應(yīng)的合理化建議。
　　關(guān)鍵詞:門式剛架，圓鋼十字交叉支撐，空間模型，有限元
　　門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)是由門式剛架、支撐系統(tǒng)及其他次要構(gòu)件構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)體系。支撐系統(tǒng)對門式剛架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性起著重要的作用,直接關(guān)系著整個(gè)建筑的安全。《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102B2002)中提出:對于斜梁上橫向水平支撐的內(nèi)力,應(yīng)根據(jù)縱向風(fēng)荷載按支撐于柱頂?shù)乃�平桁架�?jì)算;柱間支撐的內(nèi)力,應(yīng)根據(jù)所受縱向風(fēng)荷載按支撐于柱腳基礎(chǔ)上的豎向懸臂桁架計(jì)算;對于交叉支撐可不計(jì)壓桿的受力。顯然“門規(guī)”中的這種計(jì)算方法,是將門式剛架結(jié)構(gòu)體系簡化為平面系統(tǒng),沒有考慮橫向水平支撐和柱間支撐的整體作用及相互影響。在設(shè)計(jì)中,通常也是將多道水平支撐按均勻受力考慮。這種方法與支撐系統(tǒng)的實(shí)際受力是有一定差距的,但現(xiàn)行的其他規(guī)范也沒有給出計(jì)算空間結(jié)構(gòu)中支撐內(nèi)力及變形的簡化方法。對于如何建立空間模型、空間結(jié)構(gòu)中支撐內(nèi)力與平面結(jié)構(gòu)及簡化模式中支撐內(nèi)力有多大差別,目前還未見文獻(xiàn)報(bào)道。本文采用通用有限元軟件ANSYS按空間模型計(jì)算單層單跨門式剛架結(jié)構(gòu)體系,研究其在一般荷載作用下的受力特點(diǎn),同時(shí)按平面模型及簡化模式計(jì)算,對支撐桿件內(nèi)力進(jìn)行分析,比較三種情況的主要差別。
　　一、結(jié)構(gòu)計(jì)算模型
　　1、結(jié)構(gòu)幾何尺寸及荷載選取
　　根據(jù)門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)體系的主要受力特點(diǎn),本文只以單層單跨無吊車門式剛架結(jié)構(gòu)作為研究對象,采用梁與柱剛接、柱腳鉸接的形式,以此建立門式剛架結(jié)構(gòu)空間模型,包括門式剛架、支撐及系桿。作為典型實(shí)例,本文選用工程中較常見的門式剛架結(jié)構(gòu),幾何尺寸為:檐口高6m,柱距6m,跨度24m。橫向水平支撐的設(shè)置,按“門規(guī)”規(guī)定:當(dāng)無吊車時(shí),支撐間縱向間距宜取30~45m,本文計(jì)算時(shí)采用每30m設(shè)置一道支撐,柱間支撐與水平支撐同開間設(shè)置。對于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)體系,其橫向荷載主要由門式剛架承擔(dān),而縱向作用(包括風(fēng)荷載和水平地震作用)主要通過支撐系統(tǒng)來承擔(dān)。由于平面結(jié)構(gòu)及簡化計(jì)算模式無法考慮橫向風(fēng)載、恒載、活載及其組合,只能計(jì)算縱向風(fēng)載作用情況。為了使以上3種模型具有可對比性,本文僅計(jì)算縱向風(fēng)載單獨(dú)作用下支撐桿件的內(nèi)力。荷載取值為:恒載標(biāo)準(zhǔn)值0.4kN/m2,活載標(biāo)準(zhǔn)值0.5kN/m2,基本風(fēng)壓0.35kN/m2,地面粗糙度為C類,荷載計(jì)算及各參數(shù)取值按“門規(guī)”及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)142(以下簡稱“荷載規(guī)范”)規(guī)定進(jìn)行。
　　2、支撐形式及桿件的選取
　　常見的支撐形式有十字交叉支撐、門式支撐、角撐支撐及人字支撐等,在一般情況下,多采用十字交叉支撐152。因此,本文的計(jì)算模型也采用這種常用的十字交叉支撐。
　　3、支撐系統(tǒng)的有限元模型
　　(1)支撐系統(tǒng)空間有限元模型
　　對于角鋼支撐,桿件的內(nèi)力可以是壓力也可以是拉力,但這種情況下結(jié)構(gòu)是超靜定的,如果用手工計(jì)算,是較麻煩的。在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí),也有按壓桿退出工作,只有拉桿受力進(jìn)行計(jì)算。對于圓鋼支撐,不考慮圓鋼承受壓力,按只拉桿考慮。本文計(jì)算模型中,十字交叉支撐桿按圓鋼設(shè)置,所有支撐僅考慮拉桿作用,受壓時(shí)退出工作。
　　(2)支撐系統(tǒng)平面有限元模型
　　本文建立了應(yīng)用有限元分析的平面模型。平面模型分別包括水平支撐平面模型和柱間支撐平面模型:梁及柱都采用桿單元Link8,水平支撐平面在受到柱間支撐約束位置處,按鉸支座考慮;柱間支撐平面在柱腳加上約束(鉸接);約束所有節(jié)點(diǎn)的平面外位移,使其成為平面桁架結(jié)構(gòu)。將折算后的縱向風(fēng)載施加在水平支撐模型相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處,把水平支撐模型的支座反力施加在柱間支撐模型上,分別進(jìn)行計(jì)算。
　　(3)簡化模式
　　簡化模式就是不考慮風(fēng)荷載傳遞途徑,將整個(gè)水平支撐系統(tǒng)和柱間支撐系統(tǒng)簡化為一道桁架來計(jì)算。水平支撐系統(tǒng)考慮建筑兩端所受的風(fēng)荷載,按所設(shè)水平支撐數(shù)量平均分配"本計(jì)算實(shí)例中折算到各節(jié)點(diǎn)的荷載值。柱間支撐承受水平支撐傳來的作用力。腹桿按只拉桿考慮,用手算計(jì)算各桿內(nèi)力(由于手算各道內(nèi)力相同,故只標(biāo)出第一道桿件號)。
　　二、計(jì)算結(jié)果及其分析
　　1、計(jì)算結(jié)果
　　由于空間模型受力接近實(shí)際情況,因此其支撐桿件的內(nèi)力和實(shí)際內(nèi)力比較接近。本文將簡化模式及平面模型的支撐內(nèi)力均與空間模型的支撐內(nèi)力對比,來說明這兩種模型存在的問題。從計(jì)算結(jié)果可以看出:
　　(1)簡化模式的結(jié)果和空間模型的結(jié)果相比較,整體差別很大,尤其對于起控制設(shè)計(jì)的桿件內(nèi)力,簡化模式的結(jié)果偏小,可見用于設(shè)計(jì)是偏于不安全的。對于兩道支撐房屋,水平支撐中控制設(shè)計(jì)的1號桿內(nèi)力的偏差值達(dá)到16.76%,柱間支撐中控制設(shè)計(jì)的10號桿內(nèi)力偏差值達(dá)到9.16%。當(dāng)采用三道支撐房屋時(shí),各支撐桿的內(nèi)力相差更大,如水平支撐中控制設(shè)計(jì)的1號桿內(nèi)力偏差值達(dá)到35.33%,柱間支撐中控制設(shè)計(jì)的10號桿內(nèi)力偏差值達(dá)到22.05%。這些已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般工程允許的誤差范圍。
　　(2)平面模型的支撐內(nèi)力和空間模型的支撐內(nèi)力相比較,整體差別相對較小,對于起控制作用的桿件內(nèi)力,柱間支撐的內(nèi)力偏差值很小,一般在5%范圍之內(nèi);水平支撐的內(nèi)力偏差值稍大,平面模型的計(jì)算內(nèi)力稍大于空間模型的計(jì)算內(nèi)力.對于兩道支撐房屋,兩種模型的水平支撐的控制內(nèi)力即1號桿內(nèi)力的偏差值為4.42%,柱間支撐的控制內(nèi)力即10號桿內(nèi)力的偏差值僅為0.53%"對于三道支撐房屋,上述兩種模型的水平支撐和柱間支撐的控制內(nèi)力的偏差值分別為8.45%和2.05%。
　　(3)對于三道支撐房屋的3號桿,空間模型的結(jié)果為零,即此桿件受壓,退出工作,受力形式發(fā)生了變化;平面模型的結(jié)果仍為大于零的值,簡化模式計(jì)算的結(jié)果表明3號桿仍承擔(dān)很大的拉力。
　　(4)對于三種模型,三道支撐房屋的支撐內(nèi)力均比兩道支撐房屋的內(nèi)力小。
　　(5)隨支撐道數(shù)的增加,平面模型及簡化模式的計(jì)算結(jié)果與空間模型結(jié)果相差越大。如平面模型與空間模型相比,兩道支撐房屋中5號桿的內(nèi)力偏差值為27.64%,而三道支撐房屋中5號桿的內(nèi)力偏差值為55.81%。
　　2、計(jì)算結(jié)果分析
　　(1)簡化模式?jīng)]有考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)作用和空間效應(yīng),認(rèn)為各道支撐承擔(dān)相同大小的縱向水平力即各道支撐均勻受力,而實(shí)際結(jié)構(gòu)中各道支撐間的傳力是不均勻的,這就造成了較大的差別。并且,對于跨度越大的結(jié)構(gòu)這種差別越大。
　　(2)平面與空間模型的結(jié)果接近,是由于平面模型考慮了柱間支撐和水平支撐的相互作用,且考慮了部分通長系桿的縱向傳力作用對于柱間支撐系統(tǒng),平面模型考慮了系桿的傳力作用,且把柱間支撐與水平支撐相互作用的約束反力作為柱間支撐系統(tǒng)的外力,接近實(shí)際受力情況。
　　(3)平面與空間模型的水平支撐結(jié)果相差稍大,是由于水平支撐的平面模型不考慮各個(gè)柱的受力差異,也就不考慮剛架柱的水平側(cè)移。這樣水平支撐之間的傳力通過屋脊系桿來實(shí)現(xiàn),而空間模型實(shí)際是考慮柱頂與屋脊系桿的共同傳力,這就造成平面計(jì)算模型與空間計(jì)算模型間的差異。但從計(jì)算結(jié)果來看,這種差異并不是很大。
　　(4)計(jì)算中具有三道支撐的空間模型中,3號桿計(jì),討論了張弦梁結(jié)構(gòu)在肋環(huán)型網(wǎng)殼中的應(yīng)用和受力性能,得到以下結(jié)論:
　　a.網(wǎng)架及網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中引入預(yù)應(yīng)力張弦體系能夠有效降低跨中撓度,改善桿件受力性能,從而減少結(jié)構(gòu)總用鋼量,同時(shí)提供了靈活!簡潔的建筑外觀。
　　b.預(yù)應(yīng)力張弦梁體系在上弦桿件起拱的條件下構(gòu)成自平衡的穩(wěn)定體系,在與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)結(jié)合應(yīng)用時(shí)能夠大大減小對周邊支承結(jié)構(gòu)的影響。
　　c.張弦梁預(yù)應(yīng)力分析應(yīng)充分考慮構(gòu)件的力學(xué)特性及受力環(huán)境,過大或過小的預(yù)應(yīng)力將會(huì)對結(jié)構(gòu)造成不利的影響。針對張弦梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開發(fā)了設(shè)計(jì)合理的節(jié)點(diǎn)形式,為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究提供了有益的參考。
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