大跨度索支承實(shí)腹式門式剛架鋼結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用-

1、大跨度索支承實(shí)腹式門式剛架鋼結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用石小敏張勇王元清石永久陳宏(清華大學(xué)土木系北京100084摘要:針對普通大跨度實(shí)腹式門式剛架隨著跨度的增大經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)下降的問題,提出了索支承實(shí)腹式門式剛架結(jié)構(gòu)體系。詳細(xì)分析了這種結(jié)構(gòu)的受力性能、施工工藝和主要節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,得出了一些有實(shí)用意義的結(jié)論和建議。關(guān)鍵詞:大跨度索支承門式剛架THE APP LICATION OF LARGE 2SPAN PORTA L FRAME WITH PRESTRESSE D CAB LE 2STRUTShi X iaomin Zhang Y ong W ang Y uanqing Shi Y ongjiu Chen H on

2、g (Dept.of Civil Engineering ,Tsinghua University Beijing 100084Abstract :W ith the span increasing ,the section sizes of the portal frame increase greatly and the consum ption of the steel risesaccordingly.T o s olve this problem ,the paper introduces a new type of prestressed structure with cable

3、2strut.This paper analyzes the structureal mechanical performance and gives details on the cable 2strut connection and construction procedures.S ome useful conclusions and suggestions are obtained.K eyw ords :large 2span portal frame with cable 2strut 第一作者:石小敏男1976年2月出生碩士研究生收稿日期:2002-02-251概述我國有多例跨度

4、6072m 的實(shí)腹式輕鋼門式剛架工程,包括湛江港從美國引進(jìn)的60m 跨的保稅倉庫、北京西郊機(jī)場從美國引進(jìn)的一座跨度72m 的飛機(jī)庫以及國內(nèi)自行設(shè)計(jì)的大連72m 門式剛架糧倉儲備庫,跨度再大的就非常少見。隨著跨度的增大,剛架梁的撓度和梁柱節(jié)點(diǎn)的彎矩顯著增加,對剛架起控制作用的往往是剛架梁的跨中撓度,這時(shí)候采用較高強(qiáng)度的鋼材不能解決問題,必須加大剛架截面。而增大截面僅是為了控制變形,并沒有充分利用鋼材的強(qiáng)度。因此普通大跨度實(shí)腹式門式剛架用鋼量大幅度增加,經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)大大下降,削弱了輕鋼結(jié)構(gòu)自重輕、用鋼量低的優(yōu)勢。國內(nèi)自行設(shè)計(jì)的大連72m 門式剛架糧倉儲備庫,最大截面已達(dá)到1800×300&

5、#215;12×14,僅剛架部分的用鋼量(不包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到4917kg m 25。針對上述問題,目前有幾種解決方法,例如采用預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式門式剛架、在普通實(shí)腹式門式剛架柱頂布置直線式預(yù)應(yīng)力鋼索。但是預(yù)應(yīng)力格構(gòu)式剛架須對部分桿件施加預(yù)應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力鋼索的布置比較復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造繁瑣,給施工帶來不便。在門式剛架柱頂布置直線式鋼索須待剛架整體安裝完畢后再張拉鋼索施加預(yù)應(yīng)力,無法避免高空作業(yè)。這樣剛架中直線式預(yù)應(yīng)力索的效率不僅不能充分發(fā)揮作用,而且預(yù)應(yīng)力對梁的平面內(nèi)穩(wěn)定也非常不利。為了增加斜梁剛度,降低結(jié)構(gòu)用鋼量,本文提出了索支承實(shí)腹式門式剛架這種新型預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)形式。索支承實(shí)腹式門式剛架(圖1

6、通過伸長撐竿施加預(yù)應(yīng)力,方法簡便、易操作,只須旋轉(zhuǎn)撐竿使之伸長以張緊鋼拉索,無須直接張拉鋼索,避免了一般預(yù)應(yīng)力剛架在剛架拼裝完成后直接張拉鋼索需高空作業(yè)給施工帶來的不便。預(yù)應(yīng)力效果明顯,同時(shí)撐竿作為梁的彈性支撐,有利于梁的平面內(nèi)穩(wěn)定。2索支承實(shí)腹式門式剛架的結(jié)構(gòu)形式索支承門式剛架梁下的拉索通過三根豎撐桿與剛架梁發(fā)生作用,此時(shí)的拉索不僅僅是給結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的手段,而且成為剛架橫梁的下弦桿,較傳統(tǒng)采用的緊貼剛架梁下弦布置預(yù)應(yīng)力索的方式具有更大的結(jié)構(gòu)剛度。鋼拉索兩端錨固在剛架柱頂,梁跨中屋脊位置設(shè)置一道撐竿,視剛架跨度和所需預(yù)應(yīng)力大小可在半跨內(nèi)再各設(shè)一道,其中拉索采用高強(qiáng)度鋼絞線,撐竿采用雙層的套絲

7、鋼套管,通過旋轉(zhuǎn)鋼套管的外管使撐竿伸長(圖1。a -施加預(yù)應(yīng)力前的剛架;b -施加預(yù)應(yīng)力后的剛架圖1剛架示意索支承剛架在現(xiàn)場拼裝后、安裝鋼拉索前的形式和普通剛架相同,安裝鋼拉索后的形式見圖1,此時(shí)鋼索沒有拉緊,索中拉力為零,旋轉(zhuǎn)撐竿的外套管,撐竿漸漸伸長最終形成圖2的形式,撐竿伸長時(shí)張緊鋼索使索中產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,同時(shí)施加了預(yù)應(yīng)力的鋼索通過撐竿對剛架產(chǎn)生向上的頂力。索86Industrial C onstruction 2003,V ol 133,N o 12工業(yè)建筑2003年第33卷第2期支承剛架通過撐竿和張緊的鋼索對剛架施加預(yù)應(yīng)力,使之產(chǎn)生了與豎向荷載作用下方向相反的位移和反號的內(nèi)力,抵消部分豎

8、向外荷載的作用,使剛架具有更大的承載能力。3索支承大跨度門式剛架的力學(xué)性能與一般預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)一樣,預(yù)應(yīng)力調(diào)整了剛架梁、柱受力狀態(tài),降低了外荷載作用下的內(nèi)力峰值和剛架梁的跨中撓度,從而使預(yù)應(yīng)力剛架比普通剛架的內(nèi)力和變形有大幅度下降,提高了剛架的承載力、增大了結(jié)構(gòu)剛度。從剛架梁柱節(jié)點(diǎn)和梁跨中彎矩在受力全過程三個階段的變化不難看出,索支承剛架三個階段的受力就是加載卸載再加載的過程 。圖3施加預(yù)應(yīng)力后剛架的彎矩索支撐門式剛架除了具有傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度、降低柱頂彎矩及柱腳反力的優(yōu)點(diǎn)外,還具有一些自身的特點(diǎn)。311較傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力門式剛架預(yù)應(yīng)力效果更明顯、具有更大的承載能力施加預(yù)應(yīng)力后,不難從剛架內(nèi)力圖

9、(圖3上看出,不僅鋼拉索對柱頂產(chǎn)生向內(nèi)的拉力,同時(shí)與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比撐竿還對剛架產(chǎn)生向上的頂力。向上的頂力能夠抵消很大一部分豎向外荷載,因此施加了預(yù)應(yīng)力后的索支撐門式剛架承受外荷載后,梁柱中最終彎矩減小甚至反號。預(yù)應(yīng)力鋼索和撐竿的內(nèi)力隨著外荷載的施加而變化,在起控制作用的豎向荷載作用下,鋼索和撐竿的內(nèi)力有顯著增加,對整個剛架承受更大的外荷載起到很大作用。312較傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力門式剛架結(jié)構(gòu)具有更大的結(jié)構(gòu)剛度拉索不僅僅給結(jié)構(gòu)施加了預(yù)應(yīng)力,而且成為剛架橫梁的下弦桿,無疑較傳統(tǒng)采用的緊貼剛架梁下弦布置預(yù)應(yīng)力索的方式具有更大的結(jié)構(gòu)剛度。此外,在豎向荷載作用下,索支承剛架的撐竿和鋼拉索分別對剛架梁和柱起到彈

10、性支撐的作用,增強(qiáng)了剛架特別是梁的剛度。313避免預(yù)應(yīng)力剛架梁在平面內(nèi)失穩(wěn)對于一般屋面坡度較小的實(shí)腹剛架來說,剛架橫梁的軸向力較小,所以設(shè)計(jì)時(shí)不需驗(yàn)算橫梁平面內(nèi)穩(wěn)定承載力,而橫梁平面外的穩(wěn)定性則靠檁條或設(shè)置隅撐來保證。索支承門式剛架中的橫梁在預(yù)應(yīng)力作用下下翼緣受壓,平面外穩(wěn)定性差,必須設(shè)置隅撐來保證梁的平面外穩(wěn)定。預(yù)應(yīng)力門式剛架的橫梁平面內(nèi)的力學(xué)性能與一般剛架不同,因?yàn)槔髦械念A(yù)拉力在使剛架梁產(chǎn)生上拱變形的同時(shí),還給斜梁施加了一個較大的軸向壓力,這樣斜梁就成為一個典型的壓彎構(gòu)件,其穩(wěn)定問題不容忽視。而索支承門式剛架結(jié)構(gòu)則很好地解決了這一問題。索支承結(jié)構(gòu)中的拉索通過豎撐竿不僅給剛架施加了預(yù)應(yīng)力,

11、而且豎桿端部也成為了剛架梁在剛架平面內(nèi)的一個彈性支承點(diǎn),這樣剛架橫梁在平面內(nèi)的穩(wěn)定計(jì)算長度便可大為折減。布置若干個這樣的豎桿便可保證剛架梁平面內(nèi)的穩(wěn)定性3。4索支承門式剛架與普通剛架經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較索支承門式剛架大大節(jié)省了剛架用鋼量,增大了門式剛架的經(jīng)濟(jì)適用跨度。我們對檐口高度12m、柱距9m,不同跨度的剛架用鋼量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),見表1。由該表可以看出,采用索支承預(yù)應(yīng)力門式剛架結(jié)構(gòu)比普通剛架節(jié)省用鋼量20%30%。表1預(yù)應(yīng)力剛架與普通剛架用鋼量(kgm2比較跨度/m607284965 施工工藝和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造511施工工藝索支承實(shí)腹式門式剛架的特點(diǎn)在于施加預(yù)應(yīng)力的方法簡單、預(yù)應(yīng)力大小容易控制。預(yù)應(yīng)力施加

12、是靠旋轉(zhuǎn)伸長撐竿來實(shí)現(xiàn)的,對索支承剛架施加預(yù)應(yīng)力就是通過人為地伸長撐竿來張緊和拉長鋼索使鋼索中產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的過程。拉索預(yù)先錨固在柱頂?shù)倪B接牛腿中 (圖4,旋轉(zhuǎn)伸長撐竿必然撐緊拉索,也就給拉索施加了預(yù)拉力。由于撐竿所受的力是拉索預(yù)應(yīng)力的豎向分力,而拉索與豎直方向夾角接近90°,所以此分力相對于拉索的預(yù)應(yīng)力非常小。而旋轉(zhuǎn)撐竿本身又是利用杠桿原理,這樣施加預(yù)應(yīng)力不需要張拉設(shè)備,采用電動扳手甚至人工便可完成。由于預(yù)應(yīng)力的大小隨鋼索的伸長量而變化,而鋼索的伸長量可以通過撐竿的伸長來控制,因此預(yù)應(yīng)力水平易于控制,同時(shí)改變撐竿的數(shù)目和位置就可以控制加在剛架梁上的向上的頂力。1-加勁肋;2-多孔夾片錨

13、具;3-鋼牛腿;4-鋼柱圖4鋼索和柱連接節(jié)點(diǎn)1-加勁肋;2-鋼梁翼緣;3-圓鋼;4-鋼管撐竿圖5撐竿和梁連接節(jié)點(diǎn)512節(jié)點(diǎn)構(gòu)造索支承剛架的梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與普通剛架相同,但是撐竿96大跨度索支承實(shí)腹式門式剛架鋼結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用石小敏,等和鋼索、撐竿和梁以及鋼索和剛架的連接節(jié)點(diǎn)需要作特殊處理。兩端帶有反向螺紋的鋼管撐桿一端通過焊接與鋼梁相連(圖5,另一端焊接在槽形夾片上通過螺栓與拉索相連(圖6。鋼索通過多孔夾片錨具錨固在柱牛腿上(圖4。撐竿和梁下翼緣以及槽形夾片的焊接都應(yīng)采用工廠焊接以保證質(zhì)量。 1-鋼管撐竿;2-圓鋼;3-鋼絞線;4-橡膠墊圖6撐竿和索連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造6結(jié)論1索支承剛架的撐竿在承受外荷載時(shí)

14、對剛架梁起到彈性支撐作用,使梁跨中撓度變小,從而提高了剛度。2索支承剛架的預(yù)應(yīng)力效果比普通預(yù)應(yīng)力剛架更加明顯,更好地改善了剛架的受力性能,增大了門式剛架的經(jīng)濟(jì)適用跨度。3索支承結(jié)構(gòu)通過伸長撐竿施加預(yù)應(yīng)力,方法簡便、易操作,無須直接張拉鋼索,避免了一般預(yù)應(yīng)力剛架在剛架拼裝完成后直接張拉鋼索需高空作業(yè)給施工帶來的不便。參考文獻(xiàn)報(bào),1990(53M iloslav T ochacek.Further stability Problems of Prestressed S teel S truc 2ture.Journal of C onstructional S teel Research ,199

15、2(2結(jié)構(gòu),2000(增刊5石小敏,王元清,石永久.預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)及其在大跨度門式剛架中的應(yīng)用研究,鋼結(jié)構(gòu),2000(增刊(上接第67頁2計(jì)算結(jié)果能夠滿足X=0,M=0兩個平衡條件。3相對于簡單疊加法,精度大大提高。4相對一般疊加法,不需要反復(fù)試算,計(jì)算步驟簡單明了。5新的計(jì)算方法中,引用了“鋼骨屈服高度x su ”這一參數(shù),不僅與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的吻合7,而且為工程設(shè)計(jì)人員提供了一個直觀了解鋼骨強(qiáng)度利用程度的工具。由以上可以看出,本文公式對于不同條件下,不同類型的鋼骨混凝土梁的抗彎承載能力都是適用的,充分考慮鋼骨與混凝土的組合作用,更符合材料的實(shí)際受力情況,可以得到滿意的計(jì)算精度。參考文獻(xiàn)1方鄂

16、華,葉列平.鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(Y B9082-97總則及應(yīng)用.建筑結(jié)構(gòu),1999(7報(bào),2000,33(5工業(yè)出版社,19914Y B9082-97鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程譯.北京:能源出版社,19981999(88王向峰,張仲先,阮成堂,等.鋼骨混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究.特種結(jié)構(gòu),2002(1:14動態(tài)第三屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會通知受中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會和中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會委托,由天津大學(xué)主辦,清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上海交通大學(xué)、太原理工大學(xué)協(xié)辦的第三屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會定于2003年7月20日至23日在江蘇省宜興市召開。會議由江蘇省滬寧鋼機(jī)股份有限公司承辦。本次會議仍繼續(xù)以結(jié)合2008年北京奧運(yùn)會體育場館以及2010年