邵兵
南京市市政设计研究院有限责任公司 江苏省南京市 210000
摘要：将普通门式刚架结构中单榀或多榀的门架柱抽掉已成为当前轻型建筑结构的常规做法，门式刚架主要优点有：，构件体积小，板件宽厚比等级低材料重量轻，其可在工厂大量生产，质量可靠性高，安装步骤方便简单。本文基于研究理论，总结矩形钢管桁架屋面抽柱门式刚架结构设计方法和步骤。结合工程实例并根据项目概述确定合理设计方案建立结构模型，分析结构中各种参数配置，然后进行内力分析。对于抽柱门架，工程困难主要在于立柱掉位置刚度变化对整体结构产生影响，在此设计过程中，托梁作为屋架支撑用于替换该处被抽掉门架柱。使用三维模型进行建模和计算，该构件可简化为弹性支撑。
关键词：抽柱门式刚架；结构；模型；研究
引言：目前建筑行业作为国民经济支柱之一，在当今社会发挥重要作用。矩形钢管桁架屋面抽柱门式刚架作为建筑工程中重要结构，具有多种优势，可在短期内完成工程建设。由于建设周期短，可循环利用，广泛应用于工业厂房和公共建筑，具有明显的优势和经济效益。
1概述
抽柱门式刚架结构是传统结构系统，主要由门式刚架柱、门式屋架、刚性系杆、支撑托梁、拉杆和山墙骨架组成。门式轻型房屋钢结构具有形式简单、结构传力路径明确、构件生产方便快捷、施工时间短等优点。因此，广泛用于工程中，并经常用于工业厂房和各种民用建筑中。本文以A工厂建设工程为例，根据不同支撑布置方案，建立抽柱门式刚架模型方管桁架屋顶。荷载分析表明，在有完整立柱情况下，虽然已将屋架布置在立柱位置，但还须布置柱间支撑和屋面水平支撑以改善结构整体性能。同时，在分析采用弹性支撑方法模拟水平支撑在水平屋架中支撑效果可行性时，分别比较简化二维计算结果和三维空间模型计算结果[1]。
2基本构成
由于托架跨度或工艺设计需要，抽柱门式刚架经常需要抽掉一些立柱以形成门洞，此时，必须在相应位置设置支撑托梁，将荷载转移到相邻刚架柱上，以形成合理空间传力系统。对于此类房屋，拆除立柱会导致结构完整性下降，并且在地震作用下会产生某种形式局部振动。因此，需要布置屋顶支架和立柱支架，以改善结构整体性能。抽柱门式刚架主要承重结构分为两部分：支撑托梁和钢结构承重系统。其中钢结构承重系统主要由刚性门式屋架和门式刚架柱组成，通常使用轧制或焊接工字梁。屋顶支撑系统由两部分组成：交叉斜撑和刚性系杆。当使用圆形钢管作为斜撑时需要使用张紧装置或角钢稳定架构。刚性系杆可使用圆形钢管在立柱之间进行支撑结构，系杆需要设计成刚性杆，并且可承受压力，通常固定在立柱顶部[2]。
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3模型设计
使用MIDAS/Gen软件，建立屋顶支撑系统不同布置下A厂房房屋结构三维空间模型，并进行计算和分析，以研究水平支撑布置天花板高度、设备整体性能、立柱刚度与机架性能影响。在本文中，研究三种支撑设计方案。其一为无支撑刚性框架三维模型，其二是带有两排水平支撑模型，其三是带有三排水平支撑模型。
4计算结果分析
使用MIDAS/Gen中Lanczos法用于特征值分析，累积模态参与质量达到总质量90作为主模态标准，相应周期是振动模态基本自然振动周期模型。列出每个模型5个基本自然振动周期和相应模态数。模型1基本模式出现在模式24中，表明此时整个模型中出现大量局部模式，且工厂整体性能较差。根据模型2和模型3基本周期结果可看出，在A工厂中水平支撑建立基本上对基本周期没有影响，但减少模式阶数在基期出现，表明屋顶水平支撑放置可在一定程度上减少局部振动模式，提高整体性能。根据基本周期计算结果相比，可知水平支撑后增加纵向水平支撑使基本模式出现在第一模式中，表明纵向水平支撑装置可明显消除局部振动形式，提高建筑整体性能[3]。
5平面计算
在计算抽柱门式刚架结构时，有必要考虑纵向支撑对水平屋顶桁架支撑效果。目前，已有相关研究使用PKPM软件简化抽柱刚架计算，并采用弹性支撑法或虚拟柱法来模拟纵向支撑对柱刚架支撑效果。横向绘制受PKPM软件限制，无法计算支撑力，为提高刚度，只能选择实心腹板截面。根据相关研究可知，应采用纵向支撑使用虚拟列法进行仿真。但虚拟柱法只能模拟支架垂直支撑效果，无法考虑侧面支撑效果，而弹性支撑方法可同时模拟支架在框架上垂直和侧面支撑效果，因此有必要研究弹性支撑方法建模。为执行弹性支撑方法来模拟纵向支撑对侧向拉伸刚性柱框架支撑功能，使用MIDAS/Gen建立单榀屋架。
荷载传递途径为：屋面恒、活荷载通过抽柱榀传递给托梁，再由托梁传递给相邻立面。所以程序自动计算的顺序为：首先计算抽柱榀，计算出传给托梁的反力；在计算纵向立面时，将传给托梁的反力加载到托梁上，求出托梁端部的反力；最后计算不抽柱榀，将托梁两端的反力加载到相应节点。这个传力过程通过导荷节点由软件自动完成。
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无支撑刚性框架三维模型简化计算接近于每种支撑布置方案通用模型的计算结果，表明该平面简化计算方法合理可行。与弹性支撑法相比，虚拟柱法不考虑支撑。由于框架侧向支撑作用，虚拟柱法柱上部位移比弹性支撑法大。原因在于简化平面计算方法未考虑与侧柱连接纵向支撑，因此平面简化计算位移结果大于一般模型位移[4]。
6结语
综上所述，本文以A厂房建筑为例，分析矩形钢管桁架屋面抽柱门式刚架设计方法，总结三种模型，并分析各自优势，以期可为A厂房建筑设计提供有价值意见。
参考文献
[1]段熙宾,刘曹宇.单跨等截面柱门式刚架结构柱计算长度系数研究[J].结构工程师,2020,36(04):188-195.
[2]段潇川,王小龙.抽柱门式刚架结构设计要点及对厂房经济性影响分析[J].武汉勘察设计,2018(02):38-40.
[3]胡川,陈水荣,张同忠,刘晓帆,王杰,李相杰.矩形钢管桁架屋面抽柱门式刚架设计方法研究[J].钢结构,2016,31(12):69-73.
[4]段潇川,王小龙.抽柱门式刚架结构设计要点及对厂房经济性影响分析[J].建材世界,2016,37(02):51-54