頂層為門式剛架的錯層框架鋼結構的分析與設計

涂斌

摘要：本文以一個多層鋼結構廠房為例，分析了頂層為門式剛架的錯層鋼結構框架房屋的結構布置、構造措施，對主要節(jié)點的設計進行了討論。

關鍵詞：門式剛架；多層框架鋼結構；錯層

一、引言

隨著鋼結構在國內(nèi)建筑行業(yè)中的應用越來越廣泛，一種頂層為輕型屋面的剛架，以下樓層為多層鋼框架結構的房屋形式使用越來越多。根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS102：2002（以下簡稱《門剛規(guī)程》）中1.0.2條的條文說明，“當多層建筑的頂層為門式剛架輕型房屋鋼結構時，其設計、制作和安裝可按本規(guī)程執(zhí)行”【1】，即頂層的門式剛架可按照《門剛規(guī)程》設計，其下的多層鋼框架結構設計應按照《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003【2】執(zhí)行。它們之間的作用關系須充分考慮，故應整體建模來進行分析和計算。

在這種結構形式中，下層鋼框架常出現(xiàn)夾層樓面開洞和局部樓面錯層的情況。夾層樓面有大面積開洞時，須根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）【3】（以下簡稱《抗震規(guī)范》）3.4.3條進行建筑結構不規(guī)則特征判定，并依據(jù)其不規(guī)則特征進行相應結構設計。而錯層結構則較為復雜，根據(jù)文獻【4】，“所謂錯層，就是樓板標高大于600mm以上，且超過梁高”，“錯層的面積必須大于等于整個樓層面積的30%”，錯層結構屬于平面不規(guī)則，豎向也不規(guī)則的結構。錯層結構不利因素有兩方面：首先樓板相互錯置，樓板協(xié)調結構整體受力的能力被大大削弱，樓板的相對錯位會在構件中產(chǎn)生很大的變形內(nèi)力；其次，一些部位由于樓板錯層形成豎向短構件，其可能在同向受力中由于錯層構件剛度大，而產(chǎn)生內(nèi)力集中，不利抗震?！?】現(xiàn)以某多層鋼結構廠房為例，進行分析。

二、工程概述及結構方案

本工程鋼結構廠房區(qū)域長93.5m（8軸~19軸），寬55 m，柱距11.5 m +8.5 m X8+7 m X2，跨度18.5 m +18 m +18.5 m，柱頂標高16.4m，其中8軸~15軸區(qū)域夾層標高11.5m，15軸~19軸區(qū)域夾層標高8m，屋面墻面圍護結構采用鋼結構檁條外鋪壓型鋼板?；撅L壓為0.60 kN/m2，地面粗糙度是 B 類，雪荷載為0.8 kN/m2，抗震設防烈度是7度，設計地震分組是第3組，設計基本加速度值是0.10g，建筑場地類別III類，抗震設防類別是丙類，根據(jù)《抗震規(guī)范》8.1.3條，抗震等級為四級。

根據(jù)工藝要求，夾層樓面上有很多大開口，供設備安裝與使用，故按圖1進行框架結構平面布置，其中圖（a）為11.5米標高平面，圖（b）為8米標高平面。設備荷載不作用在框架構件上。11.5米標高和8米標高夾層平面按照兩個標準層分別建模。夾層以上的結構主要承擔輕型屋面荷載，荷載輕，故頂層鋼柱與鋼梁分別定義為門式剛架柱和門式剛架梁，采用支撐體系來保證結構整體剛度。支撐體系中的屋面水平支撐、系桿、柱間支撐等重要傳力構件須在模型中表現(xiàn)出來。

（a） （b）

圖1. 夾層平面布置圖

三、結構計算及分析

運用PKPM2010版軟件的鋼結構框架模塊進行三維整體建模，采用SATWE進行模型的分析與計算。主屋面所在的標準層須根據(jù)建筑坡度設置鋼梁和其它構件斜度。夾層樓面為框架結構，主框架梁與鋼柱雙向剛接，次梁與框架梁鉸接連接，樓面開洞須按實際情況布置“全房間洞”，并考慮樓梯的影響。屋面為壓型鋼板，故屋面標準層樓板厚度應取0（主結構設計中不宜考慮壓型鋼板的應力蒙皮效應，將屋面所有節(jié)點視為彈性節(jié)點）。

在模型中將頂層門式剛架的鋼柱與鋼梁分別定義為門式剛架柱和門式剛架梁后，它們將按照《門剛規(guī)程》設計，其計算長度須相應修改。門式剛架梁的平面外計算長度取屋面隅撐間距，一般為兩個檁距，取3米，門式剛架柱的平面外計算長度同樣可取墻面隅撐間距，若墻面檁條上未設置隅撐，則其平面外計算長度不可調整。頂層門式剛架柱的平面內(nèi)計算長度系數(shù)也須手工修改，首先應根據(jù)實際情況，在PKPM2010版軟件的“鋼結構”“門式剛架”模塊中，建立剛架的二維模型，分別進行計算，得出的頂層門式剛架柱的計算長度系數(shù)，即可替換三維框架模型中相應鋼柱的計算長度系數(shù)代入。由于這種二維模型最大限度的模擬了頂層門式剛架在各種荷載作用下的變形和受力，故其可作為框架模型中頂層結構分析的重要依據(jù)。

頂層門式剛架平面外應力是通過屋面水平支撐和柱間支撐來傳遞，根據(jù)《門剛規(guī)程》屋面水平支撐和柱間支撐均可采用圓鋼構件，按照單拉桿進行設計，長細比沒有限值要求，而軟件在框架模型中支撐桿件均是默認按照壓桿設計，計算結果中其長細比顯示超出壓桿限值，故須對水平支撐和柱間支撐另外進行補充驗算。頂層的面荷載須修改為單邊受力，作用在門式剛架梁上。

整體框架模型按不規(guī)則結構進行計算，考慮雙向地震作用，整體分析采用總剛分析方法。需要注意的是，在計算構件內(nèi)力、地震作用時，不能選擇樓板剛性假定，而在計算樓層的最大水平位移和層間位移時則要強制樓板剛性假定，此時的位移限值再與規(guī)范進行比較，即需要對框架模型進行兩次運算和分析，分別強制樓板剛性和不強制樓板剛性。

根據(jù)《抗震規(guī)范》規(guī)定，模型的計算振型數(shù)應保證振型參與質量達到總質量的90%。在不考慮樓板剛性假定時，振型數(shù)應按以下原則確定：（1）層節(jié)點數(shù)為Mi，樓層數(shù)為N，則振型數(shù)為N(Mi);(2)振型數(shù)不應小于15個；（3）多塔結構振型數(shù)不應小于塔樓數(shù)的9倍?！?】由于本工程樓面開洞較多，洞口邊次梁均按照框架梁建入模型，故每層節(jié)點數(shù)較多，且由于有錯層結構，造成部分鋼柱在PKPM模型中出現(xiàn)虛節(jié)點，在地震作用中某些振型會出現(xiàn)較大的虛節(jié)點變形，振型數(shù)太少的話對確定最大平動周期產(chǎn)生影響，但振型數(shù)太多會影響模型計算效率，本工程振型數(shù)取100。而在考慮樓板剛性假定時，除屋面層外（樓板厚為0），其余標準層均為剛性板，每層只有3個獨立的平動自由度，故振型數(shù)為3N。

根據(jù)文獻【5】，地震作用下，會出現(xiàn)兩層錯層構件變形不同，而使錯層處構件變形較大的振型，但這些都是高階振型，其所產(chǎn)生的地震作用很小。參與常規(guī)反映譜計算的振型仍以整體變形的振型為主，兩錯層平面之間相對變形不明顯，錯層樓板一般不產(chǎn)生相對運動。本例中，樓面荷載較小，重力代表值相對于文獻【5】中研究的混凝土錯層剪力墻結構要小得多，經(jīng)計算，在前100個振型中未出現(xiàn)兩錯層平面之間相對變形明顯的振型。另外，由于錯層分界處的箱型框架柱高度減小，所以剛度加大，分配到的剪力也相應增大，并且結構整體變形或層間相對變形在其上會產(chǎn)生附加內(nèi)力，本工程為保證結構安全性，將錯層分界處的箱型框架柱應力控制在0.5以內(nèi)，這樣即使按照《抗震規(guī)范》3.4.4條，考慮將地震內(nèi)力乘以增大系數(shù)，此處構件仍能滿足要求。

需要注意的是，按照《抗震規(guī)范》3.4.4條的要求，“樓層承載力突變時，薄弱層抗側力結構的受剪承載力不應小于相鄰上以樓層的65%”，由于在PKPM中建模時，各錯層平面分別作為了標準層，相當于程序默認的8米標高層的上一樓層對應15軸~19軸區(qū)域只有框架柱，沒有框架梁，不能滿足規(guī)范此條的要求。

為了真實檢驗框架結構各層與上一層的受剪承載力之比，需要將各錯層結構分解開來，分別進行計算和分析。8軸~15軸區(qū)域框架中11.5米標準層作為第一層，計算得其與上一層的受剪承載力之比為1.22，15軸~19軸區(qū)域也作為單獨框架進行計算，8米標準層作為第一層，計算得其與上一層的受剪承載力之比為1.38，均遠大于規(guī)范規(guī)定的0.65的要求。

《鋼結構設計規(guī)范》附錄A中規(guī)定，在風荷載標準值作用下，多層框架柱頂位移容許值為H/500，層間相對位移容許值為h/400（H為自基礎頂面至柱頂?shù)目偢叨龋琱為層高），其下注2中又注明：“對輕型框架結構的柱頂位移和層間相對位移均可適當放寬”。由于頂層為門式剛架，根據(jù)《門剛規(guī)程》表3.4.2-1知，當無吊車且采用輕型鋼墻板時，剛架柱頂位移計算的限值為h/60?？梢妰煞N規(guī)范對于柱頂位移的控制限值相差很多，而《鋼結構設計規(guī)范》附錄A注2對于“適當放寬”的尺度并未具體表述，考慮到此工程為工業(yè)廠房，室內(nèi)裝修要求不高，且屋面為不上人的輕型鋼屋面，屋面層的舒適度要求是很低的，筆者認為頂層可以按照《門剛規(guī)程》的相應變形規(guī)定進行控制。同樣，頂層門式剛架和下層框架的構件長細比、受壓板件寬厚比、鋼梁撓度等控制也可分別按照《門剛規(guī)程》和《鋼結構設計規(guī)范》執(zhí)行。同時各層在多遇地震作用下的層間位移，須滿足《抗震規(guī)范》表5.5.1中規(guī)定的彈性層間位移角限值1/250，而且下層框架結構的框架柱長細比、框架梁柱板件寬厚比須優(yōu)先滿足《抗震規(guī)范》的限值。

四、主要節(jié)點設計和圍護結構的計算

須按照計算模型和規(guī)范規(guī)定的構造措施進行節(jié)點設計，并應傳力明確、構造合理、制作方便，同時要考慮到工藝水平和環(huán)境條件的制約，努力提高現(xiàn)場安裝就位的便利程度，在某些情況下，甚至要考慮到現(xiàn)場有可能出現(xiàn)的安裝誤差、結構變形、基礎沉降等因素的影響，以下就一些主要的節(jié)點進行分析。

1、底層框架柱一般采用外露式平板剛接柱腳，基礎混凝土短柱上預埋錨栓，現(xiàn)場與鋼柱定位連接，為便于控制現(xiàn)場誤差，須在柱底板與基礎頂面間預留50mm空隙，后澆微膨脹細石混凝土并填充密實，在柱底板下通過小墊塊調整鋼柱豎直度和標高或者使用調節(jié)螺母進行調節(jié)。需要注意的是，有時鋼柱下需要加設抗剪鍵來幫助抵抗鋼柱柱腳的水平剪力，此時基礎混凝土頂面上須根據(jù)抗剪鍵的大小和深度預留抗剪槽。柱腳也可采用埋入式、插入式柱腳，應由計算確定，且不得小于鋼柱截面高度的2.5倍?！?】

2、框架梁與框架柱采用拴焊混合連接方式，即梁翼緣與鋼柱采用全熔透的對接焊縫連接，梁腹板與鋼柱則通過雙面夾板用摩擦型高強螺栓進行連接。由于箱型柱內(nèi)加勁的做法加工不易，經(jīng)常會采用貫通板的連接形式，在節(jié)點域處將箱型構件斷開再對接?？蚣芄?jié)點須按照《抗震規(guī)范》8.2.5條中規(guī)定進行強柱弱梁極限承載力驗算，并按8.2.8條進行抗側力構件的連接計算。建議采用梁端部擴大形連接、梁端加蓋板或狗骨形連接，將塑性鉸自梁端外移。

五、 結論以及建議

頂層采用門式剛架的多層框架結構不僅能滿足頂層建筑大開間的要求，實現(xiàn)輕型屋面坡度造型的需要，其在用鋼量上也較普通框架結構小。在樓面開洞較多和出現(xiàn)錯層的工程中，須建立與實際情況相符的模型，按照規(guī)范進行不規(guī)則情況下的分析和設計，充分考慮薄弱構件和應力集中處節(jié)點的構造措施、施工工藝等。

參考文獻：

[1]CECS102：2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程．

[2]GB 50017—2003，鋼結構設計規(guī)范．

[3]GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范．

[4]董福琳，王瓚．錯層結構設計需要注意的問題．科技創(chuàng)新導報，2010（16）．

[5]謝靖中，李國強，屠成松．錯層結構的幾點分析．建筑科學，2001,17（1）．

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。