大跨度索支承实腹式门式钢架钢结构应用研究
提要：本文针对普通大跨度实腹式门式刚架随着跨度的增大经济性指标下降的问题，提出了索支承实腹式门式刚架结构体系。索支承实腹式门式刚架只须通过伸长撑竿施加预应力，比较于其他需要张拉钢索的预应力钢结构它是一种节点构造简单、施工简便，预应力效果明显的结构。本文详细分析了这种结构的受力性能，施工工艺和主要结点构造。通过对某72m跨度的粮食仓库采用索支承门式刚架的实例计算，得出了一些有实用意义的结论和建议，为工程设计和施工提供了参考。
关键词：大跨度 索支承实腹式门式刚架
一、概述
我国有多例跨度60~72米的实腹式轻钢门式刚架工程，包括湛江港从美国引进的60米跨的保税仓库、北京西郊机场从美国引进的一座跨度72米的飞机库，和国内自行设计大连72米门式刚架粮仓储备库，跨度再大的就非常少见。这是因为随着跨度的增大，刚架梁的挠度和梁柱节点弯矩显著增加，对刚架起控制作用的往往是刚架梁的跨中挠度，这时候采用较高强度的钢材不能解决问题，须要加大刚架截面。此时，增大截面是为了控制变形，没有充分利用钢材的强度。
因此普通大跨度实腹式门式刚架用钢量大幅度增加，经济性指标大大下降，削弱了轻钢结构自重轻这一优势。国内自行设计的大连72米门式刚架粮仓储备库，最大截面已达到1800Ⅹ300Ⅹ12Ⅹ14，用钢量（仅刚架部分，不包括围护结构）达到49.7kg/m2[9]。
针对上述问题，目前有几种解决方法，例如采用预应力格构式门式刚架、在普通实腹式门式刚架柱顶布置直线式预应力钢索。但是预应力格构式刚架对部分杆件施加预应力，预应力钢索的布置比较复杂，节点构造繁琐给施工带来不便。门式刚架柱顶布置直线式钢索须待刚架整体安装完毕后张拉钢索施加预应力，无法避免高空作业。而且刚架中直线式预应力索的效率往往不能充分发挥作用，而且预应力对梁的平面内稳定非常不利。
为了增加斜梁刚度，并降低结构用钢量，本文提出了索支承实腹式门式刚架这种新型预应力钢结构形式。
二、索支承实腹式门式刚架的结构形式和施工工艺
索支承门式刚架梁下的拉索通过三根竖撑杆与刚架梁发生作用，此时的拉索不仅仅是给结构施加预应力的手段，而且成为刚架横梁的下弦杆，较传统采用的紧贴刚架梁下弦布置预应力索的方式具有更大的结构刚度。钢拉索两端锚固在刚架柱顶，梁跨中屋脊位置设置一道撑竿，视刚架跨度和所需预应力大小可在半跨内再各设一道，其中拉索采用高强度钢绞线，撑竿采用双层的套丝钢套管，通过旋动钢套管的外管使撑竿伸长（图1和图2）。
索支承实腹式门式刚架的特点在于施加预应力的方法有两种：可以直接张拉钢索施加预应力，也可以通过伸长撑竿施加预应力。后一种预应力施加方法是靠旋长撑杆来实现的，给索支承刚架施加预应力就是通过人为伸长撑竿来张紧和拉长钢索使钢索中产生预应力的过程。拉索预先锚固在柱顶的连接牛腿中（图5），旋长撑竿必然撑紧拉索，也就给拉索施加了预拉力。由于撑竿所受的力是拉索预应力的竖向分力，而拉索于竖直方向夹角接近90度，所以此分力相比于拉索预应力非常小。而旋转撑竿本身又是利用杠杆原理，这样施加预应力是便不需要张拉设备，采用电动扳手甚至于人工便可完成。
由于预应力的大小随钢索的伸长量变化，而钢索的伸长量可以通过撑竿的伸长来控制，因此预应力水平易于控制，同时改变撑竿的数目和位置就可以控制加在刚架梁上的向上的顶力。
索支承刚架的梁柱节点构造与普通刚架相同，但是撑竿和钢索、撑竿和梁以及钢索和刚架的连接节点需要作特殊处理。两端带有反向螺纹的钢管撑杆一端通过焊接与钢梁相连（图4），另一端焊接在槽形夹片上通过螺栓与拉索相连（图3）。钢索通过多孔夹片锚具锚固在柱牛腿上（图5）。撑竿和梁下翼缘以及槽形夹片的焊接都应采用工厂焊接以保证质量。
三、索支承大跨度门式刚架的力学性能
与一般预应力结构一样预应力调整了刚架梁、柱受力状态，降低了外荷载作用下的内力峰值和刚架梁的跨中挠度，从而使预应力刚架比普通刚架的内力和变形有大幅度下降，提高了刚架的承载力、增大了结构刚度。从刚架梁柱节点和梁跨中弯矩在受力全过程三个阶段的变化（图7）不难看出索支承刚架三个阶段的受力就是加载——卸载——再加载的过程。
索支撑门式刚架除了具有传统预应力结构增强结构刚度、降低柱顶弯矩及柱脚反力的优点外，还具有一些自身的特点：
（1） 较传统预应力门式刚架预应力效果更明显、具有更大的承载能力
施加预应力后，不难从刚架内力图（图3）上看出，不仅钢拉索对柱顶产生向内的拉力，同时与传统预应力结构比较撑竿还对刚架产生向上的顶力。向上的顶力能够抵消很大一部分竖向外荷载，因此施加了预应力后的索支撑门式刚架承受外荷载后，梁柱中最终弯矩减小甚至反号。
预应力钢索和撑竿的内力随着外荷载的施加而变化（图8和图9），在起控制作用的竖向荷载作用下钢索和撑竿的内力有显著增加，对整个刚架承受更大的外荷载起到很大作用。
（2） 较传统预应力门式刚架结构具有更大的结构刚度
拉索不仅仅给结构施加了预应力，而且成为刚架横梁的下弦杆，无疑较传统采用的紧贴刚架梁下弦布置预应力索的方式具有更大的结构刚度。
此外，在竖向荷载作用下，索支承刚架的撑竿和钢拉索分别对刚架梁和柱起到弹性支撑的作用，增强了刚架特别是梁的刚度。
（3）避免刚架梁在平面内失稳
对于一般屋面坡度较小的实腹刚架来说，刚架横梁的轴向力较小，所以设计时不需验算横梁的平面内稳定承载力，而横梁的平面外的稳定性则靠檩条和隅撑来保证。预应力门式刚架中的横梁面外稳定性同样靠檩条和隅撑来保证，但其面内的力学性能与一般刚架不同。因为拉索中的预拉力在使刚架梁产生上拱变形的同时，还给斜梁施加了一个较大的轴向压力，这样斜梁就成为一个典型的压弯构件，其稳定问题不容忽视。而索支承门式刚架结构则很好的解决了这一问题：索支承结构中的拉索通过竖撑竿杆不仅给刚架施加了预应力，而且竖杆端部也成为了刚架梁在刚架平面内的一个弹性支承点，这样刚架横梁在平面内的稳定计算长度便可大为折减。布置若干个这样的竖杆便可保证了刚架梁平面内的稳定性[2]。
四、实例分析
为分析索支撑实腹式门式刚架的受力性能，本文对跨度72m，檐口高度24m，柱距9m，屋面坡度1：20的某粮食仓库采用索支撑门式刚架进行了计算。
考虑到撑竿在施加预应力过程中伸长量很大，计算时应考虑大变形。本文采用几何非线性方法进行计算，以一榀刚架为单元，按平面结构处理。
施工过程中刚架的实际受荷过程分三个阶段：
第一阶段——刚架在现场拼装完成后，此时刚架只承受自重。
第二阶段——刚架拼装后，安装钢拉索和撑竿，然后旋撑竿施加预应力，此时刚架同时承受自重和预应力。
第三阶段——刚架在正常使用阶段承受全部使用荷载。
因此，刚架受力性能分析计算按照以上三个阶段进行。
刚架在正常使用阶段的荷载最不利组合考虑以下几种计算工况：
（1）1. 2恒荷载+1.4活荷载
（2）1.0恒荷载+1.4风荷载(向右)
（3）1.2恒荷载+1.4风荷载（向右）
（4）1.2恒荷载+1.4×0.85（活荷载+风荷载(向右)）
通过仔细分析表1中数据和不同阶段刚架内力变化图可以看出，施加了预应力后的梁柱节点弯矩由自重作用下的-503.67KNm增至217.03KNm，梁跨中弯矩由313.78KNm减至-365.96KNm（图7）。此时刚架梁柱的内（应）力几乎与竖向荷载作用下的内（应）力反号，预应力对刚架起到了很好的卸载作用，而且刚架梁柱的应力均不大（表1）。刚架承受外荷载作用时，虽然2、3两种荷载组合作用下由于风荷载对屋盖向上的吸力作用，刚架的内力在施加预应力后的内力基础上略有增加，但结果表明这两种工况引起的最终内力都不起控制作用。在竖向荷载作用下，刚架梁柱节点和跨中内力分别由第二阶段的217.03KNm和-365.96KNm逐渐变到-1273.12KNm和116.05KNm（图7）。
施加预应力后刚架梁的跨中挠度由自重作用下的180.2mm（向下）变为263.2mm（向上），柱顶侧移由7.2mm（向外）变为18.8mm（向内）（表1）。
对截面进行进一步优化后，上述72m跨度的粮仓采用索支承预应力门式刚架用钢量（仅为刚架部分，未包括钢拉索和撑竿）为32.2 kg/m2，比原来用普通门式刚架（文献[8]）节省用钢量约35％左右。即采用撑竿和钢索施加预应力可以提高大跨度门式刚架的经济指标，从而增大门式刚架的经济适用跨度。
五、小结
索支承实腹式门式刚架增大了实腹式门式刚架的实用经济跨度，改善了梁柱的受力性能，提高了承载能力，增大了整体刚度。与直线式布索的普通预应力刚架比较索支承刚架的预应力效果更明显，整体刚度更大，施加预应力的方法施工简便，容易实现
