某三联跨门式刚架温度应力分析

王 飞

(山西省建筑设计研究院有限公司，山西 太原 030013)

近百年来，门式刚架因其受力简单、传力路径明确、施工周期短、柱网布置灵活等特点，且经验非常成熟，广泛应用在各大工业建筑及民用建筑中。随着经济的快速发展，人们对门式刚架的跨度及长度的要求越来越大，在不脱缝的前提下，长度已然接近GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[1]规定的纵向温度区段长度的限值，此时会产生很大的温度应力，尤其在温差较大的地区，超长门式刚架结构所受到的温度作用不容忽视，杆件中的温度应力在某些情况下占材料强度的比重较大，温度作用参与的工况组合有时候会成为控制组合，温度作用在结构中产生的节点位移非常可观，严重情况下会发生安全事故，造成生命财产损失。

1 工程概况

本工程位于山西省太原市，门式刚架长度为150 m,跨度为90 m(三跨)，钢架间距为6 m,高度为12 m，屋面坡度为10%，建筑面积为13 500 m2，无吊车作用。主钢架采用焊接H型钢Q345B，支撑、系杆、檩条、拉条等构件采用Q235B。恒载为0.3 kN/m2，活载为0.5 kN/m2，风荷载为0.4 kN/m2，雪荷载为0.4 kN/m2，场地类别为Ⅲ类，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第二组。钢柱柱脚节点采用铰接节点，梁柱节点采用刚接节点，钢梁及边柱采用变截面焊接H型钢，中柱采用焊接对称H型钢，基础采用柱下独立基础，墙面及屋面围护结构均采用夹芯板。结构平面布置图及立面剖面图见图1～图3。本工程长度及跨度均较大，杆件中的温度应力占材料强度的比重较大，温度作用参与的工况组合有时候会成为控制组合，因此需对结构进行温度作用分析。

2 跨度方向温度作用分析

太原市地处中国华北地区、山西中部，西、北、东三面环山，中、南部为河谷平原，整个地形北高南低呈簸箕形。太原属北温带大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。年平均气温9.5 ℃。表1为太原市全年每月气温统计表(由中国天气网提供)。

本项目主体不采暖，在使用过程中主体结构有可能达到与室外相同的温度，取太原市历史最低温度-21 ℃、最高温度36 ℃进行温度应力计算。考虑到施工单位项目进度安排，结构合龙温度取为(15±5)℃，根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范[2]9.3.1规定，计算得结构最大温升为ΔTK=TS,max-T0,min=26 ℃，结构最大温降为ΔTK=TS,min-T0,max=-41 ℃。钢结构的弹性模量为2.06×105MPa，线膨胀系数为1.2×10-5/℃，钢材密度为7.85×103kg/m3。

表1 太原市全年每月气温统计表

本文采用3D3S软件进行跨度方向温度作用分析。软件在温度荷载作用下的位移及弯矩图如图4所示。

在温度荷载作用下，端部钢架的位移为24.9 mm,位移角为1/483，满足规范要求。梁柱节点处弯矩最大值为62.8 kN·m,弯矩图对称分布，钢架端部弯矩最大，中部最小。

钢架端部梁柱节点内力最大，查计算书可知，温度作用参与的工况组合为控制组合，最不利荷载组合号为20(1.3恒载+1.5活载+1.5×0.6温度)，组合内力M=-659.6 kN·m,其中温度作用下的内力占比将近8.5%，由此可知，温度作用对门式刚架的影响较大，不容忽视，且在后续杆件的强度稳定验算和节点设计时，均应考虑温度作用的影响。经验算，钢架各个杆件的应力均满足规范要求。

若本项目处于哈尔滨等寒冷地区，温差较大，取历史最低温度-34 ℃、最高温度38 ℃，合龙温度仍取为(15±5)℃，结构最大温升为ΔTK=TS,max-T0,min=28 ℃，结构最大温降为ΔTK=TS,min-T0,max=-54 ℃。经计算，温度作用下的弯矩占比为12%，由此可知，温度作用对钢架的影响较大，不容忽视。

3 长度方向温度作用分析

GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[1]5.2.5规定，纵向温度区段长度不宜大于300 m；GB 50017—2017钢结构设计标准[3]3.3.5规定，采暖地区的非采暖房屋纵向温度区段长度为180 m。本项目的纵向长度为150 m，虽小于以上两本规范的规定，但本项目所处地区的最高最低温差值为57 ℃，差值较大，纵向方向的温度效应影响不容忽视。且纵向的温度作用对整体结构产生水平位移较大时，对周边结构产生碰撞，出现安全事故，因此计算门式刚架纵向的温度作用是很有必要的。

本项目全长为150 m，根据规范规定，共设置5道柱间支撑，柱间支撑布置图见图3。柱间支撑对称布置，支撑与门式刚架的节点均为铰接节点，两层柱间支撑中部的横杆按照系杆设计。运用MIDAS Gen软件对整体结构进行温度应力分析，结构在温升与温降作用下的计算结果见图5。

由图5可知，结构位移对称分布。在温降作用下，结构水平方向最大位移为27.5 mm，位移角为1/436；温升作用下结构水平方向最大位移为17.4 mm，位移角为1/689，满足规范要求，不会对周边结构发生碰撞。

在温降作用下，柱间支撑端部内力较大，中部内力较小，呈对称分布，边跨支撑杆件最大内力为206 kN，计算应力为172 MPa，应力比达到0.80。该支撑杆件在组合内力作用下应力有可能超过215 MPa，杆件发生破坏。由此可知，温度对门式刚架的影响非常大，会对结构产生很大的安全隐患。

若本项目处于哈尔滨等寒冷地区，温差按照28 ℃,-54 ℃计算，温升作用下的结构位移为18.8 mm，位移角为1/638，温降作用下的结构位移为38.2 mm，位移角为1/314；温降作用下柱间支撑最大内力为271.1 kN，应力为227 MPa，已经超过Q235的最大应力，结构不安全。

由以上计算结果可知，温度作用对结构的影响较大，且温差越大，对结构的影响就越大，严重情况下会带来一定的安全隐患，因此在后续的结构设计过程中，应采取一定的结构措施：1)门式刚架跨度方向进行杆件及节点设计时，内力组合应考虑温度作用的影响；2)加大端部柱间支撑截面尺寸，使最大荷载组合下的应力比降低到1.0以下，且留有一定的富余；3)端部柱间支撑及檩条的连接节点采用长螺旋孔设计，长螺旋孔的长度需根据构件的计算变形确定；4)寒冷地区选用适宜的合龙温度，降低最大温升和最大温降对结构的温度作用影响。

4 结论及建议

1)门式刚架的纵向及横向均较长时，温度作用对结构的影响较大，会带来安全隐患，因此无论是否是寒冷地区，均须计算温度作用。

2)门式刚架构件及节点的设计均考虑温度应力的影响。

3)加强墙面与屋面围护结构的保温措施，减小结构在使用过程中的温度影响。

4)应力较大部位的支撑及檩条节点采用长螺旋孔，减小温度影响。

5)其余大跨度的桁架及网架等均需考虑温度作用的影响。