高大超长单层钢结构刚架温度分析及优化设计

孙必祥，贝正其，褚姚青，郑益锋，冉浚宏

（1.中机中联工程有限公司，重庆400039；2.宁波方太厨具有限公司，浙江 宁波315336）

1 引言

单层钢结构房屋的温度区段长度不超过GB 50017—2017《钢结构设计标准》第3.3.5 条规定，即围护构件为金属压型钢板时，横向温度区段为150 m，纵向温度区段为250 m[1]，一般情况下可不考虑温度应力和温度变形的影响。 这是由于常规跨度、 高度等情况下的单层钢结构建筑受温度变化引起的刚架侧移比较小，不会给刚架增加较大的附加温度应力。 但随着工艺布置及使用要求的不断提升， 越来越多的钢结构建筑长度、高度、跨度等都远远超过规范规定要求，故对此类高大超长单层钢结构厂房进行合理的结构布置及温度应力计算非常必要，以便选择合理的结构方案，达到结构安全且经济合理的目标。

2 工程概况

某高位货架库建筑位于浙江省慈溪市，为单层钢结构，纵向长度110 m，横向宽度240 m，横向尺寸远超规范限值；且刚架檐口高度达36.6 m，较常规的单层钢结构建筑更高。

根据工艺布置，本工程横向长240 m，分为8 跨，跨度均为30 m，横向抗侧力体系采用刚接门式刚架；纵向长度110 m，柱距为10 m，纵向抗侧力体系采用多层交叉柱间支撑系统。

3 高大超长刚架结构计算分析

3.1 模型建立

本工程结构弹性分析采用PKPM 软件中的STS 模块及Midas Gen 软件。钢结构的弹性模量按2.06×105N/mm2，线膨胀系数按1.2×10-5/℃，质量密度按7.85×103kg/m3进行计算。

3.2 荷载取值

刚架屋面恒载按实计算取0.7 kN/m2， 活荷载按规范取0.5 kN/m2， 雪荷载按100 a 一遇基本雪压0.4 kN/m2计算取值，风荷载按50 a 一遇基本风压0.55 kN/m2计算取值，场地粗糙度类别按A 类。

温度作用：依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[2]，慈溪市月平均最高气温Tmax为37 ℃， 月平均最低气温Tmin为-4 ℃。 考虑到使用期间结构有金属墙面的围护保温作用，结构最高平均温度Ts,max、最低平均温度Ts,min分别取35 ℃、0 ℃；参照慈溪市月平均温度，结构最高初始平均温度T0,max取30 ℃，最低初始平均温度T0,min取5 ℃， 则最大降温及最大升温工况分别按-30 ℃和+30 ℃取值。

3.3 温度作用计算结果对比

利用PKPM 和Midas 软件对刚架进行温度作用计算，升温工况下刚架柱顶、柱底弯矩计算值及对比分析如表1 所示；升温、降温工况下刚架（柱顶）位移计算结果及对比分析如表2所示。

表1 升温工况下刚架弯矩计算结果对比分析

表2 升温、降温工况下刚架位移计算结果对比分析

从以上对比分析可见：（1）PKPM 与Midas 两个软件的计算结果非常接近；（2）主要构件各部位在升温（降温）工况下弯矩计算结果基本一致，数值误差在5%以内；（3）升温、降温工况下刚架（柱顶）位移计算也基本相同。 表明在温度作用工况下， 刚架结构处于弹性受力和弹性变形状态， 利用PKPM 和Midas 软件均可对其进行较为准确的温度作用计算。

3.4 温度作用影响分析

通过对刚架模型在考虑和不考虑温度作用时分别计算，边柱及第二根刚架柱温度工况下柱顶弯矩Mt和弯矩设计值M 计算结果如表3 所示。 从计算结果可见：（1）温度工况下柱顶弯矩不足弯矩设计值的10%；（2）温度作用对刚架内力影响主要在刚架边柱， 第二根钢柱内力计算结果基本不受温度作用影响（第三、四根钢柱计算结果未列出，但对比结果同第二根钢柱一样）。

表3 各工况下刚架弯矩计算结果对比分析

综上可见，虽然本工程刚架结构超长较多，但在温度工况下刚架结构处于弹性受力状态；且由于刚架高度高，仅柱底受约束，结构整体适应温度变化的变形能力较强。 温度变化对结构整体及构件内力影响并不十分明显； 且只主要集中在刚架结构两侧部位。

4 温度作用对高大超长刚架影响分析

为进一步分析温度作用对高大单层超长钢结构的受力影响，将对不同高度刚架结构进行温度作用计算并对比分析。 按本工程刚架结构横向长度、跨度等尺寸不变，恒、活、温度等荷载不变，仅改变刚架高度进行计算，不同高度时刚架柱顶、柱底在温度作用工况下的弯矩Mt和Mt与对应部位弯矩设计值M 的比值计算结果如表4 所示。

表4 不同高度刚架温度作用计算结果对比分析

从计算结果可见：（1）随着刚架高度的减小，温度工况下柱顶、柱底弯矩与对应部位的弯矩设计值的比值越来越大，表明刚架越高，其内力受温度作用影响越小；（2）常规高度的超长单层钢结构厂房，如刚架高度为18 m 及更高时，温度工况下构件弯矩与弯矩设计值的比值大幅上升， 表明温度变化对超长刚架结构的内力影响不可忽略， 此计算结果与规范规定相吻合；（3）刚架高度超过常规范围，如30～36 m 时，温度工况下构件弯矩与弯矩设计值的比值仅10%左右， 表明虽然温度变化对超长刚架结构的内力有一定影响， 但随着刚架高度增加，约束变弱，其影响比例大幅降低，从而也使得高大超长刚架结构方案更具可行性。

5 风荷载对高大超长刚架影响分析

钢结构本身抗侧刚度不高，受风荷载影响较大，为考虑和分析风荷载对高大刚架受力的影响，对不同高度刚架结构（模型同前文）进行计算并对比分析如下：不同高度时刚架柱顶、柱底在风荷载作用下的弯矩Mw和Mw与对应部位弯矩设计值M 的比值计算结果如表5 所示。

表5 不同高度刚架风荷载计算结果对比分析

从计算结果可见：（1）随着刚架高度的增加，风荷载工况下柱顶、 柱底弯矩与对应部位的弯矩设计值的比值越来越大，表明刚架越高，其内力受风荷载影响越大；（2）刚架高度12～18 m及更高时，风荷载工况下构件弯矩与弯矩设计值的比值大幅上升，与GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[3]相关规定基本一致，即房屋高度不大于18 m 时，其风荷载可按该规范进行计算，房屋高度大于18 m 时，由于受风荷载影响更为显著，需按荷载规范等相关要求计算风荷载；（3）对高大单层钢结构刚架而言，风荷载将是影响其受力及变形的最主要因素之一。

6 高大超长刚架结构的优化设计

以本工程为例，由于刚架横向长度超过规范限值较多，通常情况下可能会采取设置伸缩缝， 分为两榀刚架的结构设计方案；或者在柱顶适当的位置设滑动支座，用以消除温度应力影响。

对本工程横向长240 m 的刚架按不同结构方案进行计算，主要计算结果及经济性指标如表6 所示。 从3 种方案的计算结果比较分析可知：（1）在满足结构变形主要指标如柱顶位移角基本相当的情况下， 设置伸缩缝和滑动支座的方案将大大削弱刚架的抗侧刚度，从而导致刚架柱截面加大，用钢量相应增加；（2）在中柱柱顶一侧梁端设置滑动支座的方案，用钢量较设缝方案略有降低，但存在诸多不利因素，如梁截面高度大，滑动支座难以实现，两侧结构单元在水平荷载作用下变形差异或协调不均时可能导致关键节点安全性降低等[4]。

表6 不同结构方案计算结果对比分析

如前文分析，虽考虑结构超长时温度作用的影响，但高大超长结构由于受风荷载影响更为显著； 故较设置伸缩缝或设滑动支座的方案，本工程采用不设缝的结构方案，刚架抗侧刚度反而越大，在结构变形基本相当的情况下，钢柱截面可由箱型截面优化为H 型钢截面，用钢量也可优化约20%；另外，采用不设缝的结构方案还将更利于钢结构的制作、安装，降低伸缩缝处的构造处理难度、漏水风险等。

7 结语

1） 在本工程高大超长单层钢结构刚架的结构设计过程中， 通过温度作用计算考虑对结构引起的温度应力和温度变形影响，采用不设缝的超长结构方案是可行的。

2）单层钢结构高度、长度等超过规范适用范围较多时，影响其受力、变形等关键指标的主要因素可能发生变化，或影响程度会发生变化，故对此类超常规结构，设计时应进行针对性分析并多方案比较，选择最优化方案。

3）本文仅结合某高大超长单层钢结构刚架的设计进行分析，受建筑规模、外部条件等影响，今后类似的工程可参考本文分析计算方式及优化设计思路， 但尚需结合工程的实际情况进行具体的分析设计。