頂層為門式剛架的錯層框架鋼結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計

1、    頂層為門式剛架的錯層框架鋼結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計    涂斌摘要：本文以一個多層鋼結(jié)構(gòu)廠房為例，分析了頂層為門式剛架的錯層鋼結(jié)構(gòu)框架房屋的結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)造措施，對主要節(jié)點(diǎn)的設(shè)計進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：門式剛架；多層框架鋼結(jié)構(gòu)；錯層一、引言 隨著鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)建筑行業(yè)中的應(yīng)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(jié)構(gòu)的房屋形式使用越來越多。根據(jù)門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)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(dāng)多層建筑的頂層為門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)時，其設(shè)計、制作和安裝可按本規(guī)程執(zhí)行”【1】，即頂層的門式剛

2、架可按照門剛規(guī)程設(shè)計，其下的多層鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范gb50017-2003【2】執(zhí)行。它們之間的作用關(guān)系須充分考慮，故應(yīng)整體建模來進(jìn)行分析和計算。在這種結(jié)構(gòu)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(shè)計規(guī)范（gb50011-2010）【3】（以下簡稱抗震規(guī)范）3.4.3條進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則特征判定，并依據(jù)其不規(guī)則特征進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。而錯層結(jié)構(gòu)則較為復(fù)雜，根據(jù)文獻(xiàn)【4】，“所謂錯層，就是樓板標(biāo)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(jié)構(gòu)屬于平面不規(guī)則，豎向也不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。錯層結(jié)

3、構(gòu)不利因素有兩方面：首先樓板相互錯置，樓板協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體受力的能力被大大削弱，樓板的相對錯位會在構(gòu)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(gòu)件，其可能在同向受力中由于錯層構(gòu)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(jié)構(gòu)廠房為例，進(jìn)行分析。二、工程概述及結(jié)構(gòu)方案本工程鋼結(jié)構(gòu)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(biāo)高16.4m，其中8軸15軸區(qū)域夾層標(biāo)高11.5m，15軸19軸區(qū)域夾層標(biāo)高8m，屋面墻面圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)檁條外鋪壓型鋼板?；撅L(fēng)壓為0.60

4、kn/m2，地面粗糙度是 b 類，雪荷載為0.8 kn/m2，抗震設(shè)防烈度是7度，設(shè)計地震分組是第3組，設(shè)計基本加速度值是0.10g，建筑場地類別iii類，抗震設(shè)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(shè)備安裝與使用，故按圖1進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)平面布置，其中圖（a）為11.5米標(biāo)高平面，圖（b）為8米標(biāo)高平面。設(shè)備荷載不作用在框架構(gòu)件上。11.5米標(biāo)高和8米標(biāo)高夾層平面按照兩個標(biāo)準(zhǔn)層分別建模。夾層以上的結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)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(jié)構(gòu)整體剛度。支撐體系中的屋面水平支撐、系

5、桿、柱間支撐等重要傳力構(gòu)件須在模型中表現(xiàn)出來。（a） （b）圖1. 夾層平面布置圖三、結(jié)構(gòu)計算及分析運(yùn)用pkpm2010版軟件的鋼結(jié)構(gòu)框架模塊進(jìn)行三維整體建模，采用satwe進(jìn)行模型的分析與計算。主屋面所在的標(biāo)準(zhǔn)層須根據(jù)建筑坡度設(shè)置鋼梁和其它構(gòu)件斜度。夾層樓面為框架結(jié)構(gòu)，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(biāo)準(zhǔn)層樓板厚度應(yīng)取0（主結(jié)構(gòu)設(shè)計中不宜考慮壓型鋼板的應(yīng)力蒙皮效應(yīng)，將屋面所有節(jié)點(diǎn)視為彈性節(jié)點(diǎn)）。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(shè)計，其計算長度須相

6、應(yīng)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(shè)置隅撐，則其平面外計算長度不可調(diào)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(yīng)根據(jù)實際情況，在pkpm2010版軟件的“鋼結(jié)構(gòu)”“門式剛架”模塊中，建立剛架的二維模型，分別進(jìn)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(yīng)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(jié)構(gòu)分析的重要依據(jù)。頂層門式剛架平面外應(yīng)力是通過屋面水平支撐和柱間支撐來傳遞，根據(jù)門

7、剛規(guī)程屋面水平支撐和柱間支撐均可采用圓鋼構(gòu)件，按照單拉桿進(jìn)行設(shè)計，長細(xì)比沒有限值要求，而軟件在框架模型中支撐桿件均是默認(rèn)按照壓桿設(shè)計，計算結(jié)果中其長細(xì)比顯示超出壓桿限值，故須對水平支撐和柱間支撐另外進(jìn)行補(bǔ)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(gòu)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(qiáng)制樓板剛性假定，此時的位移限值再與規(guī)范進(jìn)行比較，即需要對框架模型進(jìn)行兩次運(yùn)算和分析，分別強(qiáng)制樓板剛性和不強(qiáng)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)

8、應(yīng)保證振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的90%。在不考慮樓板剛性假定時，振型數(shù)應(yīng)按以下原則確定：（1）層節(jié)點(diǎn)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(yīng)小于15個；（3）多塔結(jié)構(gòu)振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓數(shù)的9倍。【4】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(diǎn)數(shù)較多，且由于有錯層結(jié)構(gòu)，造成部分鋼柱在pkpm模型中出現(xiàn)虛節(jié)點(diǎn)，在地震作用中某些振型會出現(xiàn)較大的虛節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)層均為剛性板，每層只有3個獨(dú)立的平動自由度，故振型數(shù)

9、為3n。根據(jù)文獻(xiàn)【5】，地震作用下，會出現(xiàn)兩層錯層構(gòu)件變形不同，而使錯層處構(gòu)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(yùn)動。本例中，樓面荷載較小，重力代表值相對于文獻(xiàn)【5】中研究的混凝土錯層剪力墻結(jié)構(gòu)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(yīng)增大，并且結(jié)構(gòu)整體變形或?qū)娱g相對變形在其上會產(chǎn)生附加內(nèi)力，本工程為保證結(jié)構(gòu)安全性，將錯層分界處的箱型框架柱應(yīng)力控制在0.5以內(nèi)，這

10、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(gòu)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(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)層，相當(dāng)于程序默認(rèn)的8米標(biāo)高層的上一樓層對應(yīng)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(jié)構(gòu)各層與上一層的受剪承載力之比，需要將各錯層結(jié)構(gòu)分解開來，分別進(jìn)行計算和分析。8軸15軸區(qū)域框架中11.5米標(biāo)準(zhǔn)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(dú)框架進(jìn)行計算，8米標(biāo)準(zhǔn)

11、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(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的0.65的要求。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范附錄a中規(guī)定，在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)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(jié)構(gòu)的柱頂位移和層間相對位移均可適當(dāng)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(dāng)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范附錄a注2對于“適當(dāng)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

12、人的輕型鋼屋面，屋面層的舒適度要求是很低的，筆者認(rèn)為頂層可以按照門剛規(guī)程的相應(yīng)變形規(guī)定進(jìn)行控制。同樣，頂層門式剛架和下層框架的構(gòu)件長細(xì)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)的框架柱長細(xì)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(diǎn)設(shè)計和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計算須按照計算模型和規(guī)范規(guī)定的構(gòu)造措施進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計，并應(yīng)傳力明確、構(gòu)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

13、有可能出現(xiàn)的安裝誤差、結(jié)構(gòu)變形、基礎(chǔ)沉降等因素的影響，以下就一些主要的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。1、底層框架柱一般采用外露式平板剛接柱腳，基礎(chǔ)混凝土短柱上預(yù)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(chǔ)頂面間預(yù)留50mm空隙，后澆微膨脹細(xì)石混凝土并填充密實，在柱底板下通過小墊塊調(diào)整鋼柱豎直度和標(biāo)高或者使用調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)。需要注意的是，有時鋼柱下需要加設(shè)抗剪鍵來幫助抵抗鋼柱柱腳的水平剪力，此時基礎(chǔ)混凝土頂面上須根據(jù)抗剪鍵的大小和深度預(yù)留抗剪槽。柱腳也可采用埋入式、插入式柱腳，應(yīng)由計算確定，且不得小于鋼柱截面高度的2.5倍。【3】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

14、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(qiáng)螺栓進(jìn)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(diǎn)域處將箱型構(gòu)件斷開再對接?？蚣芄?jié)點(diǎn)須按照抗震規(guī)范8.2.5條中規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)柱弱梁極限承載力驗算，并按8.2.8條進(jìn)行抗側(cè)力構(gòu)件的連接計算。建議采用梁端部擴(kuò)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(jié)論以及建議頂層采用門式剛架的多層框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)行不規(guī)則情況下的分析和設(shè)計，充分考慮薄弱構(gòu)件和應(yīng)力集中處節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施、施工工藝等。參考文獻(xiàn)：1cecs102：2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程2gb 500172003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范3gb 5001120