輕鋼廠房內帶夾層框架結構體系設計方法

王　廠, 殷素芳

(1. 信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司, 陜西西安 710100;2.西北電力設計院有限公司, 陜西西安 710075)

?

輕鋼廠房內帶夾層框架結構體系設計方法

王廠1, 殷素芳2

(1. 信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司, 陜西西安 710100;2.西北電力設計院有限公司, 陜西西安 710075)

【摘要】輕鋼廠房內帶局部夾層在工程設計中很普遍，工程界對此類工程的討論研究也很多，很難形成統一的設計方法。并且由于局部鋼框架夾層和輕鋼房屋連在一起，設計時存在設計規范混用的問題。文章結合一個具體工程實例，給出如何正確應用相關規范設計此類混合鋼結構房屋，并結合規范相關規定對比輕鋼結構和鋼框架設計的異同點，最后給出設計此類混合房屋應注意的相關問題。

【關鍵詞】輕鋼房屋;鋼框架;夾層;抗震設計

1問題的提出

輕鋼廠房內帶夾層框架結構體系在實際工程中應用越來越廣。目前輕型鋼結構房屋遵循的設計標準是《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》(以下簡稱《門規》)。《門規》第1.0.2條指出“本規范適用于主要承重結構為單跨或多跨實腹門式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或有起重量不大于20t的A1～A5工作級別橋式吊車或3t懸掛式起重機的單層房屋鋼結構的設計、制作和安裝。”條文說明增加一條，指出“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、安裝可參照本規程執行。[1]”，《門規》并未給出輕鋼廠房內帶夾層框架結構體系的具體設計方法。輕鋼結構帶框架屬于混合結構，抗震設計也存在著規范混用的問題。鋼框架夾層可按《鋼結構設計規范》(以下簡稱《鋼規》)和《建筑抗震設計規范》(以下簡稱《抗規》)設計，輕鋼單層廠房的抗震設計在《門規》中給出了一些原則性抗震措施，《抗規》第9.2.1條指出“單層的輕型鋼結構廠房的抗震設計，應符合專門的規定。[2]”，因此，抗震規范不包括輕型門鋼廠房的設計。

輕鋼房屋在7度及以下一般不受地震控制，而混合結構在地震作用下，荷載較大的框架會影響輕鋼結構，對輕鋼廠房是不利的；抗風設計時，輕鋼對風荷載比較敏感，但鋼框架夾層可對輕鋼房屋起到支撐作用，是有利的。

工程中常見的是與輕鋼廠房柱相連接的局部夾層房屋，且局部夾層面積相對較小的內置輕型辦公室，荷載較大的工業平臺一般與廠房脫開。

2相關設計問題的分析

2.1平面或三維空間計算模型的選取

隨著計算機設計程序的發展，現在大部分房屋設計采用三維計算模型。但在輕鋼結構房屋為了簡化計算，可采用平面計算模型，參照《抗規》第9.2.7條“平面規則、抗側剛度均勻的輕型屋蓋廠房，可按平面框架進行計算。”因此在帶夾層的輕鋼廠房中，如果每榀框架抗側剛度基本相同，且結構布置較規則，則可選幾榀有代表性的框架進行計算，否則應對結構進行整體三維空間計算。尤其對帶有縱向支撐的屋面或有較大混凝土樓板面積的房屋，因帶縱向支撐屋面(或混凝土樓面)將各榀框架綁定在一起整體工作，各抗側構件在地震作用下相互影響，宜采用三維空間計算模型分析。

2.2夾層占總面積的大小對設計的影響

在風荷載作用下，帶夾層框架的輕鋼廠房其底部框架對輕鋼廠房的剛架有支撐作用，對結構抗側剛度有利。在地震作用下，兩種不同的結構體系連在一起，輕鋼結構屋面荷載輕，地震作用小，夾層框架樓面荷載大，對地震作用敏感，反映強烈，因此底部夾層面積越大、越不規則，對上部輕鋼結構越不利。因此，對于鋼框架夾層面積較大的混合鋼結構房屋建議采用整體建模考慮互相作用，得到可靠的計算結果。

2.3輕鋼結構廠房和鋼框架夾層非抗震設計的特點

非抗震設計房屋承受豎向荷載和水平風荷載，設計采用彈性設計方法。一般鋼結構房屋和輕型鋼結構房屋非抗震設計均應遵循《鋼規》的基本設計原理，在荷載效應計算、構件強度和穩定設計方法上基本相同[3]。但輕型鋼結構房屋由于采用輕鋼屋面，豎向荷載比較小，吊車噸位也不大，往往是風荷載或雪荷載起控制作用，因此從節省鋼量的角度可將實腹梁柱的翼緣做的窄，靠隅撐來減小受壓翼緣的計算長度，腹板做得薄而高以增加抗彎能力，并利用腹板屈曲后強度，為適應彎矩圖采用楔形截面等措施。輕鋼廠房的變形(側移和撓度)控制要遠松于鋼框架房屋。

2.4輕鋼結構廠房和鋼框架夾層抗震設計的特點

3工程應用

3.1工程概況

某單層輕鋼廠房局部帶辦公樓夾層(圖1)，在B～D軸之間有局部”L”形夾層，夾層高度3.50m，廠房檐口高度7.0m。屋面采用輕質材料(壓型鋼板加保溫棉)，屋面恒荷載取0.15kN/m2,外加0.15kN/m2(燈具吊掛)和0.30kN/m2(辦公區域上有吊頂)的附加荷載，屋面活載取0.30(對剛架)km/m2/0.50(對檁條)kN/m2。該地區抗震設防烈度為7度(0.10g)，場地分類為Ⅱ類場地，設計地震分組為第二組。基本風壓0.85kN/m2，地面粗糙度類別為B類， 基本雪壓0.25kN/m2(按荷載規范對雪敏感的輕鋼建筑房屋取100a雪壓)。夾層作為辦公用房，其樓面活載為2.00kN/m2，夾層上的隔斷為輕質隔墻。鋼框架夾層及剛架鋼材均采用Q345B。

圖1　結構平面布置

3.2建立計算模型

采用PKPM系列軟件進行建模分析。由于鋼框架夾層為L形不規則布置，剛架邊列柱與夾層相連為一體，屬于帶不規則夾層的混合門式剛架房屋，且夾層面積占到總面積的30 %以上，屬于夾層面積較大結構，應采用三維空間整體建模分析，并在4～10軸之間選取一榀抗側剛度較弱的橫向剛架做平面分析。不與框架相連的邊柱(A排)采用H(300～500)×200×5×8的變截面柱(柱腳鉸接)，中柱(B排)采用等截面柱H300×250×5×10(柱腳鉸接)，夾層部分柱均采用等截面柱H400×250×10×12，屋面梁采用適應大跨彎矩的薄腹變截面梁。

3.3設計方法

在地震區，夾層較重，辦公夾層的地震力直接傳給剛架柱，對剛架柱的受力極為不利，在夾層四周設置柱間支撐，將夾層地震力直接通過支撐傳給基礎，以減小對輕鋼房屋的影響。考慮屋蓋的整體性在有夾層的屋蓋上設置局部縱向水平支撐，以協調各榀剛架的側移。

經計算在風荷載作用下剛架柱頂側移均在1/2 000以下，說明雖然風荷載很大，但夾層框架對廠房的剛度貢獻很大。剛架和框架的強度和穩定應力比均在0.90以下，屋面梁在A～B之間的撓度為1/180，在C～D之間即夾層上屋面梁的撓度為1/400，均符合《門規》要求。

4結束語

通過對工程和規范的總結分析得出：有條件情況下，宜在混合房屋的鋼框架夾層周邊和中部設置柱間支撐，將地震作用直接傳給基礎，以減小對門剛廠房的影響，此時輕型門鋼廠房仍可按《門規》相關規定設計；如果底部空間不具備設置夾層柱間支撐的條件，則廠房剛架受夾層框架地震作用影響大，往往是地震作用控制門剛廠房的設計，此時應進行地震作用驗算，并按照《門規》第3.1.4條文說明的抗震措施從嚴控制門剛廠房設計指標。建議內帶不規則的夾層框架或夾層荷載較大的門剛廠房，盡量在鋼框架夾層周邊或中部設置柱間支撐，以降低夾層地震作用對門剛結構的不利影響。

參考文獻

[1]CECS102:2002 門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S]. 2012.

[2]GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].

[3]GB50017-2003 鋼結構設計規范[S].

【中圖分類號】TU392.1; TU352.11

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-01-20