帶夾層的門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

晉娟茹 夏緒勇

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京100013)

門式剛架結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛、成熟的結(jié)構(gòu)形式，在實(shí)際工程中有些門式剛架結(jié)構(gòu)，按照建筑設(shè)計(jì)、使用功能等方面的需求，在局部設(shè)置夾層，夾層通常設(shè)置在剛架端榀、剛架縱向等位置，下圖為某工程實(shí)例的整體模型圖。

圖1 某帶夾層的門式剛架結(jié)構(gòu)工程

由于設(shè)置了夾層，所以這類結(jié)構(gòu)與常規(guī)的門式剛架廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在差異，下面詳細(xì)介紹帶夾層門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法以及PKPM系列軟件中帶夾層門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)功能。

1 帶夾層的門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

帶夾層的門式剛架結(jié)構(gòu)，剛架縱向設(shè)置的夾層梁，與主剛架柱的連接，可以鉸接，也可以剛接，不同的連接方式，會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)分析方法的確定。

當(dāng)縱向夾層梁與剛架柱剛接連接時(shí)，連接位置的剛架柱雙向受彎，夾層區(qū)域形成了真正的三維框架體系，此時(shí)需要使用三維有限元分析方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體分析。

當(dāng)縱向夾層梁與剛架柱鉸接連接時(shí)，縱向水平力完全由支撐承擔(dān)，而且橫向每榀的剛度比較均勻，結(jié)構(gòu)具有清晰的荷載傳導(dǎo)途徑，豎向荷載、橫向荷載(橫向風(fēng)荷載、吊車橫向水平荷載、橫向地震力等)主要由門式剛架承擔(dān)，縱向水平荷載(山墻風(fēng)荷載、吊車縱向剎車力、縱向地震力)主要由縱向支撐所在立面承擔(dān)。此時(shí)建議，橫向剛架、縱向支撐系統(tǒng)分別采用二維建模計(jì)算的方法。

PKPM軟件是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，能完成一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括模型輸入、結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)、構(gòu)件驗(yàn)算、整體施工詳圖設(shè)計(jì)等，軟件提供了帶夾層門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的解決方案和實(shí)現(xiàn)方法，下面主要介紹軟件使用三維設(shè)計(jì)方法和二維設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)帶夾層門架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)功能。

2 三維設(shè)計(jì)方法

2.1 模型輸入

執(zhí)行PKPM系列軟件-鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件STS中框架“三維模型與荷載輸入”，完成帶夾層門架結(jié)構(gòu)的建模輸入和荷載布置。三維建模的方法是層模型方式，即將模型分為多個(gè)結(jié)構(gòu)層，分別建立模型并布置荷載，然后通過(guò)樓層組裝方式完成整體模型的建立。

在夾層門架結(jié)構(gòu)三維建模時(shí)，需特殊注意以下幾點(diǎn):

(1)一般夾層位置單獨(dú)作為一個(gè)層輸入，方便輸入夾層構(gòu)件和荷載;

(2)坡屋面可以通過(guò)軟件提供的上節(jié)點(diǎn)高、柱頂標(biāo)高等方式實(shí)現(xiàn);

(3)屋面支撐、柱間支撐在模型輸入時(shí)作為斜桿輸入。

2.2 結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)件驗(yàn)算

PKPM系列應(yīng)用廣泛的有兩套三維分析設(shè)計(jì)軟件，即SATWE和PMSAP，軟件自動(dòng)化程度高，通過(guò)人機(jī)交互方式設(shè)置計(jì)算參數(shù)，能自動(dòng)完成結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)，并提供文本、圖形方式的計(jì)算結(jié)果供使用者查看分析結(jié)果。

夾層門架結(jié)構(gòu)三維分析設(shè)計(jì)要點(diǎn):

(1)特殊構(gòu)件設(shè)置

對(duì)鋼構(gòu)件，軟件缺省采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003(下面簡(jiǎn)稱鋼規(guī))進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。對(duì)變截面的斜梁，建議使用《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 102:2002(下面簡(jiǎn)稱門規(guī))設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。軟件實(shí)現(xiàn):通過(guò)特殊梁“門架梁”的設(shè)置，交互指定門式剛架梁，在結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)件時(shí)，對(duì)指定該屬性的構(gòu)件，將按照門規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。

(2)特殊風(fēng)荷載定義

門式剛架結(jié)構(gòu)自重輕，屬于對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的結(jié)構(gòu)，而三維分析軟件缺省的風(fēng)荷載是軟件自動(dòng)搜索外圍擋風(fēng)面，根據(jù)用戶指定的基本風(fēng)壓作用風(fēng)荷載。但是對(duì)于坡屋面的門式剛架結(jié)構(gòu)，屋面的風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)分析影響比較大，不容忽略，軟件提供了特殊風(fēng)荷載的定義，幫助完成坡屋面風(fēng)荷載的布置。SATWE和PMSAP軟件都提供考慮特殊風(fēng)的相關(guān)信息，使用者通過(guò)交互設(shè)置，可方便完成。

圖2 三維建模第一、二層模型

(3)計(jì)算結(jié)果查看

通過(guò)“各荷載工況下結(jié)構(gòu)變形圖”的查看，輔助判斷整個(gè)結(jié)構(gòu)受力是否合理。帶夾層門架結(jié)構(gòu)分析時(shí)，可能出現(xiàn)局部振動(dòng)的現(xiàn)象，通過(guò)分析用戶實(shí)例工程總結(jié)，導(dǎo)致該現(xiàn)象最大的可能是模型中抗側(cè)系統(tǒng)的抗側(cè)能力差，應(yīng)通過(guò)設(shè)置屋面支撐、柱間支撐來(lái)保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)。

2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和整體施工圖

結(jié)構(gòu)分析完成，并確保滿足設(shè)計(jì)要求后，通過(guò)STS軟件的三維框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)功能，能快速完成整個(gè)結(jié)構(gòu)中各連接的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件施工詳圖的繪制。

軟件自動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，夾層梁與剛架柱的連接按照框架連接方式(栓焊)實(shí)現(xiàn)，屋面剛架梁與柱的連接按照門架連接方式(端板)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖4。

圖3 SATWE特殊風(fēng)荷載定義

圖4 STS軟件鋼框架連接設(shè)計(jì)結(jié)果

3 二維設(shè)計(jì)方法

STS軟件能實(shí)現(xiàn)帶夾層門架結(jié)構(gòu)的二維設(shè)計(jì)?？v向榀的分析主要完成縱向支撐系統(tǒng)的分析，通過(guò)軟件自動(dòng)分析完成;橫向榀的分析完成主剛架的分析。實(shí)際工程中存在主剛架榀設(shè)置夾層的情況，下面主要介紹STS軟件針對(duì)設(shè)置夾層的主剛架的設(shè)計(jì)功能。

3.1 模型輸入

軟件能實(shí)現(xiàn)門式剛架帶夾層結(jié)構(gòu)的模型建立，包括快速建立夾層模型、交互設(shè)置夾層梁、夾層梁荷載布置等。

對(duì)規(guī)則的門式剛架結(jié)構(gòu)，軟件提供快速建模方法建立模型，通過(guò)人機(jī)交互方式輸入工程相關(guān)信息，由軟件自動(dòng)建立工程模型。快速建?？梢酝瓿伤姆N形式夾層的建立，在設(shè)計(jì)信息設(shè)置時(shí)，能指定夾層梁上的荷載值。當(dāng)夾層形式超過(guò)快速建模的范圍時(shí)，可以通過(guò)交互方式完成模型的建立。

軟件在梁布置時(shí)，提供交互指定夾層梁的功能，方便夾層梁的設(shè)計(jì)，包括荷載布置、撓跨比控制、節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)等。

建模階段注意問(wèn)題:

(1)軟件快速建模生成的截面，并不是滿足設(shè)計(jì)要求的截面，而是軟件根據(jù)模型尺寸給出的初始截面，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)結(jié)構(gòu)分析及驗(yàn)算結(jié)果判斷截面尺寸的合理性;

(2)當(dāng)快速建模提供的夾層形式不能滿足需求時(shí)，可以采用交互建模方式，通過(guò)建立網(wǎng)格線、布置構(gòu)件、布置荷載的方式完成模型的建立;也可以采用快速建模和交互建模結(jié)合的方式完成模型輸入，如剛架部分用快速建模，夾層部分用交互建模，見(jiàn)圖5所示。

3.2 結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)件驗(yàn)算

在二維計(jì)算分析時(shí)，使用者在計(jì)算參數(shù)設(shè)置時(shí)，可以選擇驗(yàn)算規(guī)范，并且單根構(gòu)件的驗(yàn)算規(guī)范也可以交互修改。當(dāng)計(jì)算信息設(shè)置完成后，軟件自動(dòng)按照用戶的設(shè)置完成結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析和構(gòu)件驗(yàn)算。

結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)要點(diǎn):

對(duì)于帶夾層的門式剛架結(jié)構(gòu)，如果選擇按照門規(guī)來(lái)驗(yàn)算和控制，軟件將按照門規(guī)的方法確定剛架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，這時(shí)是無(wú)法考慮夾層梁對(duì)剛架柱的約束作用，因此建議，對(duì)于與夾層梁相連的柱的計(jì)算長(zhǎng)度的確定方法，可以參考鋼規(guī)線剛度比方法的計(jì)算結(jié)果。使用STS軟件的計(jì)算過(guò)程為:

(1)計(jì)算參數(shù)設(shè)置:門式剛架類型;按鋼規(guī)驗(yàn)算;有側(cè)移框架;其他控制參數(shù)可以按門規(guī)要求輸入;

(2)修改構(gòu)件的驗(yàn)算規(guī)范，與夾層相連的柱、夾層梁建議設(shè)計(jì)規(guī)范指定為鋼規(guī)，輕鋼屋面梁驗(yàn)算規(guī)范指定為門規(guī)。

再進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，計(jì)算長(zhǎng)度確定就是按總體計(jì)算參數(shù)中的鋼規(guī)線剛度比方法確定計(jì)算長(zhǎng)度，總體控制按門規(guī)控制，夾層部分構(gòu)件按鋼規(guī)校核，輕鋼屋面按門規(guī)校核。

3.3 節(jié)點(diǎn)連接和整體施工圖設(shè)計(jì)

軟件能自動(dòng)完成夾層梁柱的連接設(shè)計(jì)和施工詳圖繪制。

通過(guò)交互定義設(shè)計(jì)參數(shù)的方式，完成節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)信息的設(shè)置(見(jiàn)圖6)，針對(duì)夾層梁與剛架柱(圖7)的連接，提供門架連接(端板連接)和框架連接(栓焊連接)兩種方式。參數(shù)確定后，軟件能自動(dòng)完成模型中各連接位置的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，最終完成整體施工圖的繪制。

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)階段注意問(wèn)題:

(1)軟件缺省按照框架連接方式進(jìn)行夾層梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，用戶可以通過(guò)連接參數(shù)修改;當(dāng)沒(méi)有選擇采用框架連接時(shí)，即使模型中定義了夾層梁信息，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)階段也會(huì)按照門架式的連接處理;

(2)節(jié)點(diǎn)連接的鉸接、剛接信息是接力模型中的設(shè)置，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算不能修改，只能交互確定節(jié)點(diǎn)連接方式。

4 結(jié)語(yǔ)

文章分析了帶夾層門式剛架結(jié)構(gòu)的常用設(shè)計(jì)方法，并從模型輸入、結(jié)構(gòu)分析與構(gòu)件驗(yàn)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工詳圖繪制等方面詳細(xì)介紹了PKPM系列軟件針對(duì)帶夾層門架的設(shè)計(jì)功能，以及各階段的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，供設(shè)計(jì)人員參考。

圖7 某帶夾層門式剛架工程施工圖

[1]門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(CECS 102:2002).北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.3

[2]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017－2003).北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.10

[3]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009－2012).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.9

[4]鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件STS用戶手冊(cè)，2013.10

[5]鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件STS技術(shù)條件，2013.10

[6]鋼結(jié)構(gòu)軟件STS應(yīng)用講解，2013.10

[7]多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE 用戶手冊(cè)，2013.10

[8]復(fù)雜多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件PMSAP用戶手冊(cè)，2013.10

[9]PKPM多高層結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件應(yīng)用指南，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.6

[10]預(yù)制輕鋼建筑系統(tǒng)實(shí)用手冊(cè)，同濟(jì)大學(xué)出版社，2013.5