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摘要：门式刚架结构广泛应用于铁路房屋，如货物仓库、小修库、镟轮库、检修棚等，随着该结构广泛使用，对柱间支撑抗震性能的研究变得迫在眉睫。因此，本文采用拟静力法对支撑杆不同长细比及宽厚比的影响、墙面板的对柱向支撑抗震性能的影响进行研究，提出柱间支撑抗震设计方法和给出一些设计对策。通过分析得到以下主要结论：（1）影响柱间支撑抗震性能的主要因素是支撑杆的长细比、宽厚比及墙面板；（2）柱间支撑多是因为支撑杆压弯局部屈曲而破坏，支撑杆宽厚比越小越有利于防止出现局部屈曲，因此设计中为防止支撑过早出现局部屈曲而造成支撑的整体破坏，支撑杆宽厚比应控制；（3）墙面板的设置对支撑杆自身受力影响有限，墙面板自身的受力变形很小，对滑移有显著作用，从而提高结构纵向抗震性能。
关键词：轻型门式刚架；柱间支撑；抗震性能；
1引言
门式刚架结构广泛应用于铁路房屋，如货物仓库、小修库、镟轮库、检修棚等，随着该结构广泛使用，对柱间支撑抗震性能的研究变得迫在眉睫。我国对轻型门式刚架的研究真正起步于改革开放之后，1994 年，建设部将其作为“快速房屋体系”的课题之一，列入新技术新产品开发项目。为适应发展需要，在借鉴国外研究成果及结合国内经验的基础上，国家制定了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（以下简称《规程》）。目前《规程》中对一些问题的规定存在不足，其对结构纵向抗震设计的规定即例子之一。《规程》规定“当为8度及以上时，横向刚架和纵向框架均需做抗震验算”并且规定“地震作用应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》的规定计算”，但是《建筑抗震设计规范》在单层厂房钢结构的条文中规定“本次修订，仍不包含轻型钢结构厂房”。因此《规程》对门式刚架厂房是要求进行抗震设防的，但《规程》只规定该结构的地震作用可采用底部剪力法计算，而对抗震技术措施特别是柱间支撑的抗震设计方法均未说明。起先，轻型门式刚架多在地震烈度较低的东部地区使用，且由于其抗震性能良好，抗震问题并没有很突出。近年来，该结构在西部许多高烈度地区也开始大规模使用，像许多8度、甚至9度的地区也在广泛使用，因此门式刚架的抗震设计问题就显得尤为突出和迫切。
柱间支撑是轻型门式刚架纵向抗震的核心部件，其刚度、强度及变形能力直接影响整个结构的抗震能力。震害调查也表明柱间支撑的破坏是厂房主要震害之一，汶川地震中也出现由于柱间支撑破坏造成厂房设备埙坏严重的情况。国内外对门式刚架抗震性能的研究主要集中在刚架或空间结构，而对柱间支撑抗震性能及其设计方法的研究还较少。很多人对轻型门式刚架柱间支撑的破坏及受力机理的认识是基于普通钢结构厂房，并且参照普通钢结构进行门式刚架柱间支撑的抗震设计，但是研究表明门式刚架的性能表现不同于普通钢结构。轻型门式刚架纵横向刚度均较差，须借助围护结构来加强结构的整体性，因此，檩条、面板对整个结构的抗震性能的影响也不容忽视。所以，本文采用拟静力法对门式刚架柱间交叉支撑进行抗震性能的研究，并考虑围护结构的影响，得到柱间支撑的抗震性能及其主要影响因素，并提出柱间支撑抗震设计方法及一些抗震设计建议，是有一定理论意义及工程应用价值的。
2 轻型门式刚架柱间支撑有限元理论和模型
2.1 拟静力分析法的原理
拟静力法就是采用一定的荷载控制或位移控制对构件或结构进行低周反复循环加载并一直加载到破坏，由此获得构件或结构非弹性的荷载—变形特性，用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变形特点。通过试验所得的滞回曲线，可以计算结构耗能能力，并可得到骨架曲线、结构的初始刚度及刚度退化等参数。由此可以进一步从强度、变形和能量等进行抗震性能评价。拟静力法是一种用静力学方法近似解决动力学问题的简易方法。
目前，钢结构的许多拟静力试验都可以用有限元进行数值模拟。柱间支撑的往返循环受力过程是很复杂的，随着荷载的增加，材料会由弹性进入塑性，且伴随着塑性的发展，结构发生明显几何变形，材料也会出现疲劳损伤，这反映出支撑在加载过程中经历了几何非线性和材料非线性。几何非线性指结构的几何变形引起结构非线性响应；材料非线性指材料本身非线性的应力-应变关系导致结构非线性响应。因此，对支撑的循环受力分析应采用非线性有限元法。
2.2轻型门式刚架柱间支撑有限元模型
拟分析的柱间支撑的模型取自门式刚架图集。柱间支撑主要包括钢柱、刚性系杆及支撑斜杆三部分。在地震区，柱间支撑多为组合双角钢，角钢在端节点处通过节点板与柱联系：节点板与柱焊接，角钢与节点板先通过螺栓安装然后焊接。支撑杆在交叉节点处，通常有两种做法：一是两杆在交叉点处都连续；另一种是一杆连续，另一杆断开。刚性系杆通过连接板与柱螺栓连接。钢柱与基础一般通过预埋件螺栓连接或焊接，构造上分铰接和刚接。
有限元模型的节点按如下方式处理：钢柱由面单元组成，柱底加一30mm的底板，柱顶加一50mm的顶板，并按一定间距设置隔板。支撑与节点板先通过螺栓安装、然后三面围焊，这样构造的节点具有一定刚性，因此有限元模型处理成节点板与支撑腹板共边界，这样节点既能传递一定弯矩但也达不到完全刚性。支撑交叉节点的构造比较复杂，特别是对不连续的情况，本文选择杆件都连续的情况，并且考虑填板作用，因此将支撑双角钢组合的截面简化成T型截面，支撑杆件都连续，在交叉点处使两杆腹板耦合。刚性系杆是通过螺栓与钢柱连接，这样的构造使得刚性系杆端节点在支撑平面内的转动刚度变得较小，同时它是以轴向受力为主，并且稀放掉该方向的转动刚度。节点的有限元模型见图1。本文中所有模型的有限元节点均按此处理。
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（a） 柱间支撑基本有限元模型 （b） 柱间支撑有限元交叉节点
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（c）柱间支撑下部节点 （d） 柱间支撑上部节点
图1柱间支撑基本模型有限元模型
3. 柱间支撑抗震性能研究与分析
本节中刚性系杆型号都为钢管156×5，支撑节点板厚度为12mm，其他各构件具体尺寸详见各小节。本节主要研究支撑杆不同长细比和宽厚比、墙面板二种因素。
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图2 柱间支撑构件几何尺寸参数示意图
3.1支撑杆不同长细比及宽厚比的影响
（1）模型设计
在抗震设防区，门式刚架柱间支撑斜杆截面多集中在 2∟45×5~2∟125×8之间。本分析结合门式刚架图集，设计了8组模型（每两组的长细比相当而宽厚比不同）来研究支撑斜杆长细比及宽厚比对支撑抗震性能的影响。由上节分析可知，柱脚的连接形式对柱间支撑的受力性能影响有限，因此本节分析时柱脚按铰接处理。本分析CG系列模型见表2。
表2 CG系列模型几何尺寸参数 （单位：mm）
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（2）CG 系列模型破坏形态分析
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（a）模型CG1 λ=380 γ=9 （b）模型 CG2 λ=382 γ=7.5
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（a）模型CG3 λ=240 γ=14 （d）模型 CG4 λ=241 γ=11.7
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（e）模型 CG5 λ=186 γ=15 （f）模型 CG6 λ=187 γ=12.9
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（g）模型 CG7 λ=167γ=16.7 （h）Z模型 CG8 λ=168γ=14.3
图3 CG 系列模型破坏形态
从模型破坏形态图3看：模型 CG1、CG2的压杆在平面内整体压弯失稳；模型CG3、CG4 在平面外压弯局部屈曲失稳，屈曲发生在翼缘处，平面内外位移量基本相当；模型CG5、CG6 在平面外弯扭局部屈曲失稳，平面外的位移明显的比平面内大，同时压杆出现了较严重的扭转且连带着拉杆也发生了扭转，模型CG6比CG5出现屈曲的时间要稍早些、屈曲的程度要严重些；模型CG7、CG8的破坏形态跟 CG5、CG6类似，且模型CG7与CG8的破坏形态图很相近、位移变形量也接近。从整体而言，支撑杆长细比大于某一临界值，支撑杆呈平面内整体压弯屈曲失稳，最终的破坏可能是拉断或压折；支撑杆长细比小于此临界值时，支撑杆呈平面外压弯局部屈曲破坏，而长细比越小平面外变形越大、扭转越厉害，宽厚比越小越有利于防止局部破坏，所以抗震设防区的支撑宽厚比宜加以限制。
3.2墙面板的影响
（1）模型设计
围护墙对轻型门式刚架的整体性影响明显。围护墙一般有砖墙、砼砌块墙、板材墙、金属墙及一些新型材料墙。压型钢板金属墙面最常用，其型号很多，每种型号的规格都不相同，本分析中只选择了其中一种型号，而将板材的厚度及檩条间距作为变量。面板与檩条通过自攻螺钉与檩条连接，螺钉中心距不大于300mm，面板在墙角、门窗洞口处均要做包角处理。由于螺钉的直径一般只有几毫米，使得墙面板与檩条的受力接触面很小，同时面板很薄，因此把螺钉的连接处理成铰接或刚接对分析影响不大。本分析不考虑螺钉的接触变形、滑移等因素，檩条与面板的连接采用公用节点。墙面平面外的刚度很小，为防止在加载过程中，边缘的面板因没设包角而多度扭曲变形造成有限元模型过早不收敛，因此将竖向边缘50mm范围的面板厚度取为8mm以模拟包角作用。板材为Q235，檩条规格为C180×2.5，螺钉的间距为150mm。
表4 QM系列模型几何参数（单位：mm）
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（2）QM系列模型破坏形态分析
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（a）QM1 檩距 1480mm 面板厚 0.6mm （b）QM2 檩距 2000mm 面板厚 0.6mm
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（c）QM3 檩距 1480mm 面板厚1mm （d）QM4 檩距 3000mm 面板厚1mm
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（e）QM5 檩距 1480mm 面板厚 1mm 无支撑 （f）ZJ2 无面板
图4 QM 系列模型破坏形态及 Misses 等效应力分布
由QM系列模型破坏变形及Misses等效应力分布图 4看出，墙面板的有无、厚度及檩条的间距对柱间支撑杆件本身的受力没有显著影响，支撑杆件仍然是压弯屈曲破坏。但墙面板的设置使得与下部檩条连接处的柱段发生了明显的扭转变形，变形程度与檩条的间距及面板厚度相关。由模型 QM5 看出，面板自身的变形却很小，只在面板四个边角有较明显的变形。面板自身的应力都很小，大部分面积仍处于弹性范围，只四周边缘处的应力较大，柱顶位移角达到了1/78，墙面板也只是在下部两个角部的小范围处出现了屈服，这比柱间支撑（柱顶位移角为 1/345 就支撑斜杆就屈服）的变形能力要好得多。
（3）支撑斜杆轴力分析
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图5 支撑斜杆受拉轴力变化
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图6 支撑斜杆受压轴力变化
墙面板的设置使得支撑斜杆受拉轴力发展减缓，无面板的支撑拉力发展快些，并且设置了墙面板的支撑斜杆受拉轴力并没有出现明显下降段。设置墙面板对支撑斜杆受压轴力变化基本上没有影响。
综上所述，墙面板的设置对支撑杆自身受力影响有限，墙面板自身的受力变形很小。设置墙面板的作用：一是模型侧向承载力增加 10%左右；二是使模型达到极限承载力后，随着柱顶位移的进一步增加承载力降幅变小；三是对于减轻模型滑移有显著作用。所以，墙面板能提高结构纵向抗震性能。
4.结束语
本文采用拟静力法，研究了柱脚连接形式、支撑斜杆长细比及宽厚比、墙面板设置及面板厚度因素对轻型门式刚架柱间支撑抗震性能的影响。主要结论如下：（1）影响柱间支撑抗震性能的主要因素是支撑杆的长细比、宽厚比及墙面板；（2）柱间支撑多是因为支撑杆压弯局部屈曲而破坏，支撑杆宽厚比越小越有利于防止出现局部屈曲，因此设计中为防止支撑过早出现局部屈曲而造成支撑的整体破坏，支撑杆宽厚比应控制；（3）墙面板的设置对支撑杆自身受力影响有限，墙面板自身的受力变形很小，对滑移有显著作用，从而提高结构纵向抗震性能。
参考文献
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