普通鋼結構與門式剛架的支撐體系有何不同

普通鋼結構與門式剛架的支撐體系有何不同。鋼結構 （網架、管桁架、輕鋼）設計、施工及技術咨詢及建筑結構加固；并從事空間結構和相關材料的研究、技術開發與應用。

在計算單層門式剛架房屋鋼結構時,縱向風荷載是通過屋蓋橫向水平支撐組成的橫向水平桁架傳至柱間支撐,再通過柱間支撐傳至基礎,《建筑結構荷載規范》所給的風荷載模式如(圖1a),而《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》引用美國MBMA的風荷載模式如圖6.7-1(b),前者兩面山墻的均為風吸力,體型系數均為0.7后者迎風面山墻為風壓力,體型系數為0.65,邊區為0.90;背風面山墻為風吸力,體型系數為0.15,邊區為0.30。普通鋼結構設計手冊采用前者模式,可僅取端頭的第一拼橫向水平支撐桁架抵抗山墻面抗風柱頂傳來的風荷載,交叉支撐可按拉桿設計,壓桿退出工作,則該橫向水平桁架成為靜定結構,很容易進行內力計算。

而按（圖1b)模式,左端為正向風壓力,右端為負向風吸力,則屋蓋支撐系統受力與前者大不相同,此時宜將屋蓋各道支撐連在一起作為一個整體來計算,顯然,迎風端的縱向系桿受較大的軸向壓力,隨著風力被各道支撐承擔,縱向系桿軸壓力逐步遞減,到了背風端系桿會出現拉力。屋蓋支撐體系中,交叉支撐按拉桿設計,壓桿退出工作,所有縱向系桿都必須按壓桿設計,整個屋蓋支撐體系是一個超靜定體系,計算內力不方便,為此利用規程《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》的規定縱向力在(多道)支撐間可按均勻分布考慮”,這樣一來就明確了每道支撐所傳遞的風荷載,亦即得知了各區段的縱向系桿的軸壓力,由此整個屋蓋支撐體系轉化為靜定結構,就容易計算了。

現以一個建筑實例分別計算（圖1a)和(圖1b)兩種荷載模式下的屋面橫向水平支撐內力,按對稱取半跨桁架計算,設建筑跨度為36m,柱距為6m,屋面平均高度10m基本風壓設計值按0.6kN/m2,交叉支撐全部為45°,按拉桿設計,壓桿退出工作,共計4道支撐。按《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》模式,僅需計算迎風端的前面兩道受力最大支撐即可。

1.按普通鋼結構設計手冊模式計算:

根據《建筑結構荷載規范》的規定,抗風柱頂的力為P=(18×10×0.6×0.7)/2=37.8kN,0.7為風荷載體型系數,一個抗風柱受力為37.8/3=12.6kN,屋蓋橫向水平支撐計算見（圖2a),柱間支撐承受水平力為37.8kN

2.按《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》模式計算

根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》的規定,考慮風荷載體型系數的不均勻性,端頭區Z=0.1B=3.6m,各抗風柱頂的受力見圖6.72(b),計算每道支撐往下傳力,按對稱取半跨計算,以屋脊處為支撐第一節間,順序往下,到邊列柱為第四節間,每道支撐承擔四分之一的荷載需除以4:

第一節間:N1=(5.85+1.35)/4=1.80kN

第二節間:N2=(11.7+2.7)/4=3.60kN

第三節間:N3=(12.15+2.95)/4=3.78kN

第四節間:N4=(8.1+2.7)/4=2.70kN

每道柱間支撐承受水平力,N=∑N=1.8XN,第一道橫向水平支撐后的縱向系桿內力:

第一節間:N1=-5.85+1.80=-4.05kN

第二節間:N=-11.7+3.60=-8.10kN

第三節間:N3=-12.15+3.78=-8.37kN

第四節間:N4=-8.1+2.7=-5.40kN

第二道橫向水平支撐后的縱向系桿內力:

第一節間:M=-4.05+1.8=-2.25kN

節間:N2=-8.1+3.6=-4.50kN

第三節間:N3=-8.37+3.78=-4.59kN

第四節間:N=-5.4+2.7=-2.70kN

各縱向系桿的內力求出之后,該支撐體系變成靜定結構,很容易逐點求出各水平支撐的內力,見（圖2b),各支撐桿內力規律是:

(1)縱向系桿的內力,包括橫向水平支撐中的直腹桿隨縱向延伸而逐步降低

(2)所有斜桿的內力在同一節間不變,隨傳遞方向朝柱間支撐而迅速增大;

(3)每個柱間支撐所受水平力相同

共計縱向水平力4N=4×11.88=47.52kN,各支撐桿件內力見圖6.72(b),負號為

3.比較前面的兩種計算結果,可以得知:

(1)傳統計算模式的支撐內力值大大高于

(2)《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》整體計算模式中,縱向系桿的軸向力將隨風向延伸逐步遞減,而普通計算模式不計算縱向系桿內力。

傳統模式不計算縱向系桿內力,按構造要求設置通長的縱向剛性壓桿足以保證結構安全,通常的縱向系桿用鋼量約占屋蓋輕型檁條用鋼量的一半,如果采用檁條兼作縱向系桿可以得到很好的經濟效益,但此時就必須算出所有縱向系桿的軸壓力。從上例的計算可以得知,軸壓力并不大,所引起的軸向應力一般情況下不超過15N/mm2,很容易滿足計算要求。當房屋跨度大時,水平支撐中的直腹桿的軸向力可能較大,此時可以考慮采用雙檁條模式。

事實上,輕鋼結構整體屋蓋是由屋面蒙皮板和支撐體系共同組成,對于某些特定的板型和構造,單是蒙皮效應就可取代屋蓋支撐形成穩定的空間體系,文[6.1]有詳細論述。但從安裝施工的角度考慮,支撐體系仍是必不可少的,因為在安裝時尚沒有蒙皮效應,需支撐體系來保證各構件的穩定性,需利用支撐來調節安裝,蒙皮效應僅作為結構的安全儲備考慮。

以上討論按整體屋蓋是理想剛性考慮,實際工程中,屋蓋檁條均是采用螺栓連接,且檁條常開成橢圓孔,故整體屋蓋不可能是理想剛性的,支撐體系在傳遞縱向風荷載過程中也必然存在剪力滯后現象,即迎風面的首道支撐,所承擔和傳遞的風荷載會大于其后的各道支撐,各道支撐不是完全平均分擔荷載,但在計算中對于這些情況不予考慮也是可行的,因為有蒙皮效應的安全儲備來補償這個不足之處。當然,如果屋面板型的蒙皮效應不強,可以按概念設計考慮,對迎風面前端的一、二道支撐的內力分別乘以一個大于1.0的增大系數,以策安全。