李 森,田興運(yùn)

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌712100)

0 前 言

PKPM中STS模塊是中國(guó)建筑科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的集平面空間于一體的功能強(qiáng)大的以鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算為主導(dǎo)的建筑軟件,是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛,被絕大多數(shù)設(shè)計(jì)院所認(rèn)可的鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算程序[1～3]。在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)應(yīng)用STS進(jìn)行門(mén)式剛架設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)極大地提高了效率,因此熟練地掌握STS,對(duì)于從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人來(lái)說(shuō)是非常必要的。以下結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì),就PKPM中STS模塊如何進(jìn)行門(mén)式剛架內(nèi)力分析展開(kāi)論述。

1 設(shè)計(jì)條件

1.1 設(shè)計(jì)資料

該工程為寬18 m、長(zhǎng)36 m的雙坡單跨門(mén)式剛架廠(chǎng)房,標(biāo)準(zhǔn)柱距6 m,屋面坡度10%,檐口高度7.2 m,柱底標(biāo)高-0.20 m,每跨設(shè)1臺(tái)吊車(chē),墻面1.2 m以下為磚墻,屋脊標(biāo)高為8.1 m,屋面檁條以及墻梁采用冷彎C型鋼,柱間設(shè)兩道橫向水平支撐。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)[4,5]

地面粗糙度:B類(lèi)

結(jié)構(gòu)重要系數(shù):γ0=1.0

基本風(fēng)壓:ω0=0.35 kN/m2

基本雪壓:ζ0=0.3 kN/m2

屋面活載:

設(shè)計(jì)檁條q=0.5 kN/m2

設(shè)計(jì)剛架q=0.3 kN/m2

屋面恒載:g=4.02 kN/m2

屋面板:角馳Ⅲ型單層彩鋼板

墻面板:820型雙層彩鋼板

吊車(chē)荷載:每跨均為1臺(tái)A5級(jí)5 t橋式吊車(chē)

吊車(chē)參數(shù)如表1所示。

表1 吊車(chē)參數(shù)

2 模型的建立

2.1 兩種建模方式

(1)快速建模;

(2)普通建模。

本設(shè)計(jì)采用快速建模。

點(diǎn)擊桌面PKPM快捷方式,點(diǎn)選鋼結(jié)構(gòu)模塊,進(jìn)入STS門(mén)式剛架二維設(shè)計(jì)程序主界面,如圖1所示。

點(diǎn)擊圖1中的【快捷建?！肯吕藛?如圖 2所示。在彈出的下拉菜單中選擇【門(mén)式剛架】,進(jìn)入門(mén)式剛架快速建模截面,輸入跨的信息,如圖3所示。

圖1 門(mén)式剛架二維設(shè)計(jì)程序主界面

圖2 快速建模下拉菜單

圖3 門(mén)式剛架快速建模界面

2.2 構(gòu)件截面定義及布置

2.2.1 柱定義及布置

在進(jìn)行柱布置之前,首先要進(jìn)行柱截面定義,依次點(diǎn)取【柱布置】→【截面定義】,進(jìn)入截面定義對(duì)話(huà)框,如圖4所示。

圖4 柱截面定義對(duì)話(huà)框

對(duì)于新建項(xiàng)目,點(diǎn)選【增加】,從系統(tǒng)截面庫(kù)里選擇截面類(lèi)型,輸入尺寸,如圖5和圖6所示。定義好截面以后,進(jìn)行柱的布置:選擇定義好的截面,點(diǎn)擊圖6中的【確定】按鈕,進(jìn)入柱布置截面,輸入柱對(duì)軸線(xiàn)的偏心和柱截面的布置方式,如圖6、圖7所示①對(duì)于邊柱,如果柱的中心線(xiàn)和軸線(xiàn)不在同一條線(xiàn)上,需輸入偏心距,左偏為正,右偏為負(fù)。。

圖5 柱截面類(lèi)型

圖6 柱截面參數(shù)對(duì)話(huà)框

參數(shù)解釋:

材料:選擇5—鋼

軸壓對(duì)Y軸截面分類(lèi):b類(lèi)[2]

圖7 柱對(duì)軸線(xiàn)的偏心及柱截面布置角度輸入

2.2.2 梁定義及布置

步驟同柱的定義及布置,參考2.2.1中關(guān)于柱的定義及布置,此處不再贅述。柱截面尺寸為:H450×200×8×12(單位:mm)。

2.2.3 梁柱計(jì)算長(zhǎng)度定義

2.2.3.1 梁平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度

梁平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度理論上應(yīng)該取彎矩包絡(luò)圖兩反彎點(diǎn)之間的距離,STS考慮的計(jì)算長(zhǎng)度是梁在兩柱之間的斜線(xiàn)長(zhǎng)度,根據(jù)彎矩包絡(luò)圖可以看出這個(gè)值比反彎點(diǎn)之間的距離要長(zhǎng),所以STS是偏安全計(jì)算的。在確定梁平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度時(shí),在STS平面分析程序中,平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度的系數(shù)默認(rèn)為-1,表示由程序自動(dòng)確定計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)[3]。本工程為單跨剛架,故采用系數(shù)-1。

2.2.3.2 梁平面外的計(jì)算長(zhǎng)度

門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)中梁構(gòu)件平面外的計(jì)算長(zhǎng)度為其有效側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離,其主要依據(jù)是支撐點(diǎn)處一般為平面外失穩(wěn)波形的反彎點(diǎn),屋面檁條連接于梁的上翼緣,而梁的上、下翼緣都可能因?yàn)槭軌憾a(chǎn)生側(cè)向失穩(wěn)。當(dāng)梁截面高度不是很大,跨度較小時(shí),可認(rèn)為隅撐可以起到下翼緣平面外側(cè)向支撐的作用,以3 m作為平面外計(jì)算長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算屋面梁的平面外穩(wěn)定[3]。

2.2.3.3 柱平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度

對(duì)于鋼柱,程度可以根據(jù)梁柱線(xiàn)剛度比自動(dòng)計(jì)算柱子的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。

2.2.3.4 柱平面外的計(jì)算長(zhǎng)度

對(duì)于單層吊車(chē)廠(chǎng)房柱,牛腿標(biāo)高以下柱的長(zhǎng)度作為下段柱的計(jì)算長(zhǎng)度,牛腿標(biāo)高到柱頂標(biāo)高之間的距離作為上段柱的計(jì)算長(zhǎng)度[3]。

2.2.4 設(shè)置梁柱接點(diǎn)

本工程所有節(jié)點(diǎn)均為剛接,所以不用設(shè)置鉸接點(diǎn),程序默認(rèn)情況下,所有節(jié)點(diǎn)均為剛接,所以在此不用修改,默認(rèn)即可。

2.2.5 恒載輸入

程序提供3種恒載輸入方式:節(jié)點(diǎn)荷載、柱間恒載、梁間恒載,如圖8、圖9和圖10所示。

屋面恒載轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性荷載形式按照梁間恒載輸入,本工程屋面恒載g=4.02 kN/m2,轉(zhuǎn)化為線(xiàn)荷載g1=4.02×6=24.12 kN/m,在圖10中輸入,然后通過(guò)窗選方式選擇所有梁?jiǎn)卧?/p>

圖8 輸入節(jié)點(diǎn)荷載

圖9 柱間恒載輸入

圖10 梁間恒載輸入

下面定義柱間恒載,作用在柱子上的恒載只有吊車(chē)梁的自重,故按節(jié)點(diǎn)恒載輸入,如圖8所示。該情況下只需考慮節(jié)點(diǎn)彎矩和節(jié)點(diǎn)豎向力,通過(guò)計(jì)算:M=6.2 kN?m①注意輸入彎矩時(shí)以順時(shí)針為正,選擇節(jié)點(diǎn)需在布置模式或窗口模式下進(jìn)行。,V=8.2 kN。

2.2.6 活載輸入

屋面活載取0.3 kN/m,按梁間活載方式輸入,操作方法同恒載輸入,此處不再贅述。

2.2.7 左風(fēng)輸入

程序提供4種左風(fēng)荷載輸入方式:節(jié)點(diǎn)左風(fēng)、柱間左風(fēng)、梁間左風(fēng)及自動(dòng)布置。一般對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu),采用人工干預(yù)方法,對(duì)于規(guī)則對(duì)稱(chēng)的門(mén)式剛架結(jié)構(gòu),最有效的是采取自動(dòng)布置[3]。本工程采用自動(dòng)布置,如圖11所示。各數(shù)據(jù)輸入后點(diǎn)擊【確定】,完成左風(fēng)荷載的自動(dòng)布置。

圖11 左風(fēng)自動(dòng)輸入與修改對(duì)話(huà)框

參數(shù):地面粗糙度取B類(lèi)[4];

基本風(fēng)壓取0.35 kN/m[4];

調(diào)整系數(shù)取1.05[5]。

2.2.8 右風(fēng)輸入

方法同左風(fēng)荷載布置,如圖12所示。

圖12 右風(fēng)自動(dòng)輸入與修改對(duì)話(huà)框

2.2.9 吊車(chē)荷載輸入

點(diǎn)擊【吊車(chē)荷載】(圖1),彈出如圖13所示的界面。點(diǎn)擊【吊車(chē)數(shù)據(jù)】進(jìn)行吊車(chē)荷載定義,彈出吊車(chē)荷載定義截面,如圖14所示。點(diǎn)擊【增加】,程序彈出如圖15所示的界面。點(diǎn)擊按鈕,進(jìn)入吊車(chē)荷載輸入向?qū)鐖D16所示。點(diǎn)擊【第一臺(tái)吊車(chē)序號(hào)1】,彈出吊車(chē)數(shù)據(jù)輸入對(duì)話(huà)框,如圖17所示。將甲方提供的吊車(chē)數(shù)據(jù)或從吊車(chē)庫(kù)中選擇的已有吊車(chē)數(shù)據(jù)輸入到各欄內(nèi),然后點(diǎn)擊【增加】,再點(diǎn)擊【確定】,返回圖 16所示界面,點(diǎn)擊【計(jì)算】得到吊車(chē)荷載計(jì)算結(jié)果,點(diǎn)擊【直接導(dǎo)入】,返回到圖15,剛才計(jì)算得到的吊車(chē)荷載自動(dòng)導(dǎo)入到表格中,點(diǎn)擊【確定】,彈出如圖14所示界面,點(diǎn)擊【存入用戶(hù)吊車(chē)庫(kù)】,將定義吊車(chē)荷載存入吊車(chē)庫(kù)。

2.2.10 鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入

點(diǎn)擊【參數(shù)輸入】(圖1),進(jìn)入【鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入與修改】界面。

點(diǎn)選【結(jié)構(gòu)類(lèi)型參數(shù)】,輸入各參數(shù),如圖18所示。

點(diǎn)選【總信息參數(shù)】,輸入各參數(shù),如圖19所示。

圖13 吊車(chē)荷載輸入截面

圖14 吊車(chē)荷載定義

圖15 吊車(chē)荷載數(shù)據(jù)

圖16 吊車(chē)荷載輸入向?qū)?/p>

點(diǎn)選【地震計(jì)算參數(shù)】,如圖20所示。門(mén)式剛架輕型結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度為7°或7°以下時(shí),不考慮地震作用[5]。本工程屬于7°設(shè)防地區(qū),基本加速度為 0.1g,地震分組為第二組[4],故無(wú)需考慮抗震,選則“5—不考慮”。

圖17 吊車(chē)荷載輸入對(duì)話(huà)框

點(diǎn)選【荷載分項(xiàng)及組合系數(shù)】,得到如圖 21所示界面,其中參數(shù)由程序自動(dòng)給出,不需修改。

圖18 結(jié)構(gòu)類(lèi)型參數(shù)輸入

圖19 總信息參數(shù)輸入

圖20 地震計(jì)算參數(shù)輸入

圖21 荷載系數(shù)及組合系數(shù)輸入

2.2.11 計(jì)算簡(jiǎn)圖

點(diǎn)擊【計(jì)算簡(jiǎn)圖】(圖1),可以查詢(xún)模型的幾何、荷載等相關(guān)信息,菜單如圖22所示。

圖22 簡(jiǎn)圖查詢(xún)菜單

3 電算結(jié)果及其分析

3.1 電算結(jié)果

電算結(jié)果如圖23所示,分別為彎矩包絡(luò)圖、剪力包絡(luò)圖和軸力包絡(luò)圖。

圖23 電算結(jié)果圖

3.2 結(jié)果分析

由以上內(nèi)力包絡(luò)圖知,剛架控制截面為斜梁兩端面、柱頂截面、柱腳截面及吊車(chē)作用處截面,選用材料后以計(jì)算出的內(nèi)力為依據(jù)可以查看軟件自動(dòng)分析結(jié)果,從軟件計(jì)算文本知,本工程所選構(gòu)件均滿(mǎn)足要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文用PKPM中的STS模塊建立了二維門(mén)式剛架內(nèi)力計(jì)算模型,通過(guò)計(jì)算得出門(mén)式剛架設(shè)計(jì)控制截面為:斜梁兩端面、柱頂截面、柱腳截面及吊車(chē)作用處截面,且由軟件計(jì)算文檔知初選截面都能滿(mǎn)足受力及變形要求。同時(shí)通過(guò)建模計(jì)算將STS用于門(mén)式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)便捷高效的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)了出來(lái)。

[1]楊秋鳴.正確理解和掌握PKPM程序[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2006,(1):124-125.

[2]戴國(guó)欣.鋼結(jié)構(gòu)(第3版)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2007.

[3]易富民,董 偉.PKPM STS鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—從入門(mén)到精通[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,2010.

[4]GB50009—2001.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[5]CECS102—2002.門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.