大跨度索支承实腹式门式刚架钢结构及其应用-

1、大跨度索支承实腹式门式刚架钢结构及其应用石小敏张勇王元清石永久陈宏(清华大学土木系北京100084摘要:针对普通大跨度实腹式门式刚架随着跨度的增大经济性指标下降的问题,提出了索支承实腹式门式刚架结构体系。详细分析了这种结构的受力性能、施工工艺和主要节点构造,得出了一些有实用意义的结论和建议。关键词:大跨度索支承门式刚架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月出生硕士研究生收稿日期:2002-02-251概述我国有多例跨度

4、6072m 的实腹式轻钢门式刚架工程,包括湛江港从美国引进的60m 跨的保税仓库、北京西郊机场从美国引进的一座跨度72m 的飞机库以及国内自行设计的大连72m 门式刚架粮仓储备库,跨度再大的就非常少见。随着跨度的增大,刚架梁的挠度和梁柱节点的弯矩显著增加,对刚架起控制作用的往往是刚架梁的跨中挠度,这时候采用较高强度的钢材不能解决问题,必须加大刚架截面。而增大截面仅是为了控制变形,并没有充分利用钢材的强度。因此普通大跨度实腹式门式刚架用钢量大幅度增加,经济性指标大大下降,削弱了轻钢结构自重轻、用钢量低的优势。国内自行设计的大连72m 门式刚架粮仓储备库,最大截面已达仅刚

5、架部分的用钢量(不包括围护结构达到4917kg m 25。针对上述问题,目前有几种解决方法,例如采用预应力格构式门式刚架、在普通实腹式门式刚架柱顶布置直线式预应力钢索。但是预应力格构式刚架须对部分杆件施加预应力,预应力钢索的布置比较复杂,节点构造繁琐,给施工带来不便。在门式刚架柱顶布置直线式钢索须待刚架整体安装完毕后再张拉钢索施加预应力,无法避免高空作业。这样刚架中直线式预应力索的效率不仅不能充分发挥作用,而且预应力对梁的平面内稳定也非常不利。为了增加斜梁刚度,降低结构用钢量,本文提出了索支承实腹式门式刚架这种新型预应力钢结构形式。索支承实腹式门式刚架(图1通过伸长撑竿施加预应力,方法简便、易

6、操作,只须旋转撑竿使之伸长以张紧钢拉索,无须直接张拉钢索,避免了一般预应力刚架在刚架拼装完成后直接张拉钢索需高空作业给施工带来的不便。预应力效果明显,同时撑竿作为梁的弹性支撑,有利于梁的平面内稳定。2索支承实腹式门式刚架的结构形式索支承门式刚架梁下的拉索通过三根竖撑杆与刚架梁发生作用,此时的拉索不仅仅是给结构施加预应力的手段,而且成为刚架横梁的下弦杆,较传统采用的紧贴刚架梁下弦布置预应力索的方式具有更大的结构刚度。钢拉索两端锚固在刚架柱顶,梁跨中屋脊位置设置一道撑竿,视刚架跨度和所需预应力大小可在半跨内再各设一道,其中拉索采用高强度钢绞线,撑竿采用双层的套丝钢套管,通过旋转钢套管的外管使撑竿伸

7、长(图1。a -施加预应力前的刚架;b -施加预应力后的刚架图1刚架示意索支承刚架在现场拼装后、安装钢拉索前的形式和普通刚架相同,安装钢拉索后的形式见图1,此时钢索没有拉紧,索中拉力为零,旋转撑竿的外套管,撑竿渐渐伸长最终形成图2的形式,撑竿伸长时张紧钢索使索中产生预应力,同时施加了预应力的钢索通过撑竿对刚架产生向上的顶力。索86Industrial C onstruction 2003,V ol 133,N o 12工业建筑2003年第33卷第2期支承刚架通过撑竿和张紧的钢索对刚架施加预应力,使之产生了与竖向荷载作用下方向相反的位移和反号的内力,抵消部分竖向外荷载的作用,使刚架具有更大的承载

8、能力。3索支承大跨度门式刚架的力学性能与一般预应力结构一样,预应力调整了刚架梁、柱受力状态,降低了外荷载作用下的内力峰值和刚架梁的跨中挠度,从而使预应力刚架比普通刚架的内力和变形有大幅度下降,提高了刚架的承载力、增大了结构刚度。从刚架梁柱节点和梁跨中弯矩在受力全过程三个阶段的变化不难看出,索支承刚架三个阶段的受力就是加载卸载再加载的过程 。图3施加预应力后刚架的弯矩索支撑门式刚架除了具有传统预应力结构增强结构刚度、降低柱顶弯矩及柱脚反力的优点外,还具有一些自身的特点。311较传统预应力门式刚架预应力效果更明显、具有更大的承载能力施加预应力后,不难从刚架内力图(图3上看出,不仅钢拉索对柱顶产生向

9、内的拉力,同时与传统预应力结构相比撑竿还对刚架产生向上的顶力。向上的顶力能够抵消很大一部分竖向外荷载,因此施加了预应力后的索支撑门式刚架承受外荷载后,梁柱中最终弯矩减小甚至反号。预应力钢索和撑竿的内力随着外荷载的施加而变化,在起控制作用的竖向荷载作用下,钢索和撑竿的内力有显著增加,对整个刚架承受更大的外荷载起到很大作用。312较传统预应力门式刚架结构具有更大的结构刚度拉索不仅仅给结构施加了预应力,而且成为刚架横梁的下弦杆,无疑较传统采用的紧贴刚架梁下弦布置预应力索的方式具有更大的结构刚度。此外,在竖向荷载作用下,索支承刚架的撑竿和钢拉索分别对刚架梁和柱起到弹性支撑的作用,增强了刚架特别是梁的刚

10、度。313避免预应力刚架梁在平面内失稳对于一般屋面坡度较小的实腹刚架来说,刚架横梁的轴向力较小,所以设计时不需验算横梁平面内稳定承载力,而横梁平面外的稳定性则靠檩条或设置隅撑来保证。索支承门式刚架中的横梁在预应力作用下下翼缘受压,平面外稳定性差,必须设置隅撑来保证梁的平面外稳定。预应力门式刚架的横梁平面内的力学性能与一般刚架不同,因为拉索中的预拉力在使刚架梁产生上拱变形的同时,还给斜梁施加了一个较大的轴向压力,这样斜梁就成为一个典型的压弯构件,其稳定问题不容忽视。而索支承门式刚架结构则很好地解决了这一问题。索支承结构中的拉索通过竖撑竿不仅给刚架施加了预应力,而且竖杆端部也成为了刚架梁在刚架平面

11、内的一个弹性支承点,这样刚架横梁在平面内的稳定计算长度便可大为折减。布置若干个这样的竖杆便可保证刚架梁平面内的稳定性3。4索支承门式刚架与普通刚架经济技术指标比较索支承门式刚架大大节省了刚架用钢量,增大了门式刚架的经济适用跨度。我们对檐口高度12m、柱距9m,不同跨度的刚架用钢量进行了统计,见表1。由该表可以看出,采用索支承预应力门式刚架结构比普通刚架节省用钢量20%30%。表1预应力刚架与普通刚架用钢量(kgm2比较跨度/m607284965 施工工艺和节点构造511施工工艺索支承实腹式门式刚架的特点在于施加预应力的方法简单、预应力大小容易控制。预应力施加是靠旋转伸长撑竿来实现的,对索支承刚

12、架施加预应力就是通过人为地伸长撑竿来张紧和拉长钢索使钢索中产生预应力的过程。拉索预先锚固在柱顶的连接牛腿中 (图4,旋转伸长撑竿必然撑紧拉索,也就给拉索施加了预拉力。由于撑竿所受的力是拉索预应力的竖向分力,而拉索与竖直方向夹角接近90,所以此分力相对于拉索的预应力非常小。而旋转撑竿本身又是利用杠杆原理,这样施加预应力不需要张拉设备,采用电动扳手甚至人工便可完成。由于预应力的大小随钢索的伸长量而变化,而钢索的伸长量可以通过撑竿的伸长来控制,因此预应力水平易于控制,同时改变撑竿的数目和位置就可以控制加在刚架梁上的向上的顶力。1-加劲肋;2-多孔夹片锚具;3-钢牛腿;4-钢柱图4钢索和柱连接节点1-

13、加劲肋;2-钢梁翼缘;3-圆钢;4-钢管撑竿图5撑竿和梁连接节点512节点构造索支承刚架的梁柱节点构造与普通刚架相同,但是撑竿96大跨度索支承实腹式门式刚架钢结构及其应用石小敏,等和钢索、撑竿和梁以及钢索和刚架的连接节点需要作特殊处理。两端带有反向螺纹的钢管撑杆一端通过焊接与钢梁相连(图5,另一端焊接在槽形夹片上通过螺栓与拉索相连(图6。钢索通过多孔夹片锚具锚固在柱牛腿上(图4。撑竿和梁下翼缘以及槽形夹片的焊接都应采用工厂焊接以保证质量。 1-钢管撑竿;2-圆钢;3-钢绞线;4-橡胶垫图6撑竿和索连接节点构造6结论1索支承刚架的撑竿在承受外荷载时对刚架梁起到弹性支撑作用,使梁跨中挠度变小,从而

14、提高了刚度。2索支承刚架的预应力效果比普通预应力刚架更加明显,更好地改善了刚架的受力性能,增大了门式刚架的经济适用跨度。3索支承结构通过伸长撑竿施加预应力,方法简便、易操作,无须直接张拉钢索,避免了一般预应力刚架在刚架拼装完成后直接张拉钢索需高空作业给施工带来的不便。参考文献报,1990(53M iloslav T ochacek.Further stability Problems of Prestressed S teel S truc 2ture.Journal of C onstructional S teel Research ,1992(2结构,2000(增刊5石小敏,王元清,石永

15、久.预应力钢结构及其在大跨度门式刚架中的应用研究,钢结构,2000(增刊(上接第67页2计算结果能够满足X=0,M=0两个平衡条件。3相对于简单叠加法,精度大大提高。4相对一般叠加法,不需要反复试算,计算步骤简单明了。5新的计算方法中,引用了“钢骨屈服高度x su ”这一参数,不仅与试验数据有较好的吻合7,而且为工程设计人员提供了一个直观了解钢骨强度利用程度的工具。由以上可以看出,本文公式对于不同条件下,不同类型的钢骨混凝土梁的抗弯承载能力都是适用的,充分考虑钢骨与混凝土的组合作用,更符合材料的实际受力情况,可以得到满意的计算精度。参考文献1方鄂华,叶列平.钢骨混凝土结构设计规程(Y B908

16、2-97总则及应用.建筑结构,1999(7报,2000,33(5工业出版社,19914Y B9082-97钢骨混凝土结构设计规程译.北京:能源出版社,19981999(88王向峰,张仲先,阮成堂,等.钢骨混凝土梁抗弯性能试验研究.特种结构,2002(1:14动态第三届全国现代结构工程学术研讨会通知受中国建筑金属结构协会和中国钢结构协会委托,由天津大学主办,清华大学、浙江大学、北京工业大学、同济大学、上海交通大学、太原理工大学协办的第三届全国现代结构工程学术研讨会定于2003年7月20日至23日在江苏省宜兴市召开。会议由江苏省沪宁钢机股份有限公司承办。本次会议仍继续以结合2008年北京奥运会体育场馆以及2010年上