侯永琦 楊秀英

（聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

0 引言

門式剛架是一種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，該類結(jié)構(gòu)的上部主構(gòu)架包括剛架斜梁、剛架柱、支撐、檁條、系桿、山墻骨架等。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)具有受力簡單、傳力路徑明確、構(gòu)件制作快捷、便于工廠化加工、施工周期短等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)及文化娛樂公共設(shè)施等工業(yè)與民用建筑中。然而，地下資源的開發(fā)和利用，不可避免地會(huì)破壞地下巖體，引起地表變形，導(dǎo)致門式剛架結(jié)構(gòu)變形，從而影響建筑物的正常使用和結(jié)構(gòu)的安全。因此，對門式剛架抗地表變形能力的研究十分必要。本文僅從門式剛架抗地表變形平面分析研究現(xiàn)狀、空間分析現(xiàn)狀以及蒙皮效應(yīng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 地表變形的破壞作用

我國軟土地區(qū)分布十分廣泛，隨著經(jīng)濟(jì)水平及建筑需求的發(fā)展，人們加大了對地下資源的開發(fā)和利用，而這不可避免地會(huì)破壞地下巖體，引起巖土體內(nèi)的應(yīng)力重分布，巖層產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞，形成一個(gè)變形區(qū)，從而影響地面建筑物、構(gòu)筑物的基礎(chǔ)，使其產(chǎn)生附加應(yīng)力和位移，嚴(yán)重影響建筑物的正常使用和結(jié)構(gòu)的安全。《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對于設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)、乙級(jí)的建筑物均應(yīng)按地基變形設(shè)計(jì)。

當(dāng)?shù)乇硪鬃冃蔚纳喜拷Y(jié)構(gòu)受影響后，將產(chǎn)生附加內(nèi)力，因地表變形而造成建筑破壞的案例時(shí)有發(fā)生。如某門式剛架輕鋼廠房發(fā)生不均勻沉降使多處墻體出現(xiàn)裂縫（見圖1），上海閔行區(qū)某樓體整體傾覆（見圖2）。面對地表變形對建筑物產(chǎn)生的破壞，為了確保對門式剛架應(yīng)用的可靠性，不得不對其抗地表變形的能力進(jìn)行研究。

圖1 墻體裂縫圖

圖2 樓體傾覆圖

2 門式剛架抗地表變形的研究現(xiàn)狀

2.1 門式剛架抗地表變形平面分析研究現(xiàn)狀

由于模擬技術(shù)上的限制，門式剛架結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)研究主要以平面內(nèi)分析為主，對于結(jié)構(gòu)簡單，縱向剛度小的建筑可以獲得較為合理的結(jié)果。已有門式剛架抗地表變形研究主要為抗變形能力、平面內(nèi)穩(wěn)定性及承載力方面。

周淑春，呂恒林等[1]在模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過粘接-滑移本構(gòu)關(guān)系對上部結(jié)構(gòu)、局部基礎(chǔ)進(jìn)行建模，分別對地表在拉伸、壓縮、傾斜及正負(fù)曲率變形條件下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，并提出基礎(chǔ)聯(lián)系梁、柱頂拉桿等加固措施。

丁平，夏軍武等[2]使用有限元軟件模擬鋼框架結(jié)構(gòu)柱腳在地表變形過程中的內(nèi)力變化規(guī)律，分析出柱腳內(nèi)力最大值時(shí)對應(yīng)的地表位置，計(jì)算結(jié)果表明，對抗地表變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮附加內(nèi)力的影響，特別是邊柱柱腳的剪力、彎矩，中柱的軸力。

王元清，章軍等[3]對單跨、雙跨以及有無吊車等多種門剛結(jié)構(gòu)在地基沉降情況下結(jié)構(gòu)所受的影響進(jìn)行模擬分析，對梁端、跨中、柱頂及柱腳等敏感部位附加變形及內(nèi)力進(jìn)行探究，結(jié)果表明，規(guī)范[4]對于地基沉降限值的規(guī)定較為保守，依據(jù)規(guī)范計(jì)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

呂恒林，周淑春等[5]在土與結(jié)構(gòu)物界面的粘接-滑移本構(gòu)模型試驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過ANSYS有限元分析軟件對一榀24m跨門式剛架在多種地表變形條件下的附加內(nèi)力和位移反應(yīng)進(jìn)行分析，并對不同加固保護(hù)措施的適用效果進(jìn)行探討。

卜令全，侯智超等[6]以一雙跨門式剛架為研究對象，對各種地基變形情況下的剛性中柱剛架結(jié)構(gòu)及搖擺中柱剛架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，地表變形情況下中柱連接方式對結(jié)構(gòu)抗變形能力影響較小，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮中柱鉸接（即搖擺柱）結(jié)構(gòu)形式。

卜令全，夏軍武等[7]對一雙跨帶吊車門式剛架進(jìn)行研究，對一榀剛架及下部基礎(chǔ)進(jìn)行建模，通過柱腳、柱頂、牛腿處及梁端等敏感部位的計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證模擬方法的正確性，得到結(jié)構(gòu)在多種地表變形情況下附加內(nèi)力、附加變形的變化規(guī)律及控制部位，并驗(yàn)證變截面梁在地表變形情況下的可行性。

袁浩文[8]對一單跨門式剛架在地表變形情況下結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在對模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)對比后，發(fā)現(xiàn)通過對柱腳施加位移荷載模擬地表變形形式較為合理。通過對不同地表變形情況下的非線性穩(wěn)定性計(jì)算，對比發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)極限承載力有明顯變化，并對結(jié)構(gòu)失穩(wěn)過程中塑性位置出現(xiàn)順序進(jìn)行探討。

夏翔[9]以單跨半剛性門式剛架為研究對象，對其在豎向不均勻沉降、拉伸及壓縮地表變形情況下的平面內(nèi)穩(wěn)定性及機(jī)理進(jìn)行研究，通過非線性分析與足尺試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證模型計(jì)算的正確性，發(fā)現(xiàn)其中以豎向不均勻沉降對結(jié)構(gòu)影響最小，拉伸地表變形影響最大。

由以上可知，對于門式剛架抗地表變形的平面分析已有一定研究，通過對柱腳或局部地基施加位移荷載以模擬土體移動(dòng)，分析附加內(nèi)力影響及平面內(nèi)變化規(guī)律，對于縱向傳力構(gòu)件布置簡單的結(jié)構(gòu)可以獲得較合理的結(jié)果。而對于縱向布置較復(fù)雜的門剛結(jié)構(gòu)，在地表變形后必將影響相鄰平面剛架，且實(shí)際地表變形往往并非單一柱腳產(chǎn)生位移，此時(shí)采取平面分析將與實(shí)際結(jié)果產(chǎn)生一定偏差。

2.2 考慮空間效應(yīng)的門式剛架抗地表變形研究現(xiàn)狀

隨著建筑需求的日益提高，出現(xiàn)越來越多跨度大、縱向結(jié)構(gòu)布置不同的結(jié)構(gòu)，特別是質(zhì)量、剛度不均，高低錯(cuò)落類的結(jié)構(gòu)，隨著模擬技術(shù)的提升，此時(shí)宜考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同作用。蘇妮娜[10]使用SAP2000有限元軟件對豎向荷載下門剛的空間作用進(jìn)行研究，通過與現(xiàn)場靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在荷載作用下有一定的空間作用，其中以端部支撐貢獻(xiàn)最大，在設(shè)計(jì)中不應(yīng)忽略。徐天進(jìn)[11]對門式剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面、空間模型對比分析，空間模型平面外支撐體系對結(jié)構(gòu)空間作用存在影響，平面模型的計(jì)算復(fù)核偏于保守，在設(shè)計(jì)中不應(yīng)忽略空間作用。李慶武，吳從超[12]以某單層鋼結(jié)構(gòu)廠房為例，建立空間、平面分析模型，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，對空間作用影響的主要因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在計(jì)算剛架平面內(nèi)地震作用時(shí)，考慮空間作用的影響是必要的。目前對于地表變形情況下的輕鋼結(jié)構(gòu)空間作用分析已有一定研究，通過考慮縱向傳力構(gòu)件可使計(jì)算結(jié)果更貼合實(shí)際情況，使整體結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力的形成原因及傳遞路徑更加明確，得到直觀的附加變形影響范圍。

夏軍武，王寬如等[13]使用ANSYS有限元軟件對一單跨門剛結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間建模，依據(jù)采動(dòng)區(qū)地表變形的規(guī)律，對地表變形情況下門式剛架結(jié)構(gòu)所受影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究。分析門式剛架抗地表變形性能及不同部位受附加內(nèi)力的情況，得出地基、基礎(chǔ)協(xié)同作用對上部結(jié)構(gòu)變形，附加內(nèi)力有較大影響，及基礎(chǔ)形式的不同對建筑物附加內(nèi)力的影響最大等有效結(jié)論。

胡敬禮，劉宏偉等[14]對門式剛架及下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，分析不同柱腳固定方式、增設(shè)柱根/柱腳拉桿等措施下不同模型在不同地表變形情況下的抗影響能力，并指出不同改進(jìn)措施下對不同地表變形情況作用的有效性。

夏軍武，王守祥等[15]對一大跨門式剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，研究此類結(jié)構(gòu)整體變形特點(diǎn)及不同部位的受力情況，并提出可變鉸支座、基礎(chǔ)與地基加入滑移層、柱端拉桿等抗影響措施。

呂飛飛[16]以某鋼結(jié)構(gòu)廠房為研究對象，采用理論分析及工程調(diào)查相結(jié)合的方法，利用空間有限元的方法對軟土地基情況下地表變形的空間作用效應(yīng)進(jìn)行全面分析。文中通過空間分析與平面分析的對比，發(fā)現(xiàn)特別當(dāng)結(jié)構(gòu)空間剛度較大時(shí)，產(chǎn)生的附加內(nèi)力要比平面模型大許多，并建立與空間結(jié)構(gòu)分析等效的平面結(jié)構(gòu)分析方法。

侯智超，夏軍武等[17]以門式剛架空間結(jié)構(gòu)為研究對象，對其進(jìn)行建模分析，研究采動(dòng)區(qū)空間門式剛架在不同地表變形位置的附加變形及附加內(nèi)力的變化規(guī)律。其結(jié)果表明處于地表沉陷盆地最大沉降點(diǎn)時(shí)，空間門式剛架結(jié)構(gòu)受影響最小。

王國渝，余紹峰[18]結(jié)合某軟土地基上帶輕型吊車大型單層廠房沉降觀測數(shù)據(jù)，對沉降產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，通過有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，在考慮空間作用下計(jì)算不同沉降差對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力的不同。結(jié)果表明，當(dāng)實(shí)際沉降在規(guī)范限值內(nèi)時(shí)，其附加內(nèi)力可忽略，當(dāng)接近限值時(shí)，桿件的控制內(nèi)力的最不利波動(dòng)在承載力的10%～15%，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮附加內(nèi)力的影響。

2.3 蒙皮效應(yīng)研究現(xiàn)狀

蒙皮效應(yīng)是指在建筑物的表面覆蓋材料（屋面板和墻板），利用本身的剛度和強(qiáng)度對建筑物整體剛度起到加強(qiáng)作用。蒙皮效應(yīng)會(huì)提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，使結(jié)構(gòu)側(cè)移減小，在平面內(nèi)具有一定的抗剪強(qiáng)度，要充分研究門式剛架結(jié)構(gòu)的空間性能，宜對蒙皮效應(yīng)進(jìn)行考慮。

陳劍[19]通過試驗(yàn)探究將蒙皮體開洞對蒙皮效應(yīng)的影響，并使用ANSYS有限元軟件進(jìn)行拓展分析，獲得基于蒙皮洞改變下多種模型的計(jì)算結(jié)果，分析其影響規(guī)律。

盧楓林，董劉方等[20]對門式剛架蒙皮效應(yīng)進(jìn)行模擬分析，通過對比有無蒙皮系統(tǒng)的兩種模型，發(fā)現(xiàn)蒙皮效應(yīng)對結(jié)構(gòu)整體的豎向和水平位移有較大的限制作用。

楊彥[21]通過有限元軟件對某單層門剛廠房的蒙皮效應(yīng)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)蒙皮效應(yīng)對單層廠房的影響十分顯著，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮蒙皮效應(yīng)帶來的實(shí)際影響，并制定相應(yīng)的規(guī)范。

肖亞明，朱薔[22]通過對比有無蒙皮系統(tǒng)在靜力和模態(tài)分析的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)蒙皮效應(yīng)顯著提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，結(jié)構(gòu)側(cè)移有效減小。

李燁，殷小珠等[23]利用東京數(shù)據(jù)庫相關(guān)風(fēng)洞數(shù)據(jù)對考慮蒙皮效應(yīng)下門剛的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明蒙皮效應(yīng)提高了結(jié)構(gòu)的自振頻率，并減小了結(jié)構(gòu)的自振周期。

戴素娟，李婷等[24]在模擬試驗(yàn)對比的基礎(chǔ)上，探討蒙皮板厚度及框架柱長細(xì)比對結(jié)構(gòu)受力及變形的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)蒙皮作用隨厚度的增加而增強(qiáng)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮蒙皮效應(yīng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上來看，蒙皮效應(yīng)對結(jié)構(gòu)受力性能的提升顯著，而對于地表變形控制下的研究較少，在此類研究中應(yīng)在空間分析的基礎(chǔ)上對此類圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮從而探討其對附加應(yīng)力、變形的影響規(guī)律，以求安全、經(jīng)濟(jì)最大化。

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段對于平面、空間門式剛架抗地表變形已進(jìn)行了一定的研究，主要集中在門式剛架抗變形能力、平面內(nèi)穩(wěn)定性及承載力方面?？臻g、平面門式剛架對比計(jì)算中，由于考慮了縱向傳力構(gòu)件使得部分部位計(jì)算結(jié)果差距較大，甚至出現(xiàn)變號(hào)的情況，在計(jì)算復(fù)核時(shí)宜考慮空間計(jì)算情況下不利附加內(nèi)力控制位置。門式剛架的平面分析較空間整體分析計(jì)算復(fù)核偏于保守，且為考慮上部結(jié)構(gòu)、下部基礎(chǔ)在地表變形情況下的協(xié)同作用，使計(jì)算結(jié)果更加偏向?qū)嶋H，空間門式剛架分析不應(yīng)忽略。已有研究中對于抗地表變形情況下的蒙皮效應(yīng)研究較少，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對地表發(fā)生變形后附加內(nèi)力影響范圍及結(jié)構(gòu)附加變形將產(chǎn)生一定變化，隨著模擬技術(shù)的進(jìn)步宜在研究中加以考慮。大型、重型廠房建造需求增加，而對大跨、多跨門式剛架抗地表變形的研究卻較少，缺少地表變形作用下大型廠房的結(jié)構(gòu)分析。由此可見，基于空間協(xié)同作用下的蒙皮效應(yīng)及對于大跨、多跨廠房研究是門式剛架抗地表變形的研究應(yīng)引起重視，其研究成果可為地表易變形的大跨、多跨廠房門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供實(shí)際理論指導(dǎo)及加固建議。