单层单跨门式刚架

单层单跨门式刚架

单层单跨门式刚架 篇1

近年来,轻型门式刚架结构因其造型美观、造价低、布置灵活、施工速度快等优点被广泛应用于单层工业厂房、超市、展览馆、库房以及各类仓储式建筑。国内学者申林和章军等人[3,4]通过算例分析,分别讨论了地震作用组合工况对不同形式门式刚架轻型房屋钢结构的影响,探讨了门式刚架设计过程中地震作用的计算和抗震措施等问题。因此,基于以上研究,为了更加进一步探究轻型门式刚架结构抗震性能的影响。本文利用分析软件ANSYS对《门式刚架轻型房屋钢结构标准图集》(02SG518-1)中18 m跨的单层单跨轻型门式刚架进行了实体建模,通过加载计算分析得出其在地震作用下的受力性能、变形能力、位移和加速度曲线等。最终分析结果表明,图集中门式刚架符合抗震设防要求的结论,对以后的理论分析和工程实践提供一定的参考价值。

1 有限元模型的建立和求解

1.1 模型设计原型

本文有限元计算模型选取《门式刚架轻型房屋钢结构标准图集》中的GJ18-1C刚架。柱脚铰接,柱距6 m,檐口高度为6.9 m,斜梁坡度为1∶15,钢材选用Q235钢。结构承受的荷载见表1。

1.2 有限元模型的建立

本模型的梁柱均选取Beam189单元。根据标准图集中设计要求,门式刚架GJ18 -1C刚架的单元参数分别为:屈服强fy=235N/mm2,弹性模量E=2.06×105N/m2,泊松比μ=0.3,钢材密度为ρ=7.85e-9t/mm3。Beam189有限元模型见图1。Beam189单元截面尺寸见表2。

1.3 模型边界约束的施加

1.3.1 施加柱脚铰接

在柱底的关键点(或节点处)只约束住x方向,y方向和z方向的平动。

1.3.2 施加侧向约束

为了保证刚架平面外的稳定性,在柱中各设一道侧向支撑,约束柱腹板各节点的UZ自由度;钢梁上每隔3 m设置一道侧向支撑,约束相应处钢梁腹板各节点的UZ自由度。施加模型边界约束见图2。

1.4 求解计算

本文分析中采用理想弹塑性材料,考虑结构各类非线性的发展,因此在利用ANSY求解时选用瞬态动力学分析Full法(完全法)。同时分别输入三种地震波对有限元刚架模型在不同工况下进行求解计算。通过时间历程后处理器,得到刚架的应力,位移,速度和加速度的时间历程曲线,从而得到时程分析的结果。

2 18 m门式刚架有限元模型的算例验证

(1)试验门式刚架的设计参数与1.1～1.2中所述的有限元设计模型相同。

考虑振动台的尺寸和承载能力等条件,试验时采用1∶3的比例缩尺模型。试验模型输入El-Centro波进行七种不同工况的地震作用时程分析。

(2)El-Centro波作用下试验结果[5]与时程分析结果的对比。

1)柱顶最大位移分析值和试验实测值的比较。

2)柱顶最大加速度分析值和实测值的比较。

由表3分析可以看出,分析值和实测值大部分误差在25%以内。在八度罕遇和九度罕遇大震作用下的分析值和实测值的误差在15%以内,最小误差为6%。小震作用时,试验的刚架柱脚接近于固接几乎没有转动,使得有限元分析值与试验值相差较多。刚架在中震和大震作用时,加速度峰值的增大,使得实际结构柱脚开始转动,这与有限元模型柱脚铰接约束十分接近,使得结构有限元分析值与实测值也较为接近。由于实际结构比有限元模型的刚度大,而表4的试验实测的放大系数也比有限元模型的大,但位移值均比模型小。在大震作用下,柱顶和屋脊的加速度值的分析值和实测值的误差在19%以内,最小误差为1.3%,吻合度很好。

3)有限元模型对应点应力与试验模型测点实测应力增量的比较。

由表5看出,分析值与实测值吻合较好,同时在九度罕遇烈度测点的应力值超过了钢材的屈服强度,结构构件的梁柱节点区域内的部位从弹性进入塑性,刚架结构的局部出现了屈曲,结构的刚度大幅度降低。有限元分析与试验结果分析一致。根据上面的分析可知,有限元模型的分析值与试验的实测值能较好的吻合,因此所建的有限元刚架模型是可行的。

3刚架模型在不同波和不同工况的时程计算结果分析

3.1 El-Centro波作用下结构动力时程分析结果

3.2 Taft波作用下结构动力时程分析结果

3.3 人工波作用下结构动力时程分析结果

由表6可以看出,在El-Centro波作用下,柱顶和屋脊的位移和加速度值随着输入加速度峰值的增大逐渐增大,但柱顶和屋脊加速度的放大系数几乎没有变化,而在九度罕遇时,柱顶及屋脊的加速度的放大系数分别减少了0.02和0.01。柱顶加速度放大系数较屋脊的略大。

由表7可以看出,在Taft波作用下,随着烈度的不断增大,柱顶和屋脊的位移和加速度也不断增大。从7度多遇到八度罕遇,柱顶和屋脊的加速度放大系数突然降了0.14～0.18,这就导致了结构出现了局部屈曲,从而导致刚架刚度的大幅度降低。使结构遭到严重破坏。

由表8可以看出,在人工波作用下,柱顶加速度放大系数大于屋脊加速度放大系数。同时随着烈度的增大,刚架结构的柱顶和屋脊的位移和加速度逐渐增大。

由表6～8对比看出,Taft波和人工波作用下的结构加速度反应较大,而El-Centro波较小。对比分析表中的八度多遇时柱顶的侧移角看出,Taft波作用时的侧移移角最大,其值为1/261,符合《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)柱顶侧移不大于1/60。

3.4 分析对比三种波在八度(罕遇,基本,罕遇)下的破坏

(1)在El-Centro波作用下时,刚架在八度(罕遇,基本,罕遇)的破坏指标见表9。

(2)对于Taft波和人工波的八度(罕遇,基本,罕遇)的破坏指标经验证后得出刚架模型均符合抗震规范的“小震不坏,中震可修,大震不倒”的要求。从而看出单层单跨门式刚架结构有优良的抗震性能。

4 结论

(1) 在El-Centro波、Taft波和人工波的作用下,刚架结构的位移、侧移角和加速度都随烈度的增大逐渐增大,柱顶的位移和加速度都较屋脊的大,但相差不大,这是由于结构在发生横向地震时钢梁还伴随着竖向震动。说明了在八九度罕遇地震作用时结构的竖向震动对结构有很大影响。

(2)刚架结构在El-Centro波、Taft波和人工波的分别作用下,从七度多遇到八度罕遇,结构柱顶和屋脊的加速度放大系数几乎没有变化,而在九度罕遇时,结构的加速度放大系数均突然降低,这也是由于结构局部屈曲并伴随平面外扭转,从而造成结构的刚度降低,使得结构破坏。

(3)分析对比El-Centro波、Taft波和人工波的八度(罕遇,基本,罕遇)的破坏指标得出《门式刚架轻型房屋钢结构标准图集》(02SG518-1)的单跨门式刚架模型符合抗震规范的“小震不坏,中震可修,大震不倒”的要求。说明了单层单跨门式刚架具有优良的抗震性能。

摘要：为了探究轻型门式刚架结构抗震性能的影响。本文利用有限元分析软件ANSYS对《门式刚架轻型房屋钢结构标准图集》(02SG518-1)[1]中单层单跨门式刚架进行了横向地震作用计算。分析了该结构在不同地震波和不同抗震设防烈度阶段的受力性能、变形特征和破坏机理。最终分析结果表明:标准图集(02SG518-1)刚架的设计符合《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[2]“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防要求。说明单层单跨门式刚架结构具有优良的抗震性能。

关键词：单层单跨门式刚架,地震作用,抗震性能,时程分析

参考文献

[1]02SG518-1,门式刚架轻型房屋钢结构标准图集[R].

[2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[3]申林,胡天兵,蔡益燕.门式刚架结构抗震分析[J].建筑结构,2002,32(12).

[4]章军,王元清,陈宏,石永久.地震作用下门式刚架轻型房屋钢结构的设计与分析[J].四川建筑科学研究,2004,30(2).

轻型单层门式刚架厂房设计问题探讨 篇2

关键词：轻型单层门式刚架厂房,实例分析,优化设计

引言

在我国工业化进程显著提高的下, 越来越多的工厂在设计中采用轻型单层门式钢结构施工。此结构以其结构强度高、机械化程度高、反复利用率高和适应厂房建设需求等在建设中得到普及。在多年的实践中, 本人总结出轻型单层门式钢架的一些设计、施工规律和工程容易遇到的问题。通过广泛的阅读, 学习国内外此结构的各种先进理论, 提出一些解决方案用以共同探讨。

1 计算模型与整体分析

1.1 确定计算模型

一般轻型单层门式钢架厂房跨度都很大, 结构的横纵比例很大。所以结构构建上要使钢建的稳定性加强, 结构横向主钢易采用刚接手段, 结构纵向上以铰接来把刚性系杆的承重能力整合。建设中常常用二维平面结构计算模型进行工程数据的分析。

1.2 荷载因素

在厂房屋顶的选择上, 如果工程以压型轻型钢板为屋面, 屋面竖向均布活荷载的标准值 (按水平投影面积计算) 应取0.5kN/m2 (如檩条等构件的设计) , 但对受荷水平投影面积大于60m2的主刚架构件, 屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3kN/m2。

1.3 风荷载和地震作用影响

轻型单层门钢架的施工中, 要将工程的风力荷载和地震作用分别进行分析计算。由于此结构重量轻, 所以地震中的反应力也很少, 地震超过8度的地区一般才将地震作用力考虑在工程设计中, 其他地区只要把风、雪、活荷载等考虑周全就可以了。我国海岸线长, 建设在海边的轻型单层门钢架厂房受风荷载的影响为主。在工程的构建设计上就要充分计算不同时间不同气候下风力对结构的作用力, 进而完成设计。

1.4 变形验算过程

由于钢架厂房对于结构强度的要求, 钢架厂房的变形问题就往往很容易被忽视。

在对钢架厂房构件进行变形计算时, 工程构件可直接进行全截面计算, 而无需考虑螺栓孔引起的截面削弱。

由于柱顶位移和构件挠度产生的屋面坡度改变值, 不应大于坡度设计值的1/3。刚架的变形验算主要包括刚架柱顶位移和刚架梁的挠度验算两个方面, 见下表

注:表中h为刚架柱高度, L为刚架梁的跨度

2 柱脚

单层门式刚架厂房的柱脚多是外露式铰接设计的, 但是如果在厂房拥有5t以上的大吨位吊车时, 厂房柱脚最好使用刚接以增强受力稳定性。柱脚锚栓的设计, 给锚栓留有足够的余量。

3 单层门式刚架厂房的结构构件设计

3.1 主刚架

主刚架由边柱、刚架梁、中柱等构件组成。边柱和梁通常根据门式刚架弯矩包络图的形状设计成变截面以达到节约材料的目的 (有吊车的厂房通常在牛腿处变截面) ;中柱以承受轴力为主, 一般可采用等截面。对于一些跨度较大吊车较重的厂房也可采用格构式柱。

3.2 支撑体系的确立

轻型单层门式钢架厂房的支撑需要设置柱间支撑开间, 应该同时设置屋盖横向支撑, 以组成几何不变体系。厂房不设置吊车或设置5t以下吊车时, 可采用圆钢支撑以降低造价;厂房设置5t及上吊车时, 柱间支撑宜采用型钢支撑, 在温度区段吊车梁以下不宜设置柱间刚性支撑;在设有带驾驶室且起重量大于15t桥式吊车的跨间应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架, 当桥式吊车起重量较大时, 尚应采取措施增加吊车梁的侧向刚度。

4 工程实例

该工程所在地在江西省南昌市某地, 屋面活荷载:0.3KN/m^2 (刚架) /0.5 KN/m^2 (檩条) , 屋面附加恒载:0.15KN/m^2, 基本风压0.45KN/m^2, 基本雪压:基本风压0.45KN/m^2, 抗震设防烈度为6度 (0.05g) , 丙类, 场地类别:II类

工程变形限制:柱顶水平位移:H/60, 屋面梁挠度:L/200, (无吊顶) 屋面檩条挠度:L/150 (无吊顶)

工程屋面坡度3%, 檐口高度9.0m, 边墙柱距16@8.0m, 山墙柱距15@8.0m, 每跨120m, 无吊车梁, 柱脚铰接, 主钢构采用Q345B, 檩条采用Q345A, 刚性系杆采用Q235B, 地脚锚栓采用Q235B。

钢柱构件型号采用:边柱:H (300~650) X200X5X10;中柱:H350X260X5X12;抗风柱:H350X160X5X8, 屋面梁具体型号参见附图框架立面图, 屋面采用拉杆及交叉支撑, 边墙墙面及建筑内部设置交叉支撑。

5 单层门式刚架厂房的优化设计

单层门式钢架结构虽然已经有许多优点, 但是在设计和施工中还是存在着许多可以优化的环节。对单层门式刚架厂房的优化设计不仅要保持施工质量的精品性还要在各构件的用料上精打细算, 为工程的节省资金投入, 减少施工用料的无用消耗率。

5.1 结构重要性系数:

如果厂房的寿命在25年时, 那单层门钢架结构的重要性系数则不能小于0.95。如果使用年限不及25年, 则可以根据实际情况进行用钢量的减少。

5.2 门式刚架的柱距:

轻型单层门式钢架一般采用的柱距是6~9m, 在柱距多余九米的情况下, 用钢量比少于九米柱距的用钢量多很多。所以在建筑采用较大柱距时, 可以通过设立格构式檩条来弥补因柱距加大加设屋面檩条与墙梁体系而增加的用钢量。

5.3 门式刚架的经济跨度:

门式钢架的跨度应在18~30m之间才能保持施工的用钢量, 所以只为追求大跨度的施工是不可靠的。

5.4 多跨厂房:

工程在柱距、跨度及吊车吨位等相似的情况下易宜选用多跨厂房, 对于拥有大吨位吊车的厂房, 对刚度需求很大, 而多跨厂房由于其侧向刚度较普通厂房较大。在施工时, 应尽量布置到中间跨 (中柱以承受轴力为主) 。

5.5 对于主刚架截面:

变截面柱的最大截面高度取最小截面高度的2~3倍为较优截面;刚架梁变截面长度一般取跨度的1/6~1/5较为经济。

6 结语

轻型单层门式钢架结构以其优异的性能得到普及的同时, 也暴露了结构易出现的问题, 和各种潜在的威胁因素。这就要求技术人员应该在总结过去优秀经验时也要开始对轻型单层门式钢架结构的设计和施工进行创新, 为工程建设的整体发展添砖加瓦。

参考文献

[1]张浩.门式刚架设计的几个问题[J].安徽工程科技学院学报, 2005, 20 (3) :72-75.

[2]CECS102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[M].北京:中国计划出版社, 2003.

[3]张其林.轻型门式刚架[M].济南:山东科学技术出版社, 2004.