普通钢结构与门式刚架的支撑体系有何不同

普通钢结构与门式刚架的支撑体系有何不同。钢结构 （网架、管桁架、轻钢）设计、施工及技术咨询及建筑结构加固；并从事空间结构和相关材料的研究、技术开发与应用。

在计算单层门式刚架房屋钢结构时,纵向风荷载是通过屋盖横向水平支撑组成的横向水平桁架传至柱间支撑,再通过柱间支撑传至基础,《建筑结构荷载规范》所给的风荷载模式如(图1a),而《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》引用美国MBMA的风荷载模式如图6.7-1(b),前者两面山墙的均为风吸力,体型系数均为0.7后者迎风面山墙为风压力,体型系数为0.65,边区为0.90;背风面山墙为风吸力,体型系数为0.15,边区为0.30。普通钢结构设计手册采用前者模式,可仅取端头的第一拼横向水平支撑桁架抵抗山墙面抗风柱顶传来的风荷载,交叉支撑可按拉杆设计,压杆退出工作,则该横向水平桁架成为静定结构,很容易进行内力计算。

而按（图1b)模式,左端为正向风压力,右端为负向风吸力,则屋盖支撑系统受力与前者大不相同,此时宜将屋盖各道支撑连在一起作为一个整体来计算,显然,迎风端的纵向系杆受较大的轴向压力,随着风力被各道支撑承担,纵向系杆轴压力逐步递减,到了背风端系杆会出现拉力。屋盖支撑体系中,交叉支撑按拉杆设计,压杆退出工作,所有纵向系杆都必须按压杆设计,整个屋盖支撑体系是一个超静定体系,计算内力不方便,为此利用规程《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》的规定纵向力在(多道)支撑间可按均匀分布考虑”,这样一来就明确了每道支撑所传递的风荷载,亦即得知了各区段的纵向系杆的轴压力,由此整个屋盖支撑体系转化为静定结构,就容易计算了。

现以一个建筑实例分别计算（图1a)和(图1b)两种荷载模式下的屋面横向水平支撑内力,按对称取半跨桁架计算,设建筑跨度为36m,柱距为6m,屋面平均高度10m基本风压设计值按0.6kN/m2,交叉支撑全部为45°,按拉杆设计,压杆退出工作,共计4道支撑。按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》模式,仅需计算迎风端的前面两道受力最大支撑即可。

1.按普通钢结构设计手册模式计算:

根据《建筑结构荷载规范》的规定,抗风柱顶的力为P=(18×10×0.6×0.7)/2=37.8kN,0.7为风荷载体型系数,一个抗风柱受力为37.8/3=12.6kN,屋盖横向水平支撑计算见（图2a),柱间支撑承受水平力为37.8kN

2.按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》模式计算

根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》的规定,考虑风荷载体型系数的不均匀性,端头区Z=0.1B=3.6m,各抗风柱顶的受力见图6.72(b),计算每道支撑往下传力,按对称取半跨计算,以屋脊处为支撑第一节间,顺序往下,到边列柱为第四节间,每道支撑承担四分之一的荷载需除以4:

第一节间:N1=(5.85+1.35)/4=1.80kN

第二节间:N2=(11.7+2.7)/4=3.60kN

第三节间:N3=(12.15+2.95)/4=3.78kN

第四节间:N4=(8.1+2.7)/4=2.70kN

每道柱间支撑承受水平力,N=∑N=1.8XN,第一道横向水平支撑后的纵向系杆内力:

第一节间:N1=-5.85+1.80=-4.05kN

第二节间:N=-11.7+3.60=-8.10kN

第三节间:N3=-12.15+3.78=-8.37kN

第四节间:N4=-8.1+2.7=-5.40kN

第二道横向水平支撑后的纵向系杆内力:

第一节间:M=-4.05+1.8=-2.25kN

节间:N2=-8.1+3.6=-4.50kN

第三节间:N3=-8.37+3.78=-4.59kN

第四节间:N=-5.4+2.7=-2.70kN

各纵向系杆的内力求出之后,该支撑体系变成静定结构,很容易逐点求出各水平支撑的内力,见（图2b),各支撑杆内力规律是:

(1)纵向系杆的内力,包括横向水平支撑中的直腹杆随纵向延伸而逐步降低

(2)所有斜杆的内力在同一节间不变,随传递方向朝柱间支撑而迅速增大;

(3)每个柱间支撑所受水平力相同

共计纵向水平力4N=4×11.88=47.52kN,各支撑杆件内力见图6.72(b),负号为

3.比较前面的两种计算结果,可以得知:

(1)传统计算模式的支撑内力值大大高于

(2)《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》整体计算模式中,纵向系杆的轴向力将随风向延伸逐步递减,而普通计算模式不计算纵向系杆内力。

传统模式不计算纵向系杆内力,按构造要求设置通长的纵向刚性压杆足以保证结构安全,通常的纵向系杆用钢量约占屋盖轻型檩条用钢量的一半,如果采用檩条兼作纵向系杆可以得到很好的经济效益,但此时就必须算出所有纵向系杆的轴压力。从上例的计算可以得知,轴压力并不大,所引起的轴向应力一般情况下不超过15N/mm2,很容易满足计算要求。当房屋跨度大时,水平支撑中的直腹杆的轴向力可能较大,此时可以考虑采用双檩条模式。

事实上,轻钢结构整体屋盖是由屋面蒙皮板和支撑体系共同组成,对于某些特定的板型和构造,单是蒙皮效应就可取代屋盖支撑形成稳定的空间体系,文[6.1]有详细论述。但从安装施工的角度考虑,支撑体系仍是必不可少的,因为在安装时尚没有蒙皮效应,需支撑体系来保证各构件的稳定性,需利用支撑来调节安装,蒙皮效应仅作为结构的安全储备考虑。

以上讨论按整体屋盖是理想刚性考虑,实际工程中,屋盖檩条均是采用螺栓连接,且檩条常开成椭圆孔,故整体屋盖不可能是理想刚性的,支撑体系在传递纵向风荷载过程中也必然存在剪力滞后现象,即迎风面的首道支撑,所承担和传递的风荷载会大于其后的各道支撑,各道支撑不是完全平均分担荷载,但在计算中对于这些情况不予考虑也是可行的,因为有蒙皮效应的安全储备来补偿这个不足之处。当然,如果屋面板型的蒙皮效应不强,可以按概念设计考虑,对迎风面前端的一、二道支撑的内力分别乘以一个大于1.0的增大系数,以策安全。