门式刚架轻钢结构是由门式刚架、支撑系统及其他次要构件构成的一种结构体系。支撑系统对门式刚架结构的整体稳定性起着重要的作用,直接关系着整个建筑的安全。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102B2002)中提出:对于斜梁上横向水平支撑的内力,应根据纵向风荷载按支撑于柱顶的水平桁架计算;柱间支撑的内力,应根据所受纵向风荷载按支撑于柱脚基础上的竖向悬臂桁架计算;对于交叉支撑可不计压杆的受力。显然“门规”中的这种计算方法,是将门式刚架结构体系简化为平面系统,没有考虑横向水平支撑和柱间支撑的整体作用及相互影响。在设计中,通常也是将多道水平支撑按均匀受力考虑。这种方法与支撑系统的实际受力是有一定差距的,但现行的其他规范也没有给出计算空间结构中支撑内力及变形的简化方法。对于如何建立空间模型、空间结构中支撑内力与平面结构及简化模式中支撑内力有多大差别,目前还未见文献报道。本文采用通用有限元软件ANSYS按空间模型计算单层单跨门式刚架结构体系,研究其在一般荷载作用下的受力特点,同时按平面模型及简化模式计算,对支撑杆件内力进行分析,比较三种情况的主要差别。
　　一、结构计算模型
　　1、结构几何尺寸及荷载选取
　　根据门式刚架轻钢结构体系的主要受力特点,本文只以单层单跨无吊车门式刚架结构作为研究对象,采用梁与柱刚接、柱脚铰接的形式,以此建立门式刚架结构空间模型,包括门式刚架、支撑及系杆。作为典型实例,本文选用工程中较常见的门式刚架结构,几何尺寸为:檐口高6m,柱距6m,跨度24m。横向水平支撑的设置,按“门规”规定:当无吊车时,支撑间纵向间距宜取30~45m,本文计算时采用每30m设置一道支撑,柱间支撑与水平支撑同开间设置。对于门式刚架轻钢结构体系,其横向荷载主要由门式刚架承担,而纵向作用(包括风荷载和水平地震作用)主要通过支撑系统来承担。由于平面结构及简化计算模式无法考虑横向风载、恒载、活载及其组合,只能计算纵向风载作用情况。为了使以上3种模型具有可对比性,本文仅计算纵向风载单独作用下支撑杆件的内力。荷载取值为:恒载标准值0.4kN/m2,活载标准值0.5kN/m2,基本风压0.35kN/m2,地面粗糙度为C类,荷载计算及各参数取值按“门规”及《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)142(以下简称“荷载规范”)规定进行。
　　2、支撑形式及杆件的选取
　　常见的支撑形式有十字交叉支撑、门式支撑、角撑支撑及人字支撑等,在一般情况下,多采用十字交叉支撑152。因此,本文的计算模型也采用这种常用的十字交叉支撑。
　　3、支撑系统的有限元模型
　　(1)支撑系统空间有限元模型
　　对于角钢支撑,杆件的内力可以是压力也可以是拉力,但这种情况下结构是超静定的,如果用手工计算,是较麻烦的。在实际工程应用时,也有按压杆退出工作,只有拉杆受力进行计算。对于圆钢支撑,不考虑圆钢承受压力,按只拉杆考虑。本文计算模型中,十字交叉支撑杆按圆钢设置,所有支撑仅考虑拉杆作用,受压时退出工作。
　　(2)支撑系统平面有限元模型
　　本文建立了应用有限元分析的平面模型。平面模型分别包括水平支撑平面模型和柱间支撑平面模型:梁及柱都采用杆单元Link8,水平支撑平面在受到柱间支撑约束位置处,按铰支座考虑;柱间支撑平面在柱脚加上约束(铰接);约束所有节点的平面外位移,使其成为平面桁架结构。将折算后的纵向风载施加在水平支撑模型相应节点处,把水平支撑模型的支座反力施加在柱间支撑模型上,分别进行计算。
　　(3)简化模式
　　简化模式就是不考虑风荷载传递途径,将整个水平支撑系统和柱间支撑系统简化为一道桁架来计算。水平支撑系统考虑建筑两端所受的风荷载,按所设水平支撑数量平均分配"本计算实例中折算到各节点的荷载值。柱间支撑承受水平支撑传来的作用力。腹杆按只拉杆考虑,用手算计算各杆内力(由于手算各道内力相同,故只标出第一道杆件号)。
　　二、计算结果及其分析
　　1、计算结果
　　由于空间模型受力接近实际情况,因此其支撑杆件的内力和实际内力比较接近。本文将简化模式及平面模型的支撑内力均与空间模型的支撑内力对比,来说明这两种模型存在的问题。从计算结果可以看出:
　　(1)简化模式的结果和空间模型的结果相比较,整体差别很大,尤其对于起控制设计的杆件内力,简化模式的结果偏小,可见用于设计是偏于不安全的。对于两道支撑房屋,水平支撑中控制设计的1号杆内力的偏差值达到16.76%,柱间支撑中控制设计的10号杆内力偏差值达到9.16%。当采用三道支撑房屋时,各支撑杆的内力相差更大,如水平支撑中控制设计的1号杆内力偏差值达到35.33%,柱间支撑中控制设计的10号杆内力偏差值达到22.05%。这些已经远远超过了一般工程允许的误差范围。www.tmgc8.com
　　(2)平面模型的支撑内力和空间模型的支撑内力相比较,整体差别相对较小,对于起控制作用的杆件内力,柱间支撑的内力偏差值很小,一般在5%范围之内;水平支撑的内力偏差值稍大,平面模型的计算内力稍大于空间模型的计算内力.对于两道支撑房屋,两种模型的水平支撑的控制内力即1号杆内力的偏差值为4.42%,柱间支撑的控制内力即10号杆内力的偏差值仅为0.53%"对于三道支撑房屋,上述两种模型的水平支撑和柱间支撑的控制内力的偏差值分别为8.45%和2.05%。
　　(3)对于三道支撑房屋的3号杆,空间模型的结果为零,即此杆件受压,退出工作,受力形式发生了变化;平面模型的结果仍为大于零的值,简化模式计算的结果表明3号杆仍承担很大的拉力。
　　(4)对于三种模型,三道支撑房屋的支撑内力均比两道支撑房屋的内力小。
　　(5)随支撑道数的增加,平面模型及简化模式的计算结果与空间模型结果相差越大。如平面模型与空间模型相比,两道支撑房屋中5号杆的内力偏差值为27.64%,而三道支撑房屋中5号杆的内力偏差值为55.81%。
　　2、计算结果分析
　　(1)简化模式没有考虑实际结构的整体协调作用和空间效应,认为各道支撑承担相同大小的纵向水平力即各道支撑均匀受力,而实际结构中各道支撑间的传力是不均匀的,这就造成了较大的差别。并且,对于跨度越大的结构这种差别越大。
　　(2)平面与空间模型的结果接近,是由于平面模型考虑了柱间支撑和水平支撑的相互作用,且考虑了部分通长系杆的纵向传力作用对于柱间支撑系统,平面模型考虑了系杆的传力作用,且把柱间支撑与水平支撑相互作用的约束反力作为柱间支撑系统的外力,接近实际受力情况。
　　(3)平面与空间模型的水平支撑结果相差稍大,是由于水平支撑的平面模型不考虑各个柱的受力差异,也就不考虑刚架柱的水平侧移。这样水平支撑之间的传力通过屋脊系杆来实现,而空间模型实际是考虑柱顶与屋脊系杆的共同传力,这就造成平面计算模型与空间计算模型间的差异。但从计算结果来看,这种差异并不是很大。
　　(4)计算中具有三道支撑的空间模型中,3号杆计,讨论了张弦梁结构在肋环型网壳中的应用和受力性能,得到以下结论:
　　a.网架及网壳结构中引入预应力张弦体系能够有效降低跨中挠度,改善杆件受力性能,从而减少结构总用钢量,同时提供了灵活!简洁的建筑外观。
　　b.预应力张弦梁体系在上弦杆件起拱的条件下构成自平衡的稳定体系,在与网壳结构结合应用时能够大大减小对周边支承结构的影响。
　　c.张弦梁预应力分析应充分考虑构件的力学特性及受力环境,过大或过小的预应力将会对结构造成不利的影响。针对张弦梁结构特点开发了设计合理的节点形式,为该类结构的设计和研究提供了有益的参考。
　　参考文献：
　　1董石麟.预应力大跨度空间钢结构的应用与发展.空间结构,2002(3)
　　2陈荣毅,董石麟.广州国际会议展览中心展览大厅钢屋盖设计.空间结构,2001(4)
　　3刘锡良,白正仙.张弦梁结构受力性能的分析.钢结构,1998(4)
　　4沈世钊.悬索结构设计.北京:中国建筑工业出版社,1997

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