钢框架与门式刚架综合结构设计分析

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摘要：本文以某钢结构宿舍楼综合体为例，采用PKPM-STS设计软件对两栋钢框架之间连有大跨度顶棚，室内地坪为变阶的多层钢框架与门式刚架综合结构进行计算，分析讨论了结构布置、模型建立以及计算注意事项等，对类似的结构设计具有一定的借鉴意义。

关键词：多层框架钢结构、门式刚架、PKPM-STS

中图分类号：TU2文献标识码： A

一、引言

随着建筑结构形式日益灵活提高，钢框架与门式刚架综合结构作为一种新型的、特殊的结构形式出现在设计中，尤其是需要大空间的建筑。对于这类建筑，暂时并没有特定的规范条专门的说明及要求，单纯的按照钢框架结构或者门式刚架结构设计均不合理，甚至出现安全隐患换。但是，通过合理的结构受力分析和构造措施，可以保证结构的安全性和经济性。对于这种结构类型，钢框架与门式刚架的设计需要区别对待，然而他们之间的相互作用、相互影响又是不可忽略的，需要把它们作为一个整体来分析。现以某钢结构宿舍楼综合体为例，进行计算，并分析讨论。

二、工程概况及结构方案

本工程为钢结构宿舍楼，包含北楼、南楼以及中间的休闲娱乐区，其中：北楼三层，平面尺寸42.0m×15.6m，一层层高4m，二、三层层高3.6m，一层室内地坪-4.0m，檐口标高7.2m；南楼一层，层高3.6m，室内地坪3.6m，平面尺寸42.0m×15.6m，檐口标高7.2m；休闲娱乐区顶棚柱高1.5m，平面尺寸42.0m×23.4m；墙面及顶棚屋面采用岩棉金属夹芯板，其余楼屋面采用压型钢板与混凝土组合楼板。工程所在地的建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为9度，建筑结构安全等级为二级，设计基本地震加速度0.4g，设计地震分组第二组，场地类别Ⅱ类，抗震等级二级。该地区修正后的基本风压0.7KN/m2，地面粗糙度B类，基本雪压0.7KN/m2。

由于建筑对空间使用的要求，内部不允许设置柱间支撑，设计考虑北楼与南楼采用钢结构纯框架体系，纵向不设柱间支撑，选用HW型钢钢柱，HN型钢框架梁；中间休闲娱乐区不许设柱，跨度较大，屋面采用轻型屋面，出于经济性考虑，顶棚采用门式刚架结构体系，并进行抽柱处理，刚架跨度23.4m，钢柱选用同底部框架柱相同的截面，选用焊接工字型变截面钢梁，设屋面水平支撑。结构平、立面图如图1~图3所示。

图1 南、北楼标准层平面图

图2 屋面顶棚平面图

图3 立面图

三、结构计算分析：

南、北楼钢框架结构应严格按照《钢结构设计规范》、《建筑抗震设计规范》进行设计，而门式刚架顶棚则不同，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中1.0.2条条文说明“当多层建筑的顶层为门式刚架轻型房屋钢结构时，其设计、制作和安装可参照本规程执行”，所以门式刚架顶棚的设计应遵循《门刚规程》，即顶棚门式刚架的钢梁柱受压杆件的最大宽厚比、屋面斜梁的最大挠度、钢柱的最大长细比等可参照《门刚规程》的限值进行控制，但整个结构在风荷载作用下的柱顶最大位移及层间相对位移的容许值按《钢结构设计规范》附录A.2规定分别取1/500和1/400，在多遇地震作用下的层间相对位移的容许值1/250。

本工程采用PKPM-STS软件进行建模，建模时，应按照实际模型真实的输入所设计的梁、柱、支撑等构件，还应结合构造措施，应主要考虑以下几点：

建模（1）选用PKPM-STS模块中的框架进行建模，此建模为三维设计，可以更好地反映实际情况；

（2）钢结构纯框架体系中框架梁与框架柱双向刚接，纵向不设柱间支撑，结构类型选择无填充墙的钢框架，计算按照框架结构体系进行计算；SATWE计算前处理时，“特殊构件补充定义”中将次梁与主梁连接设为铰接；

（3）门式刚架顶棚中屋面梁为斜梁，可通过网格生成中的上节点高实现；SATWE计算前处理时，“特殊构件补充定义”中，将顶棚梁柱设置为“门式刚架梁”、“门式刚架柱”；钢梁平面外计算长度按实际平面外支撑间距修改，此模型为3m（隅撑间距）；

（4）顶棚屋面采用压型钢板，不能作为刚性楼板考虑，时，在楼板生成中，应将板厚修改为0，并在SATWE计算前处理中“分析和设计参数补充定义”不能勾选“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”， 忽略屋面及檩条的侧向刚度作用；

（5）模型中，除了梁、柱、楼板外，支撑构件（此宿舍楼只有屋面水平支撑及系杆，未设置柱间支撑）同样需要在建模时准确输入，这样才能反映真实受力状况。《门刚规程》6.5.1条“门式刚架轻型房屋钢结构中的交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件和刚性系杆应按压杆设计”，此模型水平支撑采用单角钢，系杆采用圆管。建模时，水平支撑和系杆采用斜杆布置，SATWE计算前处理时，“特殊构件补充定义”中，设置为“两端铰接”支撑；

（6）荷载输入时，顶棚门式刚架屋面均布荷载的导荷方式应指定为以刚架斜梁为受力边的单向导荷；

（7）顶棚门式刚架的风荷载采用特殊风荷载输入，SATWE“分析和设计参数补充定义”中将风荷载分为两段，第一段默认，第二段（门式刚架）取0，然后在特殊风荷载中采用简化方法，将柱间风载手动导算为柱顶集中荷载加到柱顶；屋面钢梁的风载应分别考虑风压和风吸按均布荷载分别输入。在特殊风荷载中，增加+X、-X、+Y、-Y四种特殊风荷载，分别代表山墙侧的风压、风吸，纵墙侧的风压、风吸。定义完成后，应将“分析与设计参数补充定义”中的“荷载组合”项里的“采用自定义组合工况”勾选；

（8）“地震作用分析方法”采用“总刚分析方法”；“线性方程组解法”采用“VSS向量稀疏求解器”。

所建模型如图4所示：

图4 三维模型图

四、结论：

对于钢框架与门式刚架综合结构这种新型的建筑结构形式，灵活运用现有规范条文进行计算，采取相应的构造措施，能够满足结构安全、合理、经济的设计理念，设计出符合要求的建筑。

参考文献：

[1] GB 50017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003

[2] CECS102： 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2002

[3] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010

[4] GB 50009-2012 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012