框架上门式刚架结构整体设计

一、问题的提出 
近几年来，轻型钢结构逐渐出现多层框架的顶层为门式刚架轻型房屋结构的结构类型，其典型的结构形式如图 1 所示。对于这种结构类型，其下部框架需要按框架进行设计，而顶层的门式刚架，可根 据《 门 式 刚 架 轻 型 房 屋 钢 结 构 技 术 规 程》（CECS102：2002）进行设计。利用 PKPM 系列软件，对该种结构的设计提出几种典型的设计和分析方法。

  图 1   结构形式图

二、结构特点 
该类轻型钢结构一般层数为 2～3 层，下部采用等截面构件，梁柱连接采用刚接或铰接连接，上部可采用变截面的梁柱。楼面采用压型钢板和混凝土组合楼盖；屋面一般采用压型钢板、系杆和支撑连接；墙面一般采用压型钢板轻型墙面。 
该种结构结合了框架结构和门式刚架结构的特点。下部结构由于功能需要，按钢结构框架进行设计，楼盖的刚度相对较大。上部结构只承担屋面的荷载，跨度大，荷载轻，为节省钢材，按门式刚架的要求进行布置，采用支撑系统来满足结构的整体刚度，并采用压型钢板、檩条等作为屋面系统，屋盖的刚度相对较小。 
对于这种结构，下部框架与上部门式刚架的设计需区别对待，然而它们之间的相互作用、相互影响又是必须考虑的，需要作为一个整体来分析计算。采用 PKPM 软件来设计这一类结构，应该注意以下问题。 
（1）结构建模 
建模时必须输入所有受力构件，包括纵向柱间支撑、屋面水平支撑、系杆等重要的受力构件。这样，整体分析时才能够准确计算结构的刚度。支撑可以按照单拉杆件来设计，整体分析软件目前还没有单拉杆件的设置功能，应该进行补充计算。上部门式刚架屋面刚度由刚架梁、屋面支撑系统、檩条、屋面板等共同组成，其平面内的刚度很难准确考虑，可以偏于安全地忽略屋面板的刚度，将所有的节点视为弹性节点，仅考虑刚架梁、屋面支撑系统的作用。 
（2）结构设计依据规范和规程 
钢结构设计需要考虑的规范和规程包括《钢结构设计规范》（GB50017—2003）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018—2002）、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）、《轻型钢结构设计规程》（DBJ08-68-97）和《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）。 
设计人员为节约用钢量，希望将下部结构依据钢结构设计规范设计，而上部门式刚架结构依据门式刚架设计规程设计。同时，对钢结构节点设计也提出相应的要求。由此，引起结构的风荷载计算、构件设计和结构整体变形控制等问题。 
（3）风荷载计算 
风荷载计算，对上部结构是要求考虑屋面的风吸力的影响的。由于门式刚架规程对风荷载的计算有规定，如果采用门式刚架计算，在软件的应用中需要考虑门式刚架规程的风荷载计算。 
（4）结构整体控制和构件设计 
钢结构规范（简称钢规）和门式刚架规程(简称门规)对构件设计的要求不同，其整体变形的控制对门式刚架部分如何取值？同时，对门式刚架构件和框架构件的计算长度、截面高厚比和宽厚比的控制等的取值也存在问题。 
三、PKPM 软件的设计计算 
对上述结构，设计人员可根据实际情况，按照框架结构计算，或下部按框架结构、上部按门式刚架结构计算。PKPM 2005 版软件为下部为框架结构、上部为门式刚架结构这种结构类型的设计，提供了一套三维整体分析设计的解决方案。 
1. 三维模型输入 
需要按实际模型，真实地输入所设计结构的梁、柱、支撑构件，建立下部框架以及上部门式刚架的整体模型。除了梁、柱构件外，支撑构件（柱间支撑、屋面支撑）也需要准确输入。 
对结构楼面布置信息，下部框架的楼板（含组合楼盖）输入，按框架方式输入，顶层轻型门式刚架屋面，当采用压型钢板轻型屋面时，可以偏安全地把楼板厚度取为 0，不考虑楼板的作用。 
2. 结构分析计算 
针对“框架+门式刚架”这种特殊的结构，新版 SATWE 增加了适应这类结构分析需要的一些特殊的输入项。还要注意以下一些问题： 
(1) 考虑到顶层门式刚架的压型钢板轻型屋面为非刚性楼面，门式刚架梁要按压弯构件设计，不能选取“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”选项，否则屋面刚架梁将不能计算出轴力。 
(2) 在特殊构件中定义门式刚架梁和门式刚架柱、铰接柱等信息。定义了门式刚架梁、门式刚架柱后，被定义的构件将按照门规进行验算。 
(3) 门式刚架风荷载定义和组合 
考虑顶层门式刚架的特殊风荷载分布方式，风荷载体型系数的选取，如果对整个结构还在门规附录 A 的适用范围内，可按门规附录 A 选取，对顶层门式刚架部分的风荷载根据门式刚架规程的要求进行特殊定义，否则按荷载规范进行选取。  
SATWE中提供5组特殊风荷载的定义，对门式刚架结构一般需要用到4组风荷载: +X、-X、+Y、-Y方向风荷载，依次称为特殊风1～4。在每一组中输入相应的节点、梁风荷载和柱间风荷载。屋面梁的风吸力（或压力）可以按梁间均布荷载输入，向上为负。 
定义门式刚架特殊风荷载以后，要将此特殊风荷载与下面框架程序自动计算的风荷载组合，采用“自定义组合及工况”，考虑底部框架与上部门式刚架风荷载的共同作用，修改特殊风与“X 向风”、“Y 向风”的同时组合，即要手工修改组合为（以特殊风 1 为例）：  
I. 1.2 恒+1.4X 向风+1.4 特殊风 1 
II. 1.2 恒+1.4 活+0.84X 向风+0.84 特殊风 1 
III.1.2 恒+0.98 活+1.4X 向风+1.4 特殊风 1 
IV. 1.0 恒+1.4X 向风+1.4 特殊风 1 
V. 1.0 恒+1.4 活+0.84X 向风+0.84 特殊风 1 
VI. 1.0 恒+0.98 活+1.4X 向风+1.4 特殊风 1 
PKPM 程序针对该类结构的特点，默认指定 4 组特殊风荷载，并将与软件的 X,Y 方向风荷载同时考虑，自动按照规范要求修改组合值系数。 
(4) 修改构件的计算长度系数 
SATWE 程序会自动按照有侧移或无侧移框架，根据钢结构规范线刚度比方法，确定柱的计算长度系数。下部框架柱的计算长度系数一般可以直接采用程序按线刚度比的计算结果，顶层门式刚架的计算长度系数需要手工修改，刚架平面内的门式刚架柱的计算长度系数确定方法可以简化为顶层单榀门式刚架直接放在地上，采用二维门式刚架平面分析的方法确定，并根据下部结构对上柱的约束进行适当调整。刚架柱、梁的平面外计算长度取法同二维平面分析，均采用平面外有效支撑的间距。 
整体分析时必须考虑采用总刚分析方法。 
四、计算结果分析 
算例工程为 2 层结构，下部为采用等截面的梁柱工字形焊接截面，上部为变截面梁柱截面，跨度为 18m。采用压型钢板和混凝土组合楼盖，压型钢板屋面、系杆和支撑连接，以及压型钢板轻型墙面。采用 SATWE 软件分析这种门式刚架＋框架组合结构时，为对比，采用钢规和门规分别计算。 
计算结果表明，结构的质量、地震周期基本相同，地震产生的构件内力基本相同，结构在各工况下的位移也基本相同，这是因为结构计算采用的计算方法和计算假定是一致的。但结构在风荷载作用下的效应存在差异。采用门规计算时，考虑屋面风荷载的吸力，根据特殊风荷载作用计算，SATWE 软件计算了特殊风荷载的内力工况，即工况 7～10（对应特殊工况 1～4 作用下的标准内力），造成对结构的内力和位移在特殊风荷载计算下的整体影响。 
由于门式刚架轻型房屋对侧向位移的要求相对较低，结构在 X 方向最大层间位移角为 1/ 226，按门规能够满足要求（1/60），按钢规多层框架的层间相对位移的限值为 1/400，即不能满足要求。 
如果上部结构采用门规计算，其计算长度应该采用门式刚架的计算方法，上柱的计算长度与采用钢规的计算方法有差异，造成结构的构件验算结果存在不同。同时，对屋面梁，由于门规要求对屋面梁进行强度和稳定（考虑轴压力）的计算，当采用门规时，其平面内的计算长度按照门规进行计算输入，平面外的计算长度可以根据屋面隅撑的间距进行修改和输入。