孫必祥，貝正其，褚姚青，鄭益鋒，冉浚宏

（1.中機中聯(lián)工程有限公司，重慶400039；2.寧波方太廚具有限公司，浙江 寧波315336）

1 引言

單層鋼結(jié)構(gòu)房屋的溫度區(qū)段長度不超過GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》第3.3.5 條規(guī)定，即圍護構(gòu)件為金屬壓型鋼板時，橫向溫度區(qū)段為150 m，縱向溫度區(qū)段為250 m[1]，一般情況下可不考慮溫度應(yīng)力和溫度變形的影響。 這是由于常規(guī)跨度、 高度等情況下的單層鋼結(jié)構(gòu)建筑受溫度變化引起的剛架側(cè)移比較小，不會給剛架增加較大的附加溫度應(yīng)力。 但隨著工藝布置及使用要求的不斷提升， 越來越多的鋼結(jié)構(gòu)建筑長度、高度、跨度等都遠遠超過規(guī)范規(guī)定要求，故對此類高大超長單層鋼結(jié)構(gòu)廠房進行合理的結(jié)構(gòu)布置及溫度應(yīng)力計算非常必要，以便選擇合理的結(jié)構(gòu)方案，達到結(jié)構(gòu)安全且經(jīng)濟合理的目標。

2 工程概況

某高位貨架庫建筑位于浙江省慈溪市，為單層鋼結(jié)構(gòu)，縱向長度110 m，橫向?qū)挾?40 m，橫向尺寸遠超規(guī)范限值；且剛架檐口高度達36.6 m，較常規(guī)的單層鋼結(jié)構(gòu)建筑更高。

根據(jù)工藝布置，本工程橫向長240 m，分為8 跨，跨度均為30 m，橫向抗側(cè)力體系采用剛接門式剛架；縱向長度110 m，柱距為10 m，縱向抗側(cè)力體系采用多層交叉柱間支撐系統(tǒng)。

3 高大超長剛架結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 模型建立

本工程結(jié)構(gòu)彈性分析采用PKPM 軟件中的STS 模塊及Midas Gen 軟件。鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量按2.06×105N/mm2，線膨脹系數(shù)按1.2×10-5/℃，質(zhì)量密度按7.85×103kg/m3進行計算。

3.2 荷載取值

剛架屋面恒載按實計算取0.7 kN/m2， 活荷載按規(guī)范取0.5 kN/m2， 雪荷載按100 a 一遇基本雪壓0.4 kN/m2計算取值，風(fēng)荷載按50 a 一遇基本風(fēng)壓0.55 kN/m2計算取值，場地粗糙度類別按A 類。

溫度作用：依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]，慈溪市月平均最高氣溫Tmax為37 ℃， 月平均最低氣溫Tmin為-4 ℃。 考慮到使用期間結(jié)構(gòu)有金屬墻面的圍護保溫作用，結(jié)構(gòu)最高平均溫度Ts,max、最低平均溫度Ts,min分別取35 ℃、0 ℃；參照慈溪市月平均溫度，結(jié)構(gòu)最高初始平均溫度T0,max取30 ℃，最低初始平均溫度T0,min取5 ℃， 則最大降溫及最大升溫工況分別按-30 ℃和+30 ℃取值。

3.3 溫度作用計算結(jié)果對比

利用PKPM 和Midas 軟件對剛架進行溫度作用計算，升溫工況下剛架柱頂、柱底彎矩計算值及對比分析如表1 所示；升溫、降溫工況下剛架（柱頂）位移計算結(jié)果及對比分析如表2所示。

表1 升溫工況下剛架彎矩計算結(jié)果對比分析

表2 升溫、降溫工況下剛架位移計算結(jié)果對比分析

從以上對比分析可見：（1）PKPM 與Midas 兩個軟件的計算結(jié)果非常接近；（2）主要構(gòu)件各部位在升溫（降溫）工況下彎矩計算結(jié)果基本一致，數(shù)值誤差在5%以內(nèi)；（3）升溫、降溫工況下剛架（柱頂）位移計算也基本相同。 表明在溫度作用工況下， 剛架結(jié)構(gòu)處于彈性受力和彈性變形狀態(tài)， 利用PKPM 和Midas 軟件均可對其進行較為準確的溫度作用計算。

3.4 溫度作用影響分析

通過對剛架模型在考慮和不考慮溫度作用時分別計算，邊柱及第二根剛架柱溫度工況下柱頂彎矩Mt和彎矩設(shè)計值M 計算結(jié)果如表3 所示。 從計算結(jié)果可見：（1）溫度工況下柱頂彎矩不足彎矩設(shè)計值的10%；（2）溫度作用對剛架內(nèi)力影響主要在剛架邊柱， 第二根鋼柱內(nèi)力計算結(jié)果基本不受溫度作用影響（第三、四根鋼柱計算結(jié)果未列出，但對比結(jié)果同第二根鋼柱一樣）。

表3 各工況下剛架彎矩計算結(jié)果對比分析

綜上可見，雖然本工程剛架結(jié)構(gòu)超長較多，但在溫度工況下剛架結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)；且由于剛架高度高，僅柱底受約束，結(jié)構(gòu)整體適應(yīng)溫度變化的變形能力較強。 溫度變化對結(jié)構(gòu)整體及構(gòu)件內(nèi)力影響并不十分明顯； 且只主要集中在剛架結(jié)構(gòu)兩側(cè)部位。

4 溫度作用對高大超長剛架影響分析

為進一步分析溫度作用對高大單層超長鋼結(jié)構(gòu)的受力影響，將對不同高度剛架結(jié)構(gòu)進行溫度作用計算并對比分析。 按本工程剛架結(jié)構(gòu)橫向長度、跨度等尺寸不變，恒、活、溫度等荷載不變，僅改變剛架高度進行計算，不同高度時剛架柱頂、柱底在溫度作用工況下的彎矩Mt和Mt與對應(yīng)部位彎矩設(shè)計值M 的比值計算結(jié)果如表4 所示。

表4 不同高度剛架溫度作用計算結(jié)果對比分析

從計算結(jié)果可見：（1）隨著剛架高度的減小，溫度工況下柱頂、柱底彎矩與對應(yīng)部位的彎矩設(shè)計值的比值越來越大，表明剛架越高，其內(nèi)力受溫度作用影響越??；（2）常規(guī)高度的超長單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，如剛架高度為18 m 及更高時，溫度工況下構(gòu)件彎矩與彎矩設(shè)計值的比值大幅上升， 表明溫度變化對超長剛架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響不可忽略， 此計算結(jié)果與規(guī)范規(guī)定相吻合；（3）剛架高度超過常規(guī)范圍，如30～36 m 時，溫度工況下構(gòu)件彎矩與彎矩設(shè)計值的比值僅10%左右， 表明雖然溫度變化對超長剛架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力有一定影響， 但隨著剛架高度增加，約束變?nèi)?，其影響比例大幅降低，從而也使得高大超長剛架結(jié)構(gòu)方案更具可行性。

5 風(fēng)荷載對高大超長剛架影響分析

鋼結(jié)構(gòu)本身抗側(cè)剛度不高，受風(fēng)荷載影響較大，為考慮和分析風(fēng)荷載對高大剛架受力的影響，對不同高度剛架結(jié)構(gòu)（模型同前文）進行計算并對比分析如下：不同高度時剛架柱頂、柱底在風(fēng)荷載作用下的彎矩Mw和Mw與對應(yīng)部位彎矩設(shè)計值M 的比值計算結(jié)果如表5 所示。

表5 不同高度剛架風(fēng)荷載計算結(jié)果對比分析

從計算結(jié)果可見：（1）隨著剛架高度的增加，風(fēng)荷載工況下柱頂、 柱底彎矩與對應(yīng)部位的彎矩設(shè)計值的比值越來越大，表明剛架越高，其內(nèi)力受風(fēng)荷載影響越大；（2）剛架高度12～18 m及更高時，風(fēng)荷載工況下構(gòu)件彎矩與彎矩設(shè)計值的比值大幅上升，與GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[3]相關(guān)規(guī)定基本一致，即房屋高度不大于18 m 時，其風(fēng)荷載可按該規(guī)范進行計算，房屋高度大于18 m 時，由于受風(fēng)荷載影響更為顯著，需按荷載規(guī)范等相關(guān)要求計算風(fēng)荷載；（3）對高大單層鋼結(jié)構(gòu)剛架而言，風(fēng)荷載將是影響其受力及變形的最主要因素之一。

6 高大超長剛架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

以本工程為例，由于剛架橫向長度超過規(guī)范限值較多，通常情況下可能會采取設(shè)置伸縮縫， 分為兩榀剛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；或者在柱頂適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)滑動支座，用以消除溫度應(yīng)力影響。

對本工程橫向長240 m 的剛架按不同結(jié)構(gòu)方案進行計算，主要計算結(jié)果及經(jīng)濟性指標如表6 所示。 從3 種方案的計算結(jié)果比較分析可知：（1）在滿足結(jié)構(gòu)變形主要指標如柱頂位移角基本相當(dāng)?shù)那闆r下， 設(shè)置伸縮縫和滑動支座的方案將大大削弱剛架的抗側(cè)剛度，從而導(dǎo)致剛架柱截面加大，用鋼量相應(yīng)增加；（2）在中柱柱頂一側(cè)梁端設(shè)置滑動支座的方案，用鋼量較設(shè)縫方案略有降低，但存在諸多不利因素，如梁截面高度大，滑動支座難以實現(xiàn)，兩側(cè)結(jié)構(gòu)單元在水平荷載作用下變形差異或協(xié)調(diào)不均時可能導(dǎo)致關(guān)鍵節(jié)點安全性降低等[4]。

表6 不同結(jié)構(gòu)方案計算結(jié)果對比分析

如前文分析，雖考慮結(jié)構(gòu)超長時溫度作用的影響，但高大超長結(jié)構(gòu)由于受風(fēng)荷載影響更為顯著； 故較設(shè)置伸縮縫或設(shè)滑動支座的方案，本工程采用不設(shè)縫的結(jié)構(gòu)方案，剛架抗側(cè)剛度反而越大，在結(jié)構(gòu)變形基本相當(dāng)?shù)那闆r下，鋼柱截面可由箱型截面優(yōu)化為H 型鋼截面，用鋼量也可優(yōu)化約20%；另外，采用不設(shè)縫的結(jié)構(gòu)方案還將更利于鋼結(jié)構(gòu)的制作、安裝，降低伸縮縫處的構(gòu)造處理難度、漏水風(fēng)險等。

7 結(jié)語

1） 在本工程高大超長單層鋼結(jié)構(gòu)剛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中， 通過溫度作用計算考慮對結(jié)構(gòu)引起的溫度應(yīng)力和溫度變形影響，采用不設(shè)縫的超長結(jié)構(gòu)方案是可行的。

2）單層鋼結(jié)構(gòu)高度、長度等超過規(guī)范適用范圍較多時，影響其受力、變形等關(guān)鍵指標的主要因素可能發(fā)生變化，或影響程度會發(fā)生變化，故對此類超常規(guī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計時應(yīng)進行針對性分析并多方案比較，選擇最優(yōu)化方案。

3）本文僅結(jié)合某高大超長單層鋼結(jié)構(gòu)剛架的設(shè)計進行分析，受建筑規(guī)模、外部條件等影響，今后類似的工程可參考本文分析計算方式及優(yōu)化設(shè)計思路， 但尚需結(jié)合工程的實際情況進行具體的分析設(shè)計。