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论工业建筑梯形钢屋架计算应注意问题

2021/10/15 阅读:

摘 要:以一非标梯形屋架为例,分析了屋架在不同约束条件、不同工况下的受力情况,并与图集算法进行对比。通过计算分析,梯形屋架在不同情况下的内力相差较大。非标屋架设计应综合考虑厂房跨度、柱距、吊车吨位、抗震等级、设计使用年限等因素,不应随意参考图集。对于上下弦分别与柱铰接的非标屋架,建议采用整体计算方法,即将屋架与柱按实际约束、受荷情况整体建模,分析屋架的受力情况,并对薄弱部位进行加强;而对于铰接屋架,可采用简化计算方法。

关键词:梯形屋架;复核验算;约束

单跨梁式桁架体系因其制作和安装简单,常作为屋架在工业与民用建筑中广泛应用[1]。屋架的形式主要取决于房屋的使用要求、屋面材料、屋架与柱的连接方式、屋盖的整体刚度等。近年来,由于设计原因导致屋架坍塌事故屡次发生,如山东聊城某棉纺织品厂钢屋架上弦杆件平面外失稳,导致屋架整体坍塌[2];某国际展览馆发生整体坍塌,其原因之一是其屋面桁架未设置纵向斜腹杆,导致结构整体失稳[3];某公司养殖厂房发生倒塌,其原因是钢屋架上下弦、部分腹杆及部分跨中支架在平面内和平面外的应力比不满足规范要求[4]。对于梯形屋架,通常用于屋面坡度较为平缓的大型屋面或长尺压型钢板的屋面,跨度一般为15~36m,柱距6~12m,跨中经济高度为(1/8~1/10)L[5]。为方便设计,现有关于梯形屋架的图集也较完善,如05G511《梯形钢屋架》、05G515《轻型屋面梯形钢屋架》、06SG515—1《轻型屋面梯形钢屋架(圆钢管、方钢管)》、06SG515—2《轻型屋面梯形钢屋架(部分T型钢)》等。对于图集,都有其适用范围,相关论文也有介绍[6-7],在设计中可以进行参考。如厂房跨度、柱距、吊车吨位、抗震等级、设计使用年限等与图集规定不符,应进行单独复核验算。本文以一非标屋架为例,屋架与排架柱整体建模,分析了考虑吊车荷载-上下弦分别与柱铰接、不考虑吊车荷载-上下弦分别与柱铰接、考虑吊车荷载-屋架与柱铰接、不考虑吊车荷载-屋架与柱铰接,并按图集的计算方法对屋架简化建模。

1 工程概况

该厂房由高低两跨组成,其剖面如图1所示。高跨部分跨度38m,檐口设计标高26.6m,吊车为中级吊车(300/25t);低跨部分跨度36m,檐口设计标高21.0m,吊车为中级吊车(50/5t)。厂房柱距12m,整体采用排架结构,排架柱下阶为钢管混凝土柱,上侧为H型钢。综合考虑厂房跨度、吊车吨位、整体刚度及实际施工安装的方便性与经济性,厂房屋架采用梯形钢屋架。本文主要对38m跨屋架进行分析,其屋架布置如图2所示,主要构件如表1所示。

2 内力计算

屋架按桁架设计,屋架所受荷载作用于上弦节点处,未考虑非节点荷载及次应力影响,采用中国建筑科学研究院PKPM工作部编制的PKPM-STS软件计算内力。屋架与排架柱整体计算时,考虑的荷载如下。1)屋面恒载:0.5MPa。2)屋面活载:0.5MPa。3)风载:基本风压0.55kN/m2,地面粗糙度B类,风荷载体型系数如图3所示。4)吊车荷载:左跨共两台吊车,最大轮压49.6t,最小轮压13.2t,折减系数为0.9;右跨为一台吊车,最大轮压15.3t,最小轮压5.3t。5)地震作用:抗震设防烈度为7度(0.1g),设计地震分组为第一组,4类场地,周期折减系数0.8。通过PKPM建模,分析了考虑吊车荷载-上下弦分别与柱铰接、不考虑吊车荷载-上下弦分别与图3风荷载体型系数柱铰接、考虑吊车荷载-屋架与柱铰接、不考虑吊车荷载-屋架与柱铰接及按图集计算方法五种情况,其含义如表2所示。

3 结果分析

通过PKPM计算,对表2各项目进行计算,分别提取出屋架各主要杆件轴力。由于部分杆件受力较小,其截面主要受长细比控制,在对比分析中并未考虑。屋架各杆件轴力如下。

1)“考虑吊车荷载-上下弦分别与柱铰接”屋架轴力,2)“不考虑吊车荷载-上下弦分别与柱铰接”屋架轴力,3)“考虑吊车荷载-屋架与柱铰接”屋架轴力,4)“不考虑吊车荷载-屋架与柱铰接”屋架轴力,5)“图集计算方法”屋架轴力。由图4~8分析可知:1)“上下弦分别与柱铰接”与“屋架与柱铰接”内力分布不同。前者下弦杆轴力由端部至跨中呈减少—增大—减小的趋势,最大值出现在约1/3分节点上;上弦杆先减小后增大,至跨中达到最大值。后者下弦杆轴力由端部至跨中先增大后减小,最大值出现在约1/3分节点上;上弦杆由端部至跨中呈增大趋势。而腹杆内力变化趋势基本一致。2)“上下弦分别与柱铰接”较“屋架与柱铰接”受下部支撑侧向刚度影响较大。由于厂房由高低两跨组成,下部支撑侧向刚度不同。由图4及图5可以看出,屋架两端轴力分布差异较大,而图6及图7屋架轴力分布基本对称。3)“上下弦分别与柱铰接”较“屋架与柱铰接”受吊车荷载影响较大。由图4及图5可以看出,“上下弦分别与柱铰接”端部轴力受吊车荷载影响较大,至跨中部分轴力分布基本一致;相对来说考虑吊车荷载屋架杆件轴力较大,设计更加安全。而“屋架与柱铰接”屋架受力情况受吊车荷载影响较小。4)“考虑吊车荷载-上下弦分别与柱铰接”屋架端部区域内力分布发生突变,设计中应对相应杆件局部加强。由图4可知,屋架上弦杆端部杆件较相邻杆件最大相差2.6倍,相应下弦杆为1.6倍。5)“屋架与柱铰接”与“图集计算方法”内力结果基本一致,在设计中可按下部为刚性杆简化计算。由图6~8分析可知,屋架轴力分布基本一致。所以在设计中,可将下部柱简化为刚性杆,屋架一端与刚性杆铰接,一端采用滑动支座。也可将屋架支座构件长度取2m左右、截面与弦杆相近,定义为两端铰接。6)综合比较图4~8,“上下弦分别与柱铰接”较“屋架与柱铰接”对应杆件相比轴力较小。

4 结论与建议

1)对于“上下弦分别与柱铰接”梯形屋架,建议与下侧柱整体建模进行计算,并考虑吊车、地震、风荷载等实际受载情况进行设计。

2)对于“屋架与柱铰接“梯形非标屋架,可采用简化计算方法。即将下部支座简化为刚性杆,一端铰按,一端滑动支座连接;也可将下部简化为2m左右、截面与弦杆相近杆件,两端铰接。

3)结合结构特点及施工条件,相比“屋架与柱铰接”情况,“上下弦分别与柱铰接”屋架用钢量较小。4)在复核验算中,对于非标屋架不应随意参考图集,而应根据实际约束条件、受荷工况进行验算。

作者:李建爽 单位:中冶建筑研究总院有限公司建筑工程检测中心

论工业建筑梯形钢屋架计算应注意问题

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