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框架上門式剛架結構整體設計

發(fā)布時間：2020-07-04 22:25:46 發(fā)布人：鋼結構設計瀏覽量：

一、問題的提出
近幾年來

，輕型鋼結構逐漸出現(xiàn)多層框架的頂層為門式剛架輕型房屋結構的結構類型

，其典型的結構形式如圖 1 所示。對于這種結構類型

，其下部框架需要按框架進行設計

，而頂層的門式剛架，可根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī) 程》（CECS102：2002）進行設計

。利用 PKPM 系列軟件，對該種結構的設計提出幾種典型的設計和分析方法

。

武漢鋼結構設計圖 1 結構形式圖

二

、結構特點
該類輕型鋼結構一般層數為 2～3 層，下部采用等截面構件

，梁柱連接采用剛接或鉸接連接，上部可采用變截面的梁柱

。樓面采用壓型鋼板和混凝土組合樓蓋

；屋面一般采用壓型鋼板

、系桿和支撐連接

；墻面一般采用壓型鋼板輕型墻面。
該種結構結合了框架結構和門式剛架結構的特點

。下部結構由于功能需要

，按鋼結構框架進行設計，樓蓋的剛度相對較大

。上部結構只承擔屋面的荷載，跨度大

，荷載輕

，為節(jié)省鋼材，按門式剛架的要求進行布置

，采用支撐系統(tǒng)來滿足結構的整體剛度

，并采用壓型鋼板、檁條等作為屋面系統(tǒng)

，屋蓋的剛度相對較小

。
對于這種結構，下部框架與上部門式剛架的設計需區(qū)別對待

，然而它們之間的相互作用、相互影響又是必須考慮的

，需要作為一個整體來分析計算。采用 PKPM 軟件來設計這一類結構

，應該注意以下問題

。
（1）結構建模
建模時必須輸入所有受力構件，包括縱向柱間支撐

、屋面水平支撐

、系桿等重要的受力構件

。這樣

，整體分析時才能夠準確計算結構的剛度。支撐可以按照單拉桿件來設計

，整體分析軟件目前還沒有單拉桿件的設置功能，應該進行補充計算

。上部門式剛架屋面剛度由剛架梁、屋面支撐系統(tǒng)

、檁條

、屋面板等共同組成，其平面內的剛度很難準確考慮

，可以偏于安全地忽略屋面板的剛度

，將所有的節(jié)點視為彈性節(jié)點，僅考慮剛架梁

、屋面支撐系統(tǒng)的作用。
（2）結構設計依據規(guī)范和規(guī)程
鋼結構設計需要考慮的規(guī)范和規(guī)程包括《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017—2003）

、《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》（GB50018—2002）

、《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》（CECS102：2002）

、《輕型鋼結構設計規(guī)程》（DBJ08-68-97）和《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011—2001）。
設計人員為節(jié)約用鋼量

，希望將下部結構依據鋼結構設計規(guī)范設計

，而上部門式剛架結構依據門式剛架設計規(guī)程設計

。同時，對鋼結構節(jié)點設計也提出相應的要求

。由此

，引起結構的風荷載計算、構件設計和結構整體變形控制等問題

。
（3）風荷載計算
風荷載計算

，對上部結構是要求考慮屋面的風吸力的影響的。由于門式剛架規(guī)程對風荷載的計算有規(guī)定

，如果采用門式剛架計算

，在軟件的應用中需要考慮門式剛架規(guī)程的風荷載計算

。
（4）結構整體控制和構件設計
鋼結構規(guī)范（簡稱鋼規(guī)）和門式剛架規(guī)程(簡稱門規(guī))對構件設計的要求不同

，其整體變形的控制對門式剛架部分如何取值

？同時

，對門式剛架構件和框架構件的計算長度、截面高厚比和寬厚比的控制等的取值也存在問題

。
三

、PKPM 軟件的設計計算
對上述結構，設計人員可根據實際情況

，按照框架結構計算，或下部按框架結構

、上部按門式剛架結構計算

。PKPM 2005 版軟件為下部為框架結構

、上部為門式剛架結構這種結構類型的設計

，提供了一套三維整體分析設計的解決方案。
1. 三維模型輸入
需要按實際模型

，真實地輸入所設計結構的梁

、柱、支撐構件，建立下部框架以及上部門式剛架的整體模型

。除了梁、柱構件外

，支撐構件（柱間支撐

、屋面支撐）也需要準確輸入

。
對結構樓面布置信息

，下部框架的樓板（含組合樓蓋）輸入，按框架方式輸入

，頂層輕型門式剛架屋面

，當采用壓型鋼板輕型屋面時

，可以偏安全地把樓板厚度取為 0

，不考慮樓板的作用。
2. 結構分析計算
針對“框架+門式剛架”這種特殊的結構

，新版 SATWE 增加了適應這類結構分析需要的一些特殊的輸入項。還要注意以下一些問題：
(1) 考慮到頂層門式剛架的壓型鋼板輕型屋面為非剛性樓面

，門式剛架梁要按壓彎構件設計

，不能選取“對所有樓層強制采用剛性樓板假定”選項，否則屋面剛架梁將不能計算出軸力

。
(2) 在特殊構件中定義門式剛架梁和門式剛架柱

、鉸接柱等信息

。定義了門式剛架梁

、門式剛架柱后，被定義的構件將按照門規(guī)進行驗算

。
(3) 門式剛架風荷載定義和組合
考慮頂層門式剛架的特殊風荷載分布方式，風荷載體型系數的選取

，如果對整個結構還在門規(guī)附錄 A 的適用范圍內

，可按門規(guī)附錄 A 選取，對頂層門式剛架部分的風荷載根據門式剛架規(guī)程的要求進行特殊定義

，否則按荷載規(guī)范進行選取。
SATWE中提供5組特殊風荷載的定義

，對門式剛架結構一般需要用到4組風荷載: +X、-X、+Y

、-Y方向風荷載

，依次稱為特殊風1～4

。在每一組中輸入相應的節(jié)點

、梁風荷載和柱間風荷載。屋面梁的風吸力（或壓力）可以按梁間均布荷載輸入

，向上為負

。
定義門式剛架特殊風荷載以后

，要將此特殊風荷載與下面框架程序自動計算的風荷載組合

，采用“自定義組合及工況”，考慮底部框架與上部門式剛架風荷載的共同作用

，修改特殊風與“X 向風”、“Y 向風”的同時組合

，即要手工修改組合為（以特殊風 1 為例）：
I. 1.2 恒+1.4X 向風+1.4 特殊風 1
II. 1.2 恒+1.4 活+0.84X 向風+0.84 特殊風 1
III.1.2 恒+0.98 活+1.4X 向風+1.4 特殊風 1
IV. 1.0 恒+1.4X 向風+1.4 特殊風 1
V. 1.0 恒+1.4 活+0.84X 向風+0.84 特殊風 1
VI. 1.0 恒+0.98 活+1.4X 向風+1.4 特殊風 1
PKPM 程序針對該類結構的特點

，默認指定 4 組特殊風荷載，并將與軟件的 X,Y 方向風荷載同時考慮

，自動按照規(guī)范要求修改組合值系數

。
(4) 修改構件的計算長度系數
SATWE 程序會自動按照有側移或無側移框架

，根據鋼結構規(guī)范線剛度比方法

，確定柱的計算長度系數。下部框架柱的計算長度系數一般可以直接采用程序按線剛度比的計算結果

，頂層門式剛架的計算長度系數需要手工修改，剛架平面內的門式剛架柱的計算長度系數確定方法可以簡化為頂層單榀門式剛架直接放在地上

，采用二維門式剛架平面分析的方法確定

，并根據下部結構對上柱的約束進行適當調整。剛架柱

、梁的平面外計算長度取法同二維平面分析

，均采用平面外有效支撐的間距

。
整體分析時必須考慮采用總剛分析方法

。
四、計算結果分析
算例工程為 2 層結構