张志伟
天津市环境卫生工程设计院 天津市 300201
摘要：随着社会工业的不断发展，为满足工艺更具灵活性的功能布置需求，出现了一些由传统钢结构形式衍生出来的其他结构形式。带夹层门式刚架就是其中的一种，它由普通门式刚架厂房和室内框架平台有机组合而成。门式刚架结构局部带夹层，在结构设计方面与常规的门式刚架结构存在差异，基于此，本文主要对带夹层门式刚架设计进行分析探讨。
关键词：带夹层；门式刚架；设计
1、前言
目前，门式刚架轻型钢结构体系已经得到了广泛应用。随着厂房向大型化、多功能化发展，为了充分利用厂房内净空，常需要设置操作架台或者局部设置办公夹层。当局部夹层与主体门式刚架连接时，就衍生出一种带夹层门式刚架钢结构体系。这种结构形式的设计既不同于多层钢框架结构设计，也不同于一般的单层门式刚架工业厂房结构的设计。
2、带夹层的门式刚架结构设计方法
带夹层的门式刚架结构，刚架纵向设置的夹层梁，与主刚架柱的连接，可以铰接，也可以刚接，不同的连接方式，会影响整个结构分析方法的确定。当纵向夹层梁与刚架柱刚接连接时，连接位置的刚架柱双向受弯，夹层区域形成了真正的三维框架体系，此时需要使用三维有限元分析方法实现结构的整体分析。
当纵向夹层梁与刚架柱铰接连接时，纵向水平力完全由支撑承担，而且横向每榀的刚度比较均匀，结构具有清晰的荷载传导途径，竖向荷载、横向荷载（横向风荷载、吊车横向水平荷载、横向地震力等）主要由门式刚架承担，纵向水平荷载（山墙风荷载、吊车纵向刹车力、纵向地震力）主要由纵向支撑所在立面承担。此时建议，横向刚架、纵向支撑系统分别采用二维建模计算的方法。
PKPM软件是目前国内应用广泛的结构设计软件，能完成一体化的结构设计，包括模型输入、结构分析设计、构件验算、整体施工详图设计等，软件提供了带夹层门式刚架结构设计的解决方案和实现方法，下面主要介绍软件使用三维设计方法和二维设计方法实现带夹层门架结构的设计功能。
3、设计常见问题以及方案优化
3.1结构布置
带夹层的门式刚架结构在工程中通常有两种：①局部的小范围夹层；②大面积的满布夹层。对于普通不带吊车的门式刚架结构一般都采用轻型围护结构，自重很小，主要受风荷载控制，在6度、7度0.1g抗震设防烈度的地区地震力不起控制作用，但设置了夹层后的整体受力特征会发生很大变化。
对于局部夹层，尽量将夹层和主体结构用防震缝分开，夹层结构都是钢筋混凝土楼盖结构，自重比其他结构要大很多，当夹层结构与主体结构相连接时，在水平地震作用下会发生扭转，这会导致门式刚架结构原有的受力特性发生改变，扭转效应会形成很大的水平力并作用于刚架柱，不利于刚架柱受力。当采用夹层结构与主体结构相连接的结构布置时，可以通过整体建模对结构进行内力分析，再采用相应的构造措施来减轻夹层的地震作用对主体结构的不利影响。可以在夹层的周围设置支撑，通过支撑将夹层的水平地震力传递到基础；在有夹层的屋盖上设置局部纵向水平支撑，并向两边各延伸一个开间，以平衡夹层和非夹层区域的侧移。
对于带整体夹层的门式刚架结构形式，应该根据下部结构的情况来考虑顶层柱底位移的影响。在结构的布置中主要考虑上下层结构的连接，也通过整体建模分析结构受力。在进行夹层结构梁的布置时，要考虑到H型钢平面内和平面外的惯性矩相差很大，要尽可能的单向布置夹层梁，尽量让主要的荷载作用在平面内的夹层梁上，这样可以使下部与上部结构处在同一个平面内。
3.2结构计算
带夹层的门式刚架结构的结构形式既不同于门式刚架又不同于钢结构框架，在夹层和主体结构之间还存在着很大的相互作用，所以在进行结构计算时要通过整体建模来分析结构受力，目前主要采用PKPM-SATWE和Sap2000软件分析，从而能够准确计算基础荷载，校核时可以通过与平面计算模型的结果进行对比。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在进行结构分析计算时要注意下面几个问题：
3.2.1模型建立
目前的很多程序都是采用振型分解反应谱法计算结构的地震作用，门式刚架结构的平面外刚度比较小，计算过程中会出现局部振动，有效质量系数很难达到90%，所以在建模时，必须根据实际的布置情况把纵向支撑、屋面支撑和刚性系杆都布置在模型中，而且为了防止主要的振型发生局部振动，刚性系杆要按照模型的计算情况通长布置。夹层处的楼面是钢筋混凝土楼盖，按照实际情况输入模型中就行，但门式刚架部分的屋面板若采用的是压型钢板，就将屋面板的厚度取零，忽略其刚度，只在屋面荷载导算时用。
3.2.2计算长度取值
进行钢结构设计计算时，构件的长细比和稳定性验算都需要一个准确的计算长度，对于带夹层的门式刚架结构计算长度的取值并没有明确统一的计算方法，利用软件对计算长度进行合理计算是一个关键问题，需要具体情况具体分析。现在规范对计算长度的确定方法有：钢结构设计规范线刚度比较法、门规一阶分析法、钢结构设计规范阶形柱计算方法。这三种方法适用范围不同，主要采用的是线刚度比较法。对于局部带夹层的门钢结构，一般是对夹层部分计算长度采用钢结构设计规范线刚度比较法根据有侧移来计算，刚架柱部分平面内计算长度根据门钢规范验算，但这只是个相对来说比较可行的设计方案，是否合理还有待考究。对于整体带夹层的门钢结构按照分开考虑的方案，下部框架柱的计算长度系数按钢结构设计规范线刚度比较法计算，顶层的刚架柱可以假定其直接设置在地面上，考虑两层柱子之间的连接选取合适的支座形式，顶层的刚架柱和梁的平面内计算长度根据门钢规范计算。平面外计算长度取值按照平面外有效支撑的间距（一般取柱间纵向垂直支撑、刚性系杆和屋面水平支撑节点间距），在整体模型中人工输入计算长度。
3.2.3钢构件设计计算规范的选择及计算
对于夹层部分的钢梁和钢柱可以根据《钢结构设计规范》及《抗震设计规范》进行对应的设计参数控制，还要确保满足规范中的板件宽厚比和长细比的指标。板件宽厚比可以按抗规第9.2.14条第2款根据承载力的高低按性能目标确定。夹层部分钢梁、钢柱及节点部分均要做抗震验算，为了满足强节点弱构件的要求，采用梁端加腋角和梁翼缘加宽的构造措施。对于刚架部分变截面梁、变截面柱结构，采用的是压型钢板类的轻质屋面、墙面结构，当设防烈度在7度（0.10g）及以下时，可以根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》进行对应的设计参数控制，还要确保满足规范中的板件宽厚比和长细比的指标，并按门规中的方法以压弯构件来进行强度和稳定性的验算。当设防烈度在7度（0.15g）及以上时，要根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》及《抗震设计规范》进行对应的设计参数控制，还要确保满足规范中的板件宽厚比和长细比的指标，钢梁、钢柱及节点部分均要做抗震验算。并满足相应的构造措施。
4、结语
以下为带夹层门式刚架结构的设计总结：
（1）首先应当根据使用要求选择合理的结构布置方案，减少夹层部分与主体结构之间的相互影响，为结构计算依据的选择明确方向。
（2）钢结构计算长度的取值是一个重点问题，直接影响长细比的确定及构件稳定验算结果，整体建模计算时要根据具体情况分析，选择合理的计算方法确定结构计算长度。
（3）由于带夹层门式刚架结构的特殊性，夹层部位荷载较大，结构布置不规则，很容易引起结构扭转，在抗震设防烈度为7度0.15g 及以上区域应当重点分析其对结构的不利影响。
（4）对这种结构的设计，不同部位应采用不同的规范进行指标控制、截面验算及节点设计，以保证结构的可靠性和经济性。
带夹层门式刚架结构形式在垃圾处理车间、餐厨处理车间设计中相对其它单一结构形式具有较明显的优势。笔者在14年设计了建筑面积2700m2（90m×30 m）的铜陵餐厨预处理车间，15年设计了建筑面积7840m2（143.575 m×54.6 m）的瓦房店垃圾综合处理车间，两车间均采用了带夹层门式刚架结构形式，效果很好。由于现行设计规范中并没有对该类结构设计做出明确规定，不能完全照搬某单一结构设计规范。设计应结合带夹层门式刚架自身的特点，分析结构各部分受力机理，并综合考虑各部分相互作用进行整体分析，参照相关结构设计规范科学合理设计。
参考文献
［1］PKPM多高层结构计算软件应用指南，中国建筑工业出版社，2010．6
［2］预制轻钢建筑系统实用手册，同济大学出版社，2013．5
论文作者:张志伟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/12
标签：夹层论文; 结构论文; 荷载论文; 钢结构论文; 纵向论文; 长度论文; 刚度论文; 《建筑学研究前沿》2018年第23期论文;