谈探讨门式刚架抗侧力设计
最后更新时间：2024-03-15
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论文导读：
摘要：门式刚架作为常用的结构形式，拥有典型的受力特性和良好的经济指标。本文将就这种典型的结构形式展开探讨，通过对带摇摆柱门式刚架和带普通柱门式刚架的抗侧力分析，得出摇摆柱和普通柱的选用标准，并为以后类似结构设计提供一定的参考价值。
关键词：门式刚架摇摆柱
Abstract: Portal frame as a common structural form, which come with the typical characteristics of force and good economic indicators. This paper discuss the typical structure forms, according to sway column and column portal frame under lateral force analysis, draw sway column selection criterion for similar structure design, and provides a certain reference value.
Key word: Portal frame Swing columns
1 前言
带摇摆柱门式刚架结构的选用在轻型钢结构厂房的设计中有较为突出的应用，究其根本是考虑摇摆柱作为轴心受压构件，其受力简单，且构件截面较易控制，经济指标较为显著。本文通过对柱底铰接且带摇摆柱门式刚架和带普通柱门式刚架的抗侧力分析，研究门式刚架在侧向力作用下的受力机理，探讨摇摆柱和普通柱的取舍标准。
门式刚架结构抵抗侧向力的受力机理概述
单跨门式刚架结构柱底铰接时抵抗侧向力的受力机理：选取单跨门式刚架平面内作为研究对象。由钢柱及柱顶端部钢梁组成的L形单元之间通过中间钢梁单元传力实现L形单元的受弯，L形单元的抗弯成为抵抗侧向力的核心。
多跨门式刚架结构柱底铰接时抵抗侧向力的受力机理：选取多跨门式刚架平面内作为研究对象。多跨即是单跨的拓展，可以理解为依次由钢柱及柱顶端部钢梁组成的L形单元，钢柱及柱顶两侧端部钢梁组成的T形单元之间通过中间钢梁单元传力实现L形单元和T形单元的受弯，L形和T形单元的抗弯成为抵抗侧向力的核心。
带摇摆柱和带普通柱门式刚架在PKPM STS中的抗侧力计算与分析
如下图所示一两跨门式刚架单层厂房，跨度32x2米，檐口高度9米，不带吊车，采用铰接柱脚，中柱为摇摆柱和普通柱两种方案，进一步细分为5%双坡摇摆柱，5%双坡普通柱，10%双坡摇摆柱，10%双坡普通柱，5%单坡摇摆柱，5%单坡普通柱，10%单坡摇摆柱，10%单坡普通柱共8种方案。因分析需要暂不考虑竖向荷载，仅在檐口位置加载向左的水平力F=100kN。其中各杆件截面型号依次为：1 H(600～1200)X500X8X14 2 H(1200～600)X250X8X123H600X200X8X104 H(600～1000)X250X8X12 5 H600X350X8X12
通过PKPM2010STS 门式刚架二维分析程序进行计算，分别得到如下位移和内力：
附图一5%双坡中柱柱顶铰结与刚结：
附图二10%双坡中柱柱顶铰结与刚结：
附图三5%单坡中柱柱顶铰结与刚结
附图四10%单坡中柱柱顶铰结与刚结
各种方案的位移、转角及内力整理如下表所示：
表1
把中柱顶位移作为分析出发点，对比转角位移和水平位移，得出如下结论：中柱柱顶铰结时中柱柱顶位移和柱顶钢梁转角均较大，且弯矩集中在门式刚架的边跨柱顶L形单元，内力集中严重，而中柱顶的梁段弯矩较小，这与门式刚架各受力单元的截面发挥效率应相对均衡的宏观设计目标不一致。反观中柱柱顶刚结时中柱柱顶位移和柱顶钢梁转角均较小，且弯矩均匀分布在门式刚架的边跨柱顶L形单元和中柱T形单元，这与门式刚架各受力单元的截面发挥效率应相对均衡的宏观设计目标较为一致。
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》第6.1.3节的规定，把摇摆柱的存在定义为抗侧力不利影响，即通过加大边柱的计算长度来弥补，这与门式刚架在竖向荷载作用下侧向稳定的可靠度不降低是一致的。拓展门式刚架的抗侧力属性，论文导读：的效果，这就要求各个钢柱与刚架梁刚结。除了对柱顶位移有较为严格的情况以外，门式刚架结构采用柱底铰结的处理方式是比较符合结构本身的受力特性的，尤其对跨度相对于刚架高度较为显著的情况下，采用柱底铰接，计算分析发现无论是对基础设计还是对L形单元的柱分肢截面都较为经济。这一点从刚结柱脚与L形单元所承担的弯矩大致
这一点与《钢结构设计规范》5.
1可以得出。中柱柱顶转角刚度作为抵抗侧向力的关键点，除去梁、柱自身线刚度外，最直接影响的是约束点上部的刚梁坡度。暂且把横梁坡度对抗侧力的影响称作抗侧力非线性影响，即刚架梁的轴向力对各抗侧结点扭转的附加弯矩的影响。在纯框架抗侧体系中，横梁轴心力对框架柱顶的弯矩的影响近似认为是零，即抗侧力是以剪力和弯矩的形式体现的。而在门式刚架中，考虑到屋面钢梁的截面变化大、跨度较大、竖向荷载引起的下挠度大及初始坡度等因素的影响，抗侧力非线性影响值得进一步研究。
从表1可以得出：在同等条件下，以上各种形式刚架的位移大小顺序应该为：多跨单坡>多跨双坡；坡度大的>坡度小的。就本文计算模型而言，虽前提是忽略竖向外荷载，只考虑水平力的影响，但程序对刚架自重仍作为竖向荷载考虑，于是中间钢柱两侧钢梁的轴力对梁柱结点产生偏心距，即产生附加弯矩。初始坡度越大，轴心力对应的力臂越大。在实际门式刚架结构计算中，屋面恒活荷载往往成为梁柱截面的控制荷载，因此让水平荷载产生的弯矩尽量均匀分布在刚架各个抗侧受力单元内就有十分显著的效果，这就要求各个钢柱与刚架梁刚结。
除了对柱顶位移有较为严格的情况以外，门式刚架结构采用柱底铰结的处理方式是比较符合结构本身的受力特性的，尤其对跨度相对于刚架高度较为显著的情况下，采用柱底铰接，计算分析发现无论是对基础设计还是对L形单元的柱分肢截面都较为经济。这一点从刚结柱脚与L形单元所承担的弯矩大致按1：2的分配比例得到验证。实际上门式刚架这种结构形式对刚架的几何外观是有一定要求的，比如说跨高比过小或者过大都不能充分发挥结构的优势，可能都已超出门式刚架规程的合理范围。从以往设计经验来讲，比如檐口标高较高而跨度相对较小的门形刚架，已接近框架的形式，按普通钢结构设计较为合理。同时，如果跨高比过大，刚架已接近排架的受力模式，刚架梁的承载力就取决于跨中截面的实质性承载力，此时抗侧力基本由柱底刚结的排架承担，此时一味加强L形单元已不是解决问题的捷径。
结论
门式刚架轻型房屋结构中，刚架柱根据其在受力单元中所承担的角色，来决定采用固结还是铰接的形式。具体而言，通常情况下边柱柱底宜为铰接;中间柱柱顶宜为刚结，柱底宜为铰接，慎用摇摆柱。
参考文献：
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002
《钢结构设计规范》GB 50017-2003
[3]《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012
[4]《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205-20 12
摘要：门式刚架作为常用的结构形式，拥有典型的受力特性和良好的经济指标。本文将就这种典型的结构形式展开探讨，通过对带摇摆柱门式刚架和带普通柱门式刚架的抗侧力分析，得出摇摆柱和普通柱的选用标准，并为以后类似结构设计提供一定的参考价值。
关键词：门式刚架摇摆柱
Abstract: Portal frame as a common structural form, which come with the typical characteristics of force and good economic indicators. This paper discuss the typical structure forms, according to sway column and column portal frame under lateral force analysis, draw sway column selection criterion for similar structure design, and provides a certain reference value.
Key word: Portal frame Swing columns
1 前言
带摇摆柱门式刚架结构的选用在轻型钢结构厂房的设计中有较为突出的应用，究其根本是考虑摇摆柱作为轴心受压构件，其受力简单，且构件截面较易控制，经济指标较为显著。本文通过对柱底铰接且带摇摆柱门式刚架和带普通柱门式刚架的抗侧力分析，研究门式刚架在侧向力作用下的受力机理，探讨摇摆柱和普通柱的取舍标准。
门式刚架结构抵抗侧向力的受力机理概述
单跨门式刚架结构柱底铰接时抵抗侧向力的受力机理：选取单跨门式刚架平面内作为研究对象。由钢柱及柱顶端部钢梁组成的L形单元之间通过中间钢梁单元传力实现L形单元的受弯，L形单元的抗弯成为抵抗侧向力的核心。
多跨门式刚架结构柱底铰接时抵抗侧向力的受力机理：选取多跨门式刚架平面内作为研究对象。多跨即是单跨的拓展，可以理解为依次由钢柱及柱顶端部钢梁组成的L形单元，钢柱及柱顶两侧端部钢梁组成的T形单元之间通过中间钢梁单元传力实现L形单元和T形单元的受弯，L形和T形单元的抗弯成为抵抗侧向力的核心。
带摇摆柱和带普通柱门式刚架在PKPM STS中的抗侧力计算与分析
如下图所示一两跨门式刚架单层厂房，跨度32x2米，檐口高度9米，不带吊车，采用铰接柱脚，中柱为摇摆柱和普通柱两种方案，进一步细分为5%双坡摇摆柱，5%双坡普通柱，10%双坡摇摆柱，10%双坡普通柱，5%单坡摇摆柱，5%单坡普通柱，10%单坡摇摆柱，10%单坡普通柱共8种方案。因分析需要暂不考虑竖向荷载，仅在檐口位置加载向左的水平力F=100kN。其中各杆件截面型号依次为：1 H(600～1200)X500X8X14 2 H(1200～600)X250X8X123H600X200X8X104 H(600～1000)X250X8X12 5 H600X350X8X12
通过PKPM2010STS 门式刚架二维分析程序进行计算，分别得到如下位移和内力：
附图一5%双坡中柱柱顶铰结与刚结：
附图二10%双坡中柱柱顶铰结与刚结：
附图三5%单坡中柱柱顶铰结与刚结
附图四10%单坡中柱柱顶铰结与刚结
各种方案的位移、转角及内力整理如下表所示：
表1
把中柱顶位移作为分析出发点，对比转角位移和水平位移，得出如下结论：中柱柱顶铰结时中柱柱顶位移和柱顶钢梁转角均较大，且弯矩集中在门式刚架的边跨柱顶L形单元，内力集中严重，而中柱顶的梁段弯矩较小，这与门式刚架各受力单元的截面发挥效率应相对均衡的宏观设计目标不一致。反观中柱柱顶刚结时中柱柱顶位移和柱顶钢梁转角均较小，且弯矩均匀分布在门式刚架的边跨柱顶L形单元和中柱T形单元，这与门式刚架各受力单元的截面发挥效率应相对均衡的宏观设计目标较为一致。
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》第6.1.3节的规定，把摇摆柱的存在定义为抗侧力不利影响，即通过加大边柱的计算长度来弥补，这与门式刚架在竖向荷载作用下侧向稳定的可靠度不降低是一致的。拓展门式刚架的抗侧力属性，论文导读：的效果，这就要求各个钢柱与刚架梁刚结。除了对柱顶位移有较为严格的情况以外，门式刚架结构采用柱底铰结的处理方式是比较符合结构本身的受力特性的，尤其对跨度相对于刚架高度较为显著的情况下，采用柱底铰接，计算分析发现无论是对基础设计还是对L形单元的柱分肢截面都较为经济。这一点从刚结柱脚与L形单元所承担的弯矩大致
这一点与《钢结构设计规范》5.
3.6附有摇摆柱的无支撑纯框架柱和弱支撑框架柱的计算长度系数是基本一致。
多跨门式刚架的结构形式按跨度主要分为：多跨单坡、多跨双坡，如前文所示。中柱柱顶铰结和中柱柱顶刚结对刚架结构形式的敏感程度从表源于：党校毕业论文www.7ctime.com1可以得出。中柱柱顶转角刚度作为抵抗侧向力的关键点，除去梁、柱自身线刚度外，最直接影响的是约束点上部的刚梁坡度。暂且把横梁坡度对抗侧力的影响称作抗侧力非线性影响，即刚架梁的轴向力对各抗侧结点扭转的附加弯矩的影响。在纯框架抗侧体系中，横梁轴心力对框架柱顶的弯矩的影响近似认为是零，即抗侧力是以剪力和弯矩的形式体现的。而在门式刚架中，考虑到屋面钢梁的截面变化大、跨度较大、竖向荷载引起的下挠度大及初始坡度等因素的影响，抗侧力非线性影响值得进一步研究。
从表1可以得出：在同等条件下，以上各种形式刚架的位移大小顺序应该为：多跨单坡>多跨双坡；坡度大的>坡度小的。就本文计算模型而言，虽前提是忽略竖向外荷载，只考虑水平力的影响，但程序对刚架自重仍作为竖向荷载考虑，于是中间钢柱两侧钢梁的轴力对梁柱结点产生偏心距，即产生附加弯矩。初始坡度越大，轴心力对应的力臂越大。在实际门式刚架结构计算中，屋面恒活荷载往往成为梁柱截面的控制荷载，因此让水平荷载产生的弯矩尽量均匀分布在刚架各个抗侧受力单元内就有十分显著的效果，这就要求各个钢柱与刚架梁刚结。
除了对柱顶位移有较为严格的情况以外，门式刚架结构采用柱底铰结的处理方式是比较符合结构本身的受力特性的，尤其对跨度相对于刚架高度较为显著的情况下，采用柱底铰接，计算分析发现无论是对基础设计还是对L形单元的柱分肢截面都较为经济。这一点从刚结柱脚与L形单元所承担的弯矩大致按1：2的分配比例得到验证。实际上门式刚架这种结构形式对刚架的几何外观是有一定要求的，比如说跨高比过小或者过大都不能充分发挥结构的优势，可能都已超出门式刚架规程的合理范围。从以往设计经验来讲，比如檐口标高较高而跨度相对较小的门形刚架，已接近框架的形式，按普通钢结构设计较为合理。同时，如果跨高比过大，刚架已接近排架的受力模式，刚架梁的承载力就取决于跨中截面的实质性承载力，此时抗侧力基本由柱底刚结的排架承担，此时一味加强L形单元已不是解决问题的捷径。
结论
门式刚架轻型房屋结构中，刚架柱根据其在受力单元中所承担的角色，来决定采用固结还是铰接的形式。具体而言，通常情况下边柱柱底宜为铰接;中间柱柱顶宜为刚结，柱底宜为铰接，慎用摇摆柱。
参考文献：
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002
《钢结构设计规范》GB 50017-2003
[3]《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012
[4]《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205-20 12