连栋温室钢结构框架稳定设计的探讨

梁志文（江门市建筑设计院有限公司，广东江门529000）

连栋温室钢结构框架稳定设计的探讨

梁志文（江门市建筑设计院有限公司，广东江门529000）

稳定性是连栋温室钢结构框架最为关键的内容，直接关系着连栋温室的安全与稳定。本文结合现阶段最为先进的钢结构设计理论与研究成果，在已改善长度系数方法弊端的基础上，就连栋温室钢结构有侧移失稳时、等高独特性质，有针对的制定出一种可以计算柱与相互作用的层稳定系数法与长度系数计算修正法。

连栋温室；钢结构；框架；稳定；设计

1 引言

钢结构是当前国际上连栋温室应用最多的结构，温室多采用小型桁架或钢管梁，立柱采用矩形薄壁钢管，以单元组合的形式通过天沟形成等高、多跨的连跨结构。过去在对轻型钢结构的稳定传统进行计算时，所用到的材料过多，对于结构的实际受力情况也很难准确的反映。本次试验正是在当前最为先进的钢结构稳定设计理论与研究成果的基础上，通过对钢结构失稳时各个柱子相互支援及结构整体的性质的全面考虑，对此种多跨、等高的相互支援的生产性温室钢结构进行设计，以在保证结构安全的基础上，降低用钢量，更真实体现结构力学反应。

2 温室结构类型及构造特点

2.1 山形屋面温室

门市钢架结构在现阶段温室中应用最为普遍，温室柱脚一般为刚接或铰接，如果跨度超过8.0m时，就应在门架梁再增添一个拉梁与柱通过刚接方式进行连接。开间一般为3.0m、4.0m，跨度一般为6.0、8.0m。

图1 山形屋面温室

2.2 Venlo温室

温室柱脚一般有两种，即刚接与铰接，屋面梁通常以轻钢梁为主，大梁主要应用桁架结构；开间为4.0、5.0m；跨度有12.8m、9.6m、6.4m。

图2 Venlo温室

2.3 三角形屋架温室

三角形屋架温室屋架为有檩体系，梁柱连接采用刚接方式，柱脚连接有刚接与铰接两种；开间为4.0m、5.0m，跨度为8.0m、9.6m。

图3 三角形屋架温室

2.4 三铰拱屋架温室

屋架由吊杆和小桁架共同形成，屋架下弦为轻钢拉杆中间吊杆，上弦为小桁架，屋面为有檩体系，梁柱连接采用刚接方式，柱脚连接有刚接与铰接两种；开间为3.0m、4.0m、5.0m，跨度为9.6m、12.8m、15.0m。

图4

2.5 拱形屋面温室

拱形为常见的屋架形式，屋面设置拉杆或檩条，梁柱连接采用刚接方式，柱脚连接有刚接与铰接两种；开间为3.0m、4.0m，跨度为8.0m、10.0m。

图5 拱形温室

2.6 锯齿型屋面温室

锯齿型为温室剖面常见形式，屋面设置檩条，梁柱连接采用刚接方式，柱脚连接有刚接与铰接两种；开间为3.5m、4.0m，跨度为9.2m、9.6m。

图6 锯齿形屋面温室

3 传统的计算长度系数法

传统上，框架柱的平面内稳定采用如下的公式：当框架出现侧移屈曲时，长度系数计算公式为：当框架柱出现无侧移屈曲时，长度系数计算公式如下：在以上两式中，柱脚铰支时，柱脚固支时，即汇交于柱上端的梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值，见图7，其中对边柱对中柱

图7 山形温室有关参数示意

图8 框架的失稳模式

4 框架有侧移失稳——一个简单的判定准则

框架每一层的抗侧刚度K可从结构的线性分析直接得到。如果在没有水平力作用的状态下，框架的有侧移失稳现象将会明显的显现出来，这也从侧面表明框架结构抗侧刚度被削弱，不具备水平位移抵抗能力。研究表明，竖向荷载是一种负刚度的因素，也框架抗侧刚度K变小最为主要的因素，其可以将框架原本的正刚度进行抵消。假设竖向荷载为V（N），当临界荷载超出框架时，可利用反算对竖向荷载的等效负刚度进行计算求取。

则该框架有侧移屈曲的一个简单准则就变长。

5 同层各柱的相互作用——修正计算长度系数法及其困难

传统的计算长度系数有明确的物理意义，可以通过多跨框架的算例验证。每一根柱子的传统的计算长度系数可以用下式计算框架抗侧刚度与结构力学矩阵位移法线性分析得到层抗侧刚度：

屈曲时，柱子轴力越大，失稳倾向也会更大，轴力小的柱子也会提供支援，因此在对轴力大的柱子进行计算时，应当将此种情况充分考虑进去。

6 框架整体屈曲分析方法

整体屈曲分析是按照以下步骤进行的：

（1）对给定的荷载组合，采用线性分析方法对框架结构进行计算得到所有框架柱子的轴力；

（2）以该工况的组合轴力Pk为标准，与荷载因子进行相乘；

（3）形成有限元分析的刚度矩阵，进行特征值分析，得到临界荷载因子xcr：

（4）求得的第k个柱子的临界荷载为xcrPk，长度系数计算公式如下：

长度系数μnk所计算出的结果通常情况下会和式（8）中k值相等，接下来可利用整体屈曲形式对所得到的长度系数进行计算分析。

7 对温室柱按整层失稳模式的稳定性设计建议

（1）计算温室框架的通用长细比：

设温室柱子总根数为n根，框架柱为m根，摇摆柱为n-m根。K是该层抗侧刚度，Pyk为该层全截面屈服时摇摆柱的轴力，Pyj为全截面屈服时第j根框架柱子轴力，h是层高。

（2）该层稳定系数φst计算：按照每根柱子的截面类型，有针对性的计算柱子曲线。

（3）按照下列公式对每根框架柱有侧移失稳的稳定性进行验算，公式如下：

式中：φx-按照框架无侧移失稳时的计算长度系数确定的稳定系数βmx-按照无侧移失稳的规定计算，

式中：η—对箱形柱子取0.7，对H形截面柱子取1；y—框架柱平面外弯曲失稳的稳定系数。

（6）计算整层时，框架柱长细比非抗震设计时，控制指标为1.6。

单个柱子的长细比应小于200。

（7）双向压弯构件的稳定性计算

y方向是纯框架，x方向设置支撑的双向压弯框架柱的稳定性计算标准为：y方向（绕x轴）按照整层有侧移失稳计算的公式是：

（5）框架柱的平面外，则按照下式计算框架柱的平面外稳定：

y方向（绕x轴）按照不利柱子的无侧移失稳计算的公式是：

（A.3）x方向（绕截面的弱轴y轴）的计算稳定性的公式为：

式中：φy—计算无侧移失稳时的计算长度系数。层稳定系数法为整层失稳的框架柱稳定性计算方法。详细的反映出整层失稳的特点为框架有侧移失稳现象，没有对各柱子进行有侧移失稳的计算长度系数计算，有效的使稳定计算方式简化。悬臂柱的通用长细比是：

式中：Ny=Afy表示柱子全截面屈服荷载，S=3EI/h3为悬臂柱的抗侧刚度。

框架结构在完全不具备弹性的情况下，其稳定性与弯矩之间并无明显的联系，但对采用弹塑性的框架结构而言，弯矩能够使框架梁柱提前进入弹塑性，从而将框架的刚度削弱，对框架稳定性造成影响。当框架出现侧移失稳现象，可在柱子上下端强柱弱梁的状态下，在梁端开展塑性，当梁端及柱顶塑性铰趋于形成时，层承载力也会到达极限。所以利用稳定性方法对整层稳定性计算时，其弯矩项的计算也会相应增加。这种情况下，相较于传统的长度系数计算法，框架层计算的准确率较低，因此并不鼓励其在实际中进行应用。摇摆柱则只需进行无侧移屈曲的验算。对整层的稳定性进行计算后，一般可以由有效减少该层有侧移失稳现象的出现。单只有在得到别的柱子支援或轴力过大时，无侧移失稳情况才可能发生。下面是一个算例中的一些参数，从中可以得到采用本文方法将能够达到的效果。不同方法的计算参数见表1。

表1 不同计算方法的比较

从表1中可以看出，在均布竖向荷载的作用下，边柱为中柱提供支援后，将会增大其自身的计算长度系数，而中柱在得到边柱支持后，其计算长度系数将会变小。由此可见，边柱轴力越小，中柱轴力越大，失稳倾向也愈发严重。依据改善后的计算长度系数法可以获知，由于中柱计算长度系数减小，其截面（壁厚或外形）也会相应的缩短，减少结构建设成本。因此，水平力作用下，层稳定系数法的应用，使得框架柱的轴力分布不均。框架柱受轴压力越大，将会得到越大的支援，从而使截面减小，为企业带来更好的经济效益。

8 讨论

因此，目前绝大多数温室的边柱和中柱都采用了不同的截面，采用本文的方法对温室柱进行设计，可以取得较好的经济效果。稳定系数法在水平力的作用，能够极大的减少经济支出，这是由于水平力使得框架柱的轴力分布更不均匀。框架柱受轴压力越大，将会得到更大的支援，使得截面减小。部分结构中，中柱采用无侧移失稳控制，通过上下铰接形式。因此，通过层稳定系数法可以柱子的无侧移失稳进行验算补充。

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TU391

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2095-2066（2016）36-0183-03

2016-12-12