門式空間結(jié)構(gòu)整體分析和設(shè)計(jì)

1、門式空間結(jié)構(gòu)整體分析與設(shè)計(jì)摘要 近年來，門式剛架結(jié)構(gòu)類型越趨復(fù)雜，越來越多的結(jié)構(gòu)類型被應(yīng)用到實(shí)際工程中，例如框架上門式剛架、局部夾層復(fù)雜支撐等。利用MTS程序?qū)﹂T式空間結(jié)構(gòu)的整體分析與設(shè)計(jì)進(jìn)行研究探討。一 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由于實(shí)際工程的需求，傳統(tǒng)的簡單的門式剛架結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)不能滿足許多用戶的需求，大量的復(fù)雜門式空間結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到實(shí)際工程中。其中有兩類復(fù)雜門式空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。一類是框架與門式剛架結(jié)合的結(jié)構(gòu)，如圖1。這類結(jié)構(gòu)通常層數(shù)不多，在2-3層，下部為框架結(jié)構(gòu)，上部為門式剛架結(jié)構(gòu)。圖1 框架上門式剛架結(jié)構(gòu)圖這類結(jié)構(gòu)的上部門式剛架只承擔(dān)屋面荷載，荷載輕跨度大，應(yīng)該按門式剛架的要求進(jìn)行布置以節(jié)省鋼材。

2、同時(shí)為了滿足結(jié)構(gòu)整體剛度，應(yīng)布置支撐系統(tǒng)。對(duì)于這類結(jié)構(gòu)，下部框架與上部門式剛架的設(shè)計(jì)應(yīng)區(qū)別對(duì)待，為了節(jié)約用鋼量，通常希望將下部結(jié)構(gòu)依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)，而上部門式剛架結(jié)構(gòu)依據(jù)門式剛架設(shè)計(jì)規(guī)程設(shè)計(jì)。這類結(jié)構(gòu)需要將其作為一個(gè)整體來分析計(jì)算，不能忽略下部框架與上部門式剛架的相互作用，不能忽略局部夾層對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響。同時(shí)應(yīng)考慮縱向柱間支撐、屋面水平支撐、系桿等重要受力構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響。另一類是局部有夾層的門式剛架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2 局部有夾層門式剛架結(jié)構(gòu)這類結(jié)構(gòu)也需要將其作為一個(gè)整體來分析計(jì)算，不能忽略局部夾層對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響。同時(shí)應(yīng)考慮縱向柱間支撐、屋面水平支撐、系桿等重要受

3、力構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響。二 MTS軟件的設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)上述兩類結(jié)構(gòu)，MTS軟件提供了三維整體分析計(jì)算的解決方案。能夠合理的反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的整體作用，并且具有以下幾個(gè)鮮明的特點(diǎn)。1. 三維模型輸入利用MTS軟件的空間廠房門式剛架模塊可以快速建立三維實(shí)際模型。設(shè)計(jì)人員不但可以輸入整體三維模型的梁、柱構(gòu)件，還可以輸入柱間支撐、屋面支撐、系桿。為了方便設(shè)計(jì)人員快速建立整體三維模型，MTS提供快捷生成單榀剛架，而后用戶可以通過復(fù)制、添加刪除構(gòu)件來快速生成整體三維模型。2. 可以自選擇不同規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)上述兩類結(jié)構(gòu)，往往出于節(jié)約用鋼量，希望可以彈性選擇設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行合計(jì)。例如對(duì)于下部框架（或者夾層）可以依據(jù)鋼

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)；而對(duì)于上部門式剛架結(jié)構(gòu)依據(jù)門式剛架設(shè)計(jì)規(guī)程設(shè)計(jì)。在MTS軟件中，設(shè)計(jì)人員只需在后處理模塊中，選中所要設(shè)計(jì)驗(yàn)算的構(gòu)件，再選擇相應(yīng)的所需的規(guī)范，MTS程序即可按照所選擇的規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)人員選擇的構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算設(shè)計(jì)。整個(gè)操作過程十分簡單明了。3提供只拉構(gòu)件的設(shè)定對(duì)于這兩類結(jié)構(gòu)，需要布置較多的支撐提供必要的剛度，以保證結(jié)構(gòu)整體的協(xié)調(diào)作用。這類支撐往往采用柔性支撐，如果采用拉壓桿來計(jì)算，不能真實(shí)的反應(yīng)支撐的實(shí)際工作性態(tài)。MTS軟件在整體分析中支持只拉桿件的設(shè)定，可以更為合理的考慮支撐的作用。4從三維模型中提取二維模型建立三維模型可以更為精確的符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力工作情況，但目前MTS的空間廠房

5、模塊在附屬構(gòu)件設(shè)計(jì)（檁條、抗風(fēng)柱等）、以及出圖功能上有待進(jìn)一步的完善。為了滿足設(shè)計(jì)人員在這方面使用的需求，以及為了方便設(shè)計(jì)人員對(duì)三維和相應(yīng)的二維模型有個(gè)比較，MTS軟件在后處理模塊里，可以導(dǎo)出軸線平面結(jié)構(gòu)。選擇所要導(dǎo)出的單榀模型，可以生成相應(yīng)二維結(jié)構(gòu)模型（包含了截面、荷載信息），設(shè)計(jì)人員可以對(duì)導(dǎo)出生成的二維模型進(jìn)行計(jì)算、設(shè)計(jì)。三 計(jì)算結(jié)果分析縱向體系主要是為了承擔(dān)縱向力，而縱向體系的設(shè)計(jì)主要是支撐和系桿的設(shè)置。下文將針對(duì)圖1的結(jié)構(gòu)，對(duì)支撐采用只拉桿件和采用拉壓桿件的不同情況進(jìn)行分析比較。圖3和圖4分別是將支撐設(shè)定為只拉桿件和拉壓桿件時(shí)在縱向荷載下的內(nèi)力圖。圖3 支撐為只拉桿件圖4 支撐為拉壓桿

6、件表1給出了與最右邊支撐相鄰處的柱、夾層梁、系桿的內(nèi)力比較結(jié)果。表1 內(nèi)力比較柱夾層梁支撐系桿只拉桿件1.41-63.1155.35-60.63拉壓桿件32.06-45.5628.72-29.19根據(jù)兩個(gè)圖形和表1的比較可以看出，只拉桿件可以更好的反映柔性支撐。當(dāng)采用拉壓桿件代替只拉桿件時(shí)，縱向體系桿件的內(nèi)力有加大的差異。由于拉壓桿件考慮了兩個(gè)支撐（一拉一壓）的作用，因此計(jì)算得到的拉桿的內(nèi)力要比采用只拉桿件計(jì)算的到的拉力小得多，這使得支撐的設(shè)計(jì)偏于不安全。同時(shí)拉壓桿件模型下系桿、夾層梁的內(nèi)力也遠(yuǎn)低于只拉桿件模型，因此拉壓桿件模型下的系桿、夾層梁設(shè)計(jì)也將是偏于不安全的。四利用導(dǎo)出軸線平面結(jié)構(gòu)功能

7、轉(zhuǎn)化成二維問題MTS軟件可以對(duì)復(fù)雜門式剛架結(jié)果進(jìn)行建模和計(jì)算，軟件提供了只拉桿件單元，可以更為精確的模擬支撐。這樣對(duì)于復(fù)雜門式剛架，可以通過三維模型對(duì)縱向體系進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。對(duì)于較規(guī)則的復(fù)雜門式剛架（如圖1），在考慮橫向體系時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往可以采用二維模型來進(jìn)行計(jì)算分析，這樣有利于簡化操作。因此MTS軟件在后處理模塊里，可以導(dǎo)出軸線平面結(jié)構(gòu)。選擇所要導(dǎo)出的單榀模型，可以生成相應(yīng)二維結(jié)構(gòu)模型（包含了截面、荷載信息）。這樣對(duì)于較有規(guī)則的復(fù)雜門式剛架（如圖1），設(shè)計(jì)人員可以通過三維分析對(duì)縱向體系進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，對(duì)于橫向體系可以通過二維模型對(duì)各個(gè)單榀進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)通過導(dǎo)出軸線平面結(jié)構(gòu)功能，導(dǎo)出圖1的單榀模型

8、，如圖5所示。圖5 單榀模型從圖5可以看出，導(dǎo)出的單榀模型包含了通過三維模型導(dǎo)算得到的荷載。MTS軟件的平面門式剛架模塊提供了完整的門式剛架二維模型計(jì)算與設(shè)計(jì)功能。前處理模塊提供了模型建立、各種荷載輸入功能；計(jì)算模塊可對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算；后處理模塊里可查詢、顯示模型結(jié)果，可對(duì)構(gòu)件按照設(shè)計(jì)人員選定的規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，可進(jìn)行變形和抗火驗(yàn)算，并可對(duì)吊車梁、檁條、抗風(fēng)柱和屋面支撐進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)任一構(gòu)件可提供詳細(xì)的計(jì)算書，并可輸出計(jì)算書；節(jié)點(diǎn)模塊里可對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并支持獨(dú)立設(shè)計(jì)，能生成并輸出節(jié)點(diǎn)詳細(xì)計(jì)算書；基礎(chǔ)模塊里可對(duì)門式剛架基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和生成輸出詳細(xì)計(jì)算書；出圖模塊里可滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)門式剛架布置圖、節(jié)點(diǎn)圖、結(jié)果圖和基礎(chǔ)圖的需求；根據(jù)MTS程序提供的平面門式剛架模塊，設(shè)計(jì)人員可以完整的實(shí)現(xiàn)單榀門式剛架的計(jì)算與設(shè)計(jì)。五 結(jié)論由于門式剛架結(jié)構(gòu)類型越趨復(fù)雜，需要對(duì)結(jié)構(gòu)提供合理的整體分析、驗(yàn)算方案。利用MTS程序可以對(duì)門式