論門式剛架輕鋼結構支撐體系
關鍵詞:門式剛架，圓鋼十字交叉支撐，空間模型，有限元
門式剛架輕鋼結構是由門式剛架、支撐系統(tǒng)及其他次要構件構成的一種結構體系。支撐系統(tǒng)對門式剛架結構的整體穩(wěn)定性起著重要的作用,直接關系著整個建筑的安全�！堕T式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》(CECS102B2002)中提出:對于斜梁上橫向水平支撐的內力,應根據(jù)縱向風荷載按支撐于柱頂?shù)乃借旒苡嬎?柱間支撐的內力,應根據(jù)所受縱向風荷載按支撐于柱腳基礎上的豎向懸臂桁架計算;對于交叉支撐可不計壓桿的受力。顯然“門規(guī)”中的這種計算方法,是將門式剛架結構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。在設計中,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)范也沒有給出計算空間結構中支撐內力及變形的簡化方法。對于如何建立空間模型、空間結構中支撐內力與平面結構及簡化模式中支撐內力有多大差別,目前還未見文獻報道。本文采用通用有限元軟件ANSYS按空間模型計算單層單跨門式剛架結構體系,研究其在一般荷載作用下的受力特點,同時按平面模型及簡化模式計算,對支撐桿件內力進行分析,比較三種情況的主要差別。
一、結構計算模型
1、結構幾何尺寸及荷載選取
根據(jù)門式剛架輕鋼結構體系的主要受力特點,本文只以單層單跨無吊車門式剛架結構作為研究對象,采用梁與柱剛接、柱腳鉸接的形式,以此建立門式剛架結構空間模型,包括門式剛架、支撐及系桿。作為典型實例,本文選用工程中較常見的門式剛架結構,幾何尺寸為:檐口高6m,柱距6m,跨度24m。橫向水平支撐的設置,按“門規(guī)”規(guī)定:當無吊車時,支撐間縱向間距宜取30~45m,本文計算時采用每30m設置一道支撐,柱間支撐與水平支撐同開間設置。對于門式剛架輕鋼結構體系,其橫向荷載主要由門式剛架承擔,而縱向作用(包括風荷載和水平地震作用)主要通過支撐系統(tǒng)來承擔。由于平面結構及簡化計算模式無法考慮橫向風載、恒載、活載及其組合,只能計算縱向風載作用情況。為了使以上3種模型具有可對比性,本文僅計算縱向風載單獨作用下支撐桿件的內力。荷載取值為:恒載標準值0.4kN/m2,活載標準值0.5kN/m2,基本風壓0.35kN/m2,地面粗糙度為C類,荷載計算及各參數(shù)取值按“門規(guī)”及《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009-2001)142(以下簡稱“荷載規(guī)范”)規(guī)定進行。
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,桿件的內力可以是壓力也可以是拉力,但這種情況下結構是超靜定的,如果用手工計算,是較麻煩的。在實際工程應用時,也有按壓桿退出工作,只有拉桿受力進行計算。對于圓鋼支撐,不考慮圓鋼承受壓力,按只拉桿考慮。本文計算模型中,十字交叉支撐桿按圓鋼設置,所有支撐僅考慮拉桿作用,受壓時退出工作。
(2)支撐系統(tǒng)平面有限元模型
本文建立了應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)點的平面外位移,使其成為平面桁架結構。將折算后的縱向風載施加在水平支撐模型相應節(jié)點處,把水平支撐模型的支座反力施加在柱間支撐模型上,分別進行計算。
(3)簡化模式
簡化模式就是不考慮風荷載傳遞途徑,將整個水平支撐系統(tǒng)和柱間支撐系統(tǒng)簡化為一道桁架來計算。水平支撐系統(tǒng)考慮建筑兩端所受的風荷載,按所設水平支撐數(shù)量平均分配"本計算實例中折算到各節(jié)點的荷載值。柱間支撐承受水平支撐傳來的作用力。腹桿按只拉桿考慮,用手算計算各桿內力(由于手算各道內力相同,故只標出第一道桿件號)。
二、計算結果及其分析
1、計算結果
由于空間模型受力接近實際情況,因此其支撐桿件的內力和實際內力比較接近。本文將簡化模式及平面模型的支撐內力均與空間模型的支撐內力對比,來說明這兩種模型存在的問題。從計算結果可以看出:
(1)簡化模式的結果和空間模型的結果相比較,整體差別很大,尤其對于起控制設計的桿件內力,簡化模式的結果偏小,可見用于設計是偏于不安全的。對于兩道支撐房屋,水平支撐中控制設計的1號桿內力的偏差值達到16.76%,柱間支撐中控制設計的10號桿內力偏差值達到9.16%。當采用三道支撐房屋時,各支撐桿的內力相差更大,如水平支撐中控制設計的1號桿內力偏差值達到35.33%,柱間支撐中控制設計的10號桿內力偏差值達到22.05%。這些已經遠遠超過了一般工程允許的誤差范圍。
(2)平面模型的支撐內力和空間模型的支撐內力相比較,整體差別相對較小,對于起控制作用的桿件內力,柱間支撐的內力偏差值很小,一般在5%范圍之內;水平支撐的內力偏差值稍大,平面模型的計算內力稍大于空間模型的計算內力.對于兩道支撐房屋,兩種模型的水平支撐的控制內力即1號桿內力的偏差值為4.42%,柱間支撐的控制內力即10號桿內力的偏差值僅為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;平面模型的結果仍為大于零的值,簡化模式計算的結果表明3號桿仍承擔很大的拉力。
(4)對于三種模型,三道支撐房屋的支撐內力均比兩道支撐房屋的內力小。
(5)隨支撐道數(shù)的增加,平面模型及簡化模式的計算結果與空間模型結果相差越大。如平面模型與空間模型相比,兩道支撐房屋中5號桿的內力偏差值為27.64%,而三道支撐房屋中5號桿的內力偏差值為55.81%。
2、計算結果分析
(1)簡化模式沒有考慮實際結構的整體協(xié)調作用和空間效應,認為各道支撐承擔相同大小的縱向水平力即各道支撐均勻受力,而實際結構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,對于跨度越大的結構這種差別越大。
(2)平面與空間模型的結果接近,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,接近實際受力情況。
(3)平面與空間模型的水平支撐結果相差稍大,是由于水平支撐的平面模型不考慮各個柱的受力差異,也就不考慮剛架柱的水平側移。這樣水平支撐之間的傳力通過屋脊系桿來實現(xiàn),而空間模型實際是考慮柱頂與屋脊系桿的共同傳力,這就造成平面計算模型與空間計算模型間的差異。但從計算結果來看,這種差異并不是很大。
(4)計算中具有三道支撐的空間模型中,3號桿計,討論了張弦梁結構在肋環(huán)型網殼中的應用和受力性能,得到以下結論:
a.網架及網殼結構中引入預應力張弦體系能夠有效降低跨中撓度,改善桿件受力性能,從而減少結構總用鋼量,同時提供了靈活!簡潔的建筑外觀。
b.預應力張弦梁體系在上弦桿件起拱的條件下構成自平衡的穩(wěn)定體系,在與網殼結構結合應用時能夠大大減小對周邊支承結構的影響。
c.張弦梁預應力分析應充分考慮構件的力學特性及受力環(huán)境,過大或過小的預應力將會對結構造成不利的影響。針對張弦梁結構特點開發(fā)了設計合理的節(jié)點形式,為該類結構的設計和研究提供了有益的參考。
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