阅读说明：本技术 一种应用于工业厂房设计的抽柱门式刚架体系及设计方法 (Column-drawing portal rigid frame system applied to industrial factory building design and design method ) 是由 王红军 李治 黎玲 于 2020-05-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种应用于工业厂房设计的抽柱门式刚架体系,包括门式刚架横梁和支承门式刚架横梁的多排钢柱,一榀门式刚架横梁和一排钢柱组成一榀门式刚架；所述门式刚架横梁包括标准榀门式刚架横梁和抽柱门式刚架横梁,在抽柱门式刚架横梁的抽柱位置设有支承抽柱门式刚架横梁的托梁,托梁垂直于抽柱门式刚架横梁,托梁的两端分别支承于位于抽柱门式刚架横梁两侧的两榀门式刚架的钢柱上。该抽柱门式刚架体系的设计方法是,通过抽柱门式刚架计算模型和托梁计算模型之间的相关性进行迭代计算,在达到误差允许范围终止计算,就可以得到抽柱门式刚架和托梁的内力。既能保证主体结构安全,也能根据准确构件内力优化截面,节约造价。(The invention relates to a column-drawing portal rigid frame system applied to industrial factory building design, which comprises a portal rigid frame beam and a plurality of rows of steel columns for supporting the portal rigid frame beam, wherein a portal rigid frame beam and a row of steel columns form a portal rigid frame; the portal rigid frame beam comprises a standard portal rigid frame beam and a column-drawing portal rigid frame beam, a supporting beam for supporting the column-drawing portal rigid frame beam is arranged at the column-drawing position of the column-drawing portal rigid frame beam, the supporting beam is perpendicular to the column-drawing portal rigid frame beam, and two ends of the supporting beam are respectively supported on steel columns of two portal rigid frames positioned on two sides of the column-drawing portal rigid frame beam. The design method of the column-drawing portal rigid frame system comprises the steps of carrying out iterative computation through correlation between a column-drawing portal rigid frame computation model and a joist computation model, and terminating computation when an error allowable range is reached so as to obtain internal force of the column-drawing portal rigid frame and a joist. The safety of the main body structure can be guaranteed, the cross section can be optimized according to the internal force of the accurate component, and the manufacturing cost is saved.)

一种应用于工业厂房设计的抽柱门式刚架体系及设计方法

技术领域

本发明专利属于建筑结构领域,具体涉及一种应用于工业厂房设计的抽柱门式刚架体系。

背景技术

目前大部分工业厂房为轻型门式刚架房屋，因工艺需要，常需进行抽柱设计。例如，某装配式预制构件生产车间的钢结构厂房，结构形式为门式刚架，刚架沿纵向标准柱跨为7.0m，横向为4跨，长度120m，纵向25跨，长度175m，因生产工艺需要，中间某列柱网沿纵向需达到12.0m，就需要将其中一刚架柱取消，就会造成该榀门式刚架的横梁跨度达到60m，比标准横梁跨度30m增加了一倍，采用常规门式刚架体系计算，该榀刚架横梁和钢柱的截面将会增加较大，不利于施工安装，另外该榀60m跨刚架横梁的挠度应与相邻榀门式刚架30m跨横梁挠度相近，保持刚架屋面的平整，对挠度控制较高，会较大增加造价，这种抽柱门式刚架的现象在工业厂房中比较普遍。本发明通过合理的结构布置方案，使抽柱门式刚架横梁计算跨度同其它标准榀横梁计算跨度，故其刚架截面和标准榀相同或相近，通过简单适用的计算原理，能准确计算出抽柱门式刚架的内力，既能保证主体结构安全，又能优化构件截面，节约造价。

发明内容

为了克服因抽柱原因造成门式刚架横梁计算跨度增大，钢柱和横梁截面加大过多，本发明提供一种应用于工业厂房设计的抽柱门式刚架体系及设计方法，提出的结构布置及设计方法能使抽柱门式刚架的截面同标准榀相同或相近，既能保证主体结构安全，又能优化构件截面，节约造价。

本发明采用如下的技术方案：一种应用于工业厂房设计的抽柱门式刚架体系，包括门式刚架横梁和支承门式刚架横梁的多排钢柱，一榀门式刚架横梁和一排钢柱组成一榀门式刚架；所述门式刚架横梁包括标准榀门式刚架横梁和抽柱门式刚架横梁，在抽柱门式刚架横梁的抽柱位置设有支承抽柱门式刚架横梁的托梁，托梁垂直于抽柱门式刚架横梁，托梁的两端分别支承于位于抽柱门式刚架横梁两侧的两榀门式刚架的钢柱上。

所述托梁的两端分别支承于与抽柱位置相邻的两榀门式刚架的钢柱顶端上。即支承托梁两端的钢柱与抽柱位置相邻且位于垂直于抽柱门式刚架横梁方向。

所述托梁的一端与一榀门式刚架的钢柱铰接，托梁的另一端与另一榀门式刚架的钢柱铰接。

本发明还提供了所述应用于工业厂房设计的抽柱门式刚架体系的设计方法，包括以下步骤：1）通过抽柱门式刚架计算模型和托梁计算模型之间的相关性进行迭代计算，在达到误差允许范围终止计算，就可以得到抽柱刚架和托梁的内力；2）根据抽柱门式刚架和托梁的内力和预先设定的截面，得到抽柱门式刚架和托梁的应力比；3）通过控制应力比优化抽柱门式刚架和托梁截面，确定抽柱门式刚架和托梁的合理且经济的截面尺寸。

所述步骤1）中的迭代计算包括，（1）抽柱门式刚架计算模型为多跨，抽柱位置用托梁支承屋面刚架横梁，在计算模型中用固定弹性支座代替托梁，（2）利用现有计算软件，假定弹性支座刚度值K取无穷大，计算出固定弹性支座反力R₁；（3）根据F₁=R₁，利用托梁计算模型，按简支梁计算出抽柱位置的托梁变形Δ₁，F₁是托梁计算模型的荷载；（4）通过K₁=F₁/Δ₁,计算得到K₁ 值，根据得到的K₁值代入步骤（2）计算软件，计算出固定弹性支座反力R₂；（5）重复上述（3）和（4）步骤，进行迭代计算，直至得到K_i+1，当满足|K_i-K_i+1|/K_i<5%时，终止计算，式中i为大于0的自然数。

所述横梁应力比不大于0.95，刚架柱应力比不大于0.85，托梁应力比不大于0.80，同时挠度要满足规范要求。

抽柱门式刚架计算模型由钢柱和刚架横梁组成，在抽柱位置设置固定弹性支座。托梁计算模型由支承托梁的纵向钢柱和托梁组成，托梁与钢柱连接节点为铰接，钢柱长度按实际取值，支座为固定刚性支座。抽柱门式刚架计算模型中抽柱位置固定弹性支座的反力，将作为集中荷载作用于托梁计算模型，荷载位置为托梁支承刚架横梁的位置，计算出该位置的位移，再根据K=F/Δ计算出刚度值，将K值代入抽柱门式刚架计算模型中固定弹性支座的刚度，计算该K值下的支座反力，再将该反力代入托梁计算模型，进行多次迭代计算，当|K_i-K_i+1|/K_i<5%时，迭代计算即可终止，通过两个计算模型就可以得到该抽柱刚架体系的刚架和托梁内力。

本发明技术的优越性在于：该体系的结构布置方案采用托梁代替抽掉的刚架柱支承刚架横梁的结构布置方案，并提出通过抽柱门式刚架和托梁计算模型之间相关性进行迭代计算的计算原理，能准确计算出刚架和托梁内力，减小因抽柱原因增大门式刚架横梁的计算跨度，使抽柱门式刚架截面与其它标准榀截面相近或相同，提出的计算原理涉及到的计算过程都可以通过计算程序完成，计算简图传力体系简单。本发明解决了抽柱门式刚架因抽柱情况造成刚架横梁计算跨度大增而过大增大刚架截面，提出的计算原理可以准确计算出抽柱刚架和托梁内力，而保证了主体结构安全，节约造价。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2为本发明抽柱门式刚架计算模型简图。

图3为本发明托梁计算模型简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1所示，本发明包括门式刚架横梁和支撑门式刚架横梁的多排钢柱GZ，一榀门式刚架横梁和一排钢柱组成一榀门式刚架；所述门式刚架横梁包括标准榀门式刚架横梁GJL1和抽柱门式刚架横梁GJL2，在抽柱门式刚架横梁的抽柱位置A设有支承抽柱门式刚架横梁的托梁GTL，托梁垂直于抽柱门式刚架横梁，托梁的两端分别支承于位于抽柱门式刚架横梁两侧的与抽柱位置相邻的两榀门式刚架的钢柱顶端上。 如附图2~3所示，支座1为固定刚性支座，图2中支座2为固定弹性支座，R为支座2的支座反力，K为支座2的刚度；图3中F为作用于托梁的集中荷载，其数值与R相同，作用点为为托梁支承刚架横梁的位置，Δ为托梁在F作用下该集中力位置的位移，节点B表示托梁与钢柱连接方式，为铰接。具体实施步骤为：（1）根据生产工艺需求，按实际抽柱情况布置抽柱门式刚架体系结构布置方案示意图；（2）根据图1建立图2~图3两种计算模型计算简图；（3）根据图2计算简图，假定K值无穷大，即该支座为固定刚性支座，利用计算软件（如结构常用计算软件YJK、PKPM、3D3S等），计算出R数值；（4）根据F=R和图3所示计算简图，计算出Δ数值；（5）计算K=F/Δ,将K数值代入图2所示计算简图，计算出R数值；（6）重复上述（4）和（5）步骤，进行迭代计算，当满足|K_i-K_i+1|/K_i<5%时，终止计算。（7）根据计算结果优化抽柱门式刚架构件截面。

抽柱门式刚架和横梁内力准确计算出来，软件就能直接读出构件应力比，通过控制应力比优化构件截面，横梁一般控制不大于0.95，刚架柱不大于0.85，托梁应力比不大于0.80，同时挠度要满足规范要求，当小于上述应力比时可以减小截面，是比较经济的构件截面。

实施例：某装配式预制构件生产车间的钢结构厂房，结构形式为门式刚架，刚架沿纵向标准柱跨为7.0m，横向为4跨，长度120m，纵向25跨，长度175m，因生产工艺需要，中间某列柱网沿纵向需达到12.0m，就需要将其中一刚架柱取消，造成该榀门式刚架的横梁跨度达到60m，比标准横梁跨度30m增加了一倍。按上述设计要求，本发明采用抽柱门式刚架体系，包括门式刚架横梁和支撑门式刚架横梁的多列门式刚架钢柱，所述门式刚架横梁包括标准榀门式刚架横梁和抽柱门式刚架横梁，在抽柱门式刚架横梁的抽柱位置设有支承抽柱门式刚架横梁的托梁，托梁垂直于支承抽柱门式刚架横梁，托梁的两端分别支撑于抽柱门式刚架横梁两侧且与抽柱位置相邻的二个门式刚架钢柱顶端。其中，1）通过抽柱门式刚架计算模型和托梁计算模型之间的相关性进行迭代计算，在达到误差允许范围终止计算，就可以得到抽柱门式刚架和托梁的内力R_i+1（如下表）：（1）抽柱门式刚架计算模型为多跨，抽柱位置用托梁支承屋面刚架横梁，在计算模型中用固定弹性支座代替托梁，（2）利用现有计算软件，假定弹性支座刚度值K取无穷大，计算出固定弹性支座反力R₁=425.3kN；（3）根据F₁=R₁=425.3kN，利用托梁近似为简支梁的计算模型，计算出抽柱位置的托梁变形Δ₁=13.8mm，F₁是托梁计算模型的荷载；（4）通过K₁ =F₁/Δ₁=30819kN/m, 计算得到K₁ 值，根据得到的K₁值代入步骤（2）计算软件，计算出固定弹性支座反力R₂=375.8kN；（5）重复上述（3）和（4）步骤，进行迭代计算，得到K_i+1=27791kN/m，当满足|K_i-K_i+1|/K_i<5%时，终止计算，式中i=3。2）根据抽柱门式刚架和托梁的内力和预先设定的截面，得到抽柱门式刚架和托梁的应力比3）通过控制应力比优化抽柱门式刚架和托梁截面，确定抽柱门式刚架和托梁的合理且经济的截面尺寸。其中，计算刚架的截面尺寸和优化截面尺寸的计算方法按照《钢结构设计标准》（GB50017-2017）执行，该计算过程可以通过现有结构计算软件操作实现。

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