作者簡介：

陳泊霖（1992—），主要從事道路橋梁研究及項(xiàng)目建設(shè)管理工作。

摘要：文章對(duì)南寧明月湖公園某門式剛架進(jìn)行風(fēng)荷載結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，在不同等級(jí)風(fēng)荷載下，分析結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力，為門式剛架臨時(shí)房屋的設(shè)計(jì)及施工提供參考。驗(yàn)算結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)能抵抗會(huì)議當(dāng)天5級(jí)風(fēng)力荷載，但不滿足10年基準(zhǔn)期使用要求，應(yīng)在現(xiàn)有配重下每邊增加700 kg壓重。

關(guān)鍵詞：門式剛架；風(fēng)荷載；強(qiáng)度剛度比；結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

中圖分類號(hào)：U446.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 42 142 2

0 引言

門式剛架輕型結(jié)構(gòu)房屋起源于美國，與混凝土房屋相比，具有結(jié)構(gòu)簡潔、自重輕、受力合理、用鋼量低等特點(diǎn)，同時(shí)便于工廠預(yù)制，施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種鋼結(jié)構(gòu)形式的房屋一經(jīng)推出，就在我國得到快速推廣和應(yīng)用，尤其成為倉庫、廠房、臨時(shí)房屋的首選結(jié)構(gòu)形式［1］。門式剛架輕型結(jié)構(gòu)房屋由于其自身特性，對(duì)風(fēng)荷載較為敏感［2］，設(shè)計(jì)通常采用風(fēng)荷載組合控制，抗風(fēng)設(shè)計(jì)就成為該結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵內(nèi)容［3］。

本文結(jié)合實(shí)際工程，以某門式剛架臨時(shí)房屋為例，按《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）［4］（以下簡稱“門剛規(guī)范”）進(jìn)行風(fēng)荷載工況下的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算［5］，分析不同等級(jí)風(fēng)荷載下，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力的影響，為門式剛架臨時(shí)房屋的設(shè)計(jì)及施工提供參考。

1 工程概況

本文依托工程為南寧市明月湖公園某會(huì)議使用的臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)大棚，采用門式剛架輕型結(jié)構(gòu)形式。工程抗震設(shè)防烈度為7°，基本地震加速度值為0.1 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組設(shè)計(jì)特征周期為0.35 s，建筑抗震設(shè)防類別為丙類。

門剛結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足“門剛規(guī)范”條例3.4規(guī)定的構(gòu)造要求。工字形截面受壓構(gòu)件的翼緣板自由外伸寬度b與厚度tf之比，應(yīng)滿足式（1），fy為翼緣板鋼材屈服強(qiáng)度。

b/tf≤15 235/fy

（1）

工字形截面受壓構(gòu)件的腹板計(jì)算高度與其厚度之比，應(yīng)滿足式（2）：

hw/tw≤250

（2）

受拉構(gòu)件與受壓構(gòu)件的長細(xì)比也應(yīng)滿足“門剛規(guī)范”所規(guī)定的限值，其中受壓構(gòu)件中，主要構(gòu)件與支撐構(gòu)件的長細(xì)比限值分別為180、220，受拉構(gòu)件長細(xì)比限值為250。

根據(jù)“門剛規(guī)范”所規(guī)定的構(gòu)造要求，該門式剛架共設(shè)1層，層高10 m，雙坡屋面，左右坡度均為0.27，屋頂覆蓋輕質(zhì)擋風(fēng)材料，建筑總長60 m、總寬30 m，共7榀鋼架，每榀鋼架之間的間距為10 m，剛架柱、梁均采用Q345。柱腳剛接，采用插入式柱腳，剛架柱采用箱型截面，截面尺寸為500 mm×500 mm×14 mm；剛架梁采用桁架體系，由尺寸為100～200 mm的鋼圓管進(jìn)行交叉焊接，與鋼柱形成一個(gè)完整的支撐體系。如圖1所示為建筑物立面圖。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

對(duì)該建筑物進(jìn)行風(fēng)荷載作用分析時(shí)，需驗(yàn)算剛架的整體穩(wěn)定性，即基礎(chǔ)與地面不脫開的情況。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011），應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行驗(yàn)算［6-7］。

該工程為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在滿足“門剛規(guī)范”所規(guī)定的構(gòu)造要求的基礎(chǔ)上，可忽略內(nèi)部傳力過程，將原本體系較復(fù)雜的桁架體系簡化為二力桿體系［8-9］，如圖2所示。

2.1 模型的建立

本文采用盈建科二維門剛設(shè)計(jì)軟件，建立門式剛架風(fēng)荷載驗(yàn)算的數(shù)值模型。計(jì)算模型包含剛架柱1、2以及剛架梁3、4共4個(gè)構(gòu)件，構(gòu)件編號(hào)詳見上頁圖2。建模步驟為：（1）在門剛模塊進(jìn)行門式剛架快速建模，根據(jù)實(shí)際尺寸填入?yún)?shù)；（2）分別進(jìn)行剛架梁、剛架柱構(gòu)件布置，剛架柱采用實(shí)際尺寸，剛架梁選用型鋼，數(shù)值模型用鋼量與實(shí)際保持一致，均為1 t；（3）進(jìn)行荷載布置，屋頂采用輕質(zhì)擋風(fēng)材料，恒荷載取0.2 kN/m2，不考慮屋頂活荷載，結(jié)構(gòu)自重轉(zhuǎn)換為沿鋼柱方向的節(jié)點(diǎn)荷載，兩邊各5 kN。

“門剛規(guī)范”中規(guī)定，在進(jìn)行門式剛架結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用計(jì)算時(shí)，風(fēng)荷載作用面積應(yīng)取垂直風(fēng)向?qū)?yīng)的最大投影面積，垂直于建筑物表面的單位面積風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk按式（3）進(jìn)行計(jì)算：

wk=βuwuzw0

（3）

式中：β——計(jì)算系數(shù)；

uw——風(fēng)荷載系數(shù)；

w0——基本風(fēng)壓；

uz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

uz與地面粗糙度類別、離地面高度有關(guān)。該門式剛架位于有密集建筑群的城市市區(qū)，高度為10 m，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）［10］（以下簡稱“荷載規(guī)范”），uz取值0.65；根據(jù)“荷載規(guī)范”附表給出了重現(xiàn)期R分別為10年、50年、100年的基本風(fēng)壓，該門式剛架為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，按10年設(shè)計(jì)使用年限來考慮，w0取值0.25 kN/m2；“門剛規(guī)范”與“荷載規(guī)范”均給出了uw的確定原則，前者針對(duì)低矮建筑物的特點(diǎn)，對(duì)與門剛結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載系數(shù)取值更具合理性；計(jì)算系數(shù)β取值1.1［11］。

為驗(yàn)證該門式剛架的安全性，如表1所示給出了4種等級(jí)風(fēng)力情況下的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值。會(huì)議當(dāng)天的風(fēng)力等級(jí)為5級(jí)，根據(jù)中國氣象局發(fā)布的風(fēng)力的等級(jí)劃分對(duì)照表，對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速為10.7 m/s，對(duì)應(yīng)基本風(fēng)壓為0.072 kN/m2；6級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速為13.8 m/s，對(duì)應(yīng)基本風(fēng)壓為0.119 kN/m2；7級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)最大風(fēng)速為17.1 m/s，對(duì)應(yīng)基本風(fēng)壓為0.183 kN/m2；按10年設(shè)計(jì)使用年限所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力等級(jí)為8級(jí)，對(duì)應(yīng)風(fēng)壓為0.250 kN/m2。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 強(qiáng)度應(yīng)力比

強(qiáng)度應(yīng)力比作為描述鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的常用指標(biāo)之一，指結(jié)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下，所承受的最大應(yīng)力與允許應(yīng)力的比值，若強(qiáng)度應(yīng)力比gt;1，則說明結(jié)構(gòu)不安全，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

該門剛結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)力等級(jí)的風(fēng)荷載作用下，剛架柱1、2和剛架梁3、4的強(qiáng)度應(yīng)力比變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)風(fēng)力等級(jí)為5時(shí)，各構(gòu)件強(qiáng)度剛度比lt;1，滿足使用要求；隨著風(fēng)力等級(jí)的增加，剛架柱1、2和剛架梁3、4的強(qiáng)度應(yīng)力比最終趨于一致，其中剛架梁3、4增幅較快，最大增幅為73.8%，說明剛架梁相較于剛架柱受風(fēng)荷載影響更大，且當(dāng)風(fēng)荷載gt;6級(jí)后，剛架梁強(qiáng)度應(yīng)力比gt;1，結(jié)構(gòu)不安全，需考慮設(shè)置抗風(fēng)措施或重新設(shè)計(jì)。

剛架梁在水平風(fēng)荷載作用下，由于沒有側(cè)向支撐，則使剛架梁不僅要承受側(cè)向力，還要承受側(cè)向力引起的扭矩。當(dāng)門剛結(jié)構(gòu)的跨度增大時(shí)，產(chǎn)生的側(cè)向力更大，更容易使剛架梁產(chǎn)生側(cè)向扭矩而失穩(wěn)。在門剛結(jié)構(gòu)中抗風(fēng)措施通常采用設(shè)置抗風(fēng)柱，抗風(fēng)柱與剛架梁的下翼緣連接，在連接處增設(shè)隅撐，增強(qiáng)了側(cè)向受力，保證了剛架梁不因下翼緣受扭而失穩(wěn)。

2.2.2 支座反力

門式剛架在結(jié)構(gòu)自重及風(fēng)荷載作用下應(yīng)滿足基礎(chǔ)與地面不脫開，即支座反力不為負(fù)值。該門剛結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合（恒載+X風(fēng)）或標(biāo)準(zhǔn)組合（恒載-X風(fēng)-i）作用下，構(gòu)件1、2處的支座反力為最小值。

如后頁圖4所示給出了標(biāo)準(zhǔn)組合（恒載+X風(fēng)）下支座反力隨風(fēng)力等級(jí)的變化趨勢(shì)。由后頁圖4可知：隨著風(fēng)力等級(jí)的增大，支座反力降幅逐漸增大；當(dāng)風(fēng)力等級(jí)≤6級(jí)時(shí)，此時(shí)構(gòu)件1、2處的支座反力為正，結(jié)構(gòu)滿足抗傾覆要求；當(dāng)風(fēng)力等級(jí)為7級(jí)時(shí)，構(gòu)件1在+X風(fēng)作用下出現(xiàn)抗拔力大于自重的情況，支座反力為-1.6 kN，此時(shí)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，在現(xiàn)有配重下每邊應(yīng)額外增加200 kg壓重，才能滿足抗傾覆要求；當(dāng)風(fēng)力等級(jí)為8級(jí)時(shí)，支座反力分別為-6.2 kN、-2.6 kN，在現(xiàn)有配重下每邊應(yīng)額外增加700 kg壓重。

3 結(jié)語

本文以某門式剛架為例，進(jìn)行風(fēng)荷載工況下的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，在不同等級(jí)風(fēng)荷載下，對(duì)該結(jié)構(gòu)剛架梁、剛架柱進(jìn)行強(qiáng)度應(yīng)力比及支座反力的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，得到的結(jié)論如下：

（1）該門式剛架為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，應(yīng)符合荷載規(guī)范要求的臨時(shí)建筑按10年基準(zhǔn)期來考慮，基本風(fēng)壓為0.25 kN/m2，最大風(fēng)速為19.7m/s，對(duì)應(yīng)8級(jí)風(fēng)。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力比以及抗傾覆角度分析，本結(jié)構(gòu)能抵抗會(huì)議當(dāng)天5級(jí)風(fēng)力荷載，但不滿足10年基準(zhǔn)期使用要求。

（2）由風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力比的變化趨勢(shì)可知，剛架梁更易受風(fēng)荷載影響，隨著風(fēng)力等級(jí)的增大，剛架梁強(qiáng)度應(yīng)力比迅速變大，最大增幅達(dá)到73.8%，風(fēng)荷載gt;6級(jí)后，結(jié)構(gòu)偏不安全，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)，如設(shè)置抗風(fēng)柱。

（3）在標(biāo)準(zhǔn)組合（恒載+X風(fēng)）或標(biāo)準(zhǔn)組合（恒載-X風(fēng)-i）作用下，該門式剛架支座反力達(dá)到最小值，當(dāng)風(fēng)荷載gt;6級(jí)后，抗拔力大于自重，此時(shí)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，按10年基準(zhǔn)期設(shè)計(jì)即當(dāng)風(fēng)力等級(jí)8級(jí)時(shí)，應(yīng)在現(xiàn)有配重下每邊增加700 kg壓重。

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