頂層為輕型門式剛架的多層鋼框架結構設計

李 亮（晉中市建筑勘察設計院，山西 晉中 030600）

隨著近年來鋼結構建筑的盛行，頂層為門式剛架的多層鋼結構房屋也隨之多了起來。對于這種類型結構的設計邏輯，大體按以下進行：首先依據規范《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102：2002）（以下簡稱《門式剛架規程》）第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、制作和安裝可參照本規程執行。此時應根據下部結構的具體情況，考慮其對頂層柱底位移的影響”。那么對于此類建筑，頂層可按照門式剛架輕型房屋進行結構設計，下部結構需要根據相應類型進行設計，下部樓層與頂層需要依據相對應的規范分別設計；然而二者之間的相互作用與相互影響又是必須整體考慮的，因此又需要把二者作為一個整體分析計算，滿足整體指標。

此種房屋有諸多優點，以下幾點尤為突出：①空間靈活，頂層可抽柱形成大空間，方便建筑功能布置；②節約成本，相比同樣規模的鋼框架建筑，資金投入少；③將需要大跨度且建在地面上的門式剛架輕型房屋放至建筑頂層，節約了土地成本，還省去地基處理和基礎費用。然而這種房屋的缺點也比較明顯，由于門式剛架輕型屋蓋建筑的屋面板需要采用由檁條支撐的壓型鋼板屋面或者壓型鋼板復合保溫屋面板。而此種建筑屋面板的密閉性欠佳和保溫隔熱性能差成了一大缺點，一定程度上限制了此類結構在實際中的應用。現以晉中市某二層鋼結構房屋為例，進行分析討論。

1 工程概況和結構方案選定

1.1 工程概況

本工程為居民活動中心，二層框架結構。丙類抗震設防，抗震設防烈度8度，地震加速度0.2g，設計地震分組第二組。層高分別為3.6m 和3.4m。一、二層柱網布置如圖1和圖2所示。

圖1 一層結構布置平面圖

圖2 二層結構布置平面圖

一層頂板為鋼筋混凝土樓板。二層抽柱形成平面大空間，屋面采用雙層壓型鋼板復合保溫屋面板。風荷載按50 年重現期取值為0.40kN/m2，地面粗糙度為C類。依據《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）（以下簡稱《建筑荷載規范》）第7.1.2條“基本雪壓應采用……50 年重現期的雪壓；對雪荷載敏感的結構，應采用100年重現期的雪壓”，以及條文說明“……對雪荷載敏感的結構主要是指大跨、輕質屋蓋結構……”，所以雪荷載應按100年重現期取值為0.40kN/m2。

1.2 結構方案選定

為配合建筑使用功能，首層采用鋼框架結構，鋼框架梁和鋼框架柱采用焊接工字型截面，梁柱剛接，柱腳為剛接柱腳。一層頂板采用鋼筋混凝土樓板，樓板用栓釘與鋼梁連接；由于二層的大空間要求且可采用輕型屋面，考慮建筑功能和經濟性，頂層采用輕型門式剛架結構，局部抽柱形成跨度為19.5m的門式剛架。二層鋼柱采用焊接工字形截面，鋼梁采用變截面焊接工字形鋼梁；頂層支撐系統均由張緊的圓鋼提供，柱間支撐沿邊柱列縱向設置，對應柱間支撐跨間設置屋面水平支撐；屋面鋼梁平面外支撐由屋面檁條+隅撐組成。結構立面布置圖如圖3所示。

圖3 縱軸結構立面圖

2 控制指標、電算軟件及電算注意要點

2.1 控制指標

對上述房屋結構設計時需注意以下幾點：①頂層門式剛架的設計可參照《門式剛架規范》執行，即鋼梁鋼柱板件最大寬厚比、鋼柱的最大長細比、梁柱等主要構件的驗算、屋面鋼梁的撓度限值等參照《門式剛架規范》規定進行控制；②下部樓層的設計需參照《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）和《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）（以下簡稱《抗震設計規范》）執行，即框架梁和框架柱板件最大寬厚比、框架柱的最大長細比、框架梁和柱的驗算等需參照《鋼結構設計標準》和《抗震設計規范》執行；③整個結構在風荷載作用下的層間位移角限值，按照《鋼結構設計標準》附錄B.2.2-2的規定；整個結構在多遇地震作用下的抗震變形驗算應符合《抗震設計規范》第5.5.1條的規定。

2.2 電算軟件

本工程結構電算軟件主要采用盈建科結構設計系列中的建筑結構計算軟件YJK-A，采用三維結構體系建模和SATWE進行結構整體分析。

2.3 電算注意要點

此工程需要三維整體分析。三維設計模型輸入，需要按實際情況，輸入所設計構件，建立下部框架以及上部門式剛架的整體模型。三維建模必須要準確輸入，才能使結構在三維分析時反映真實的受力狀態。本工程參與整體分析的桿件包括：一層框架層有框架梁、框架柱、鋼梁；二層有門式剛架梁、門式剛架柱、柱間支撐、屋面支撐、剛性系桿等構件。

2.3.1 下部樓層的建模要點

下部樓層采用鋼結構框架體系，鋼框架梁和柱雙向剛接，縱橫向均不設置柱間支撐（如功能允許也可設置柱間支撐）。本工程一層的樓面為壓型鋼板組合樓蓋，混凝土板層的厚度為80mm（指壓型鋼板凸肋頂至樓面厚度）。一層的建模和計算均按照框架結構進行，此處不再過多介紹。

2.3.2 頂層的建模要點

頂層按照門式剛架輕型房屋設計，建模時需注意以下內容。坡屋面斜梁，可以在輸入桿件時指定梁兩端高度來實現，也可以采用指定上節點高的方法實現。屋面斜梁根據變截面情況劃分網格，在對應網格處輸入變截面和等截面鋼梁。柱間支撐和屋面支撐可以按斜桿利用節點高的方式輸入。各榀剛架間的連接和傳力通過剛性系桿完成，剛性系桿按“梁”定義截面并布置。模型輸入完成后，通過Ctrl+鼠標左鍵拖動，從三維狀態下查看模型是否正確。另外，模型的桿件輸入也可以在三維透視狀態下進行。

2.3.3 頂層活荷載取值與導荷方式

根據《門式剛架規范》第4.1.3 條“當采用壓型鋼板輕型屋面時，……對承受荷載水平投影面積大于60m2的剛架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取不小于0.3kN/m2”，本工程計算剛架時屋面活荷載可取0.3kN/m2。由前述可知，雪荷載取值為0.40kN/m2，依據《門式剛架規范》第4.3.2 條屋面雪載需考慮不均勻分布，程序可在“自定義工程”中實現。由于屋面采用檁條支撐的輕型屋蓋，屋面均布荷載的導荷方式需要指定為沿剛架梁方向單向導荷，可在程序的“荷載布置—導荷方式”中調整，使屋面荷載傳導至鋼梁上。

2.3.4 頂層特殊構件的設定

通過“前處理及計算”中的“特殊梁”和“特殊柱”將頂層門式剛架梁柱定義為門式剛梁和門式剛柱，這樣頂層鋼梁鋼柱的板件最大寬厚比、鋼柱的最大長細比、梁柱等構件的驗算將按照《門式剛架規范》進行。通過“特殊梁”將屋面縱向剛性系桿定義為兩端鉸接的桿件。

2.3.5 屋面鋼梁平面外計算長度

根據《門式剛架規范》第5.1.1 條“……主剛架斜梁下翼緣和剛架柱內翼緣平面外的穩定性，應由隅撐保證……”，和第7.1.6-4 條“……屋面斜梁和檁條之間設置的隅撐滿足一定條件時，下翼緣受壓的屋面斜梁的平面外計算長度可考慮隅撐的作用……”及條文中又說明“……隅撐不能作為梁的固定的側向支撐，不能充分地給梁提供側向支撐，而僅僅是彈性支座。根據理論分析，隅撐支撐的梁的計算長度不小于2倍隅撐間距……”。按以往經驗，工程師們習慣按2 倍檁條間距布置隅撐，鋼梁平面外計算長度也取2 倍檁條間距，這樣是不安全的。在本人看來，隅撐和與鋼梁相連的整根檁條共同組成鋼梁面外支撐點，檁條和隅撐分別支撐著鋼梁上下翼緣。那么至少要在鋼梁有負彎矩的區域，每根檁條均布置隅撐，這樣鋼梁的平面外計算長度方可取2 倍檁條間距。鋼梁平面外計算長度在程序的“前處理及計算”中修改。

2.3.6 鋼柱計算長度系數選用

頂層門式剛架柱在剛架平面外計算長度取側向支撐點的距離，本工程柱平面外設置了柱間支撐，頂層柱平面外計算長度系數為1。鋼柱計算長度在“前處理及計算”中修改。

2.3.7 補充屋面風荷載

軟件默認考慮的風荷載，只考慮墻面水平風荷載作用，并不會考慮斜屋面的風吸力和壓力。對于頂層為輕型門式剛架坡屋面的結構，不考慮屋面風吸力和壓力是不安全的，因此，需要通過特殊風荷載來補充調整。可在程序“特殊風荷載”中確定屋面風荷載參數并確定風荷載，最終作用在屋面鋼梁上。

2.3.8 豎向地震的計算

根據《門式剛架規范》第4.4.2-3 條“抗震設防烈度為8 度、9 度時，應計算豎向地震作用……”，所以本工程頂層需考慮豎向地震作用。可通過以下操作實現，在計算參數中選取“計算水平和反應譜方法豎向地震作用（局部模型獨立求解）”，然后在前處理的“特殊梁”中指定需要考慮豎向地震作用的構件，這樣只需整體計算一次就可滿足規范對豎向地震計算的要求。

2.3.9 結構模型計算

上述步驟完成后，計算即可生成計算結果。依次點取文本和圖形結果查看是否有不符合規范指標和應力超限現象，如有返回模型重新修改調整直至滿足。

3 結構構造要求及主要節點設計

3.1 結構構造要求

建筑結構構造及節點設計要與計算模型相輔相成，最終使結構在構造上符合計算模型的假定。同時，應考慮到傳力機制明確，構造要合理，具有必要的延性，避免應力集中及產生過大的約束應力，并且應考慮到制作與安裝的方便，容易就位和調整等；比如土建的容許偏差較大，鋼結構構件在制作時的焊接變形較大，因此，在設計錨栓和螺栓孔定位及孔徑時，應考慮這兩個因素，針對不同的構件及不同的受力狀況，設計不同的錨栓和螺栓孔標準，以方便現場安裝施工。

3.2 主要節點設計及要求

在完成SATWE 三維分析后，就可以進入到“鋼結構施工圖”模塊來進行整個結構的全樓節點設計。

3.2.1 下部樓層節點設計

為方便施工，首層柱腳設計成外露式平板剛接柱腳，柱底采用普通錨栓連接，如圖4 所示。框架梁柱采用栓焊連接，如圖5所示。

圖4 柱腳節點

圖5 梁柱節點

3.2.2 頂層門式剛架節點設計

為便于構件的安裝，頂層門式剛架構件間的連接設計成端板式連接。屋面斜梁可根據運輸條件劃分為若干個單元，單元間通過梁梁拼接節點連接。各個單元構件本身采用焊接，單元構件之間通過端板以高強度螺栓連接。利用高強度螺栓滿足充分預張拉條件以保證節點剛度，螺栓直徑與端板厚度通過計算確定；屋面斜梁與柱的連接（見圖6）、梁與梁的連接及拼接（見圖7），均按照門式剛架節點采用端板+高強螺栓連接。

圖6 斜梁與柱節點

圖7 梁梁拼接節點

3.2.3 隅撐的設計

本工程在電算時頂層屋面鋼梁的平面外計算長度取值考慮了隅撐，因此，施工圖是必須根據計算假定設置隅撐，作為屋面梁的側向支撐點以符合計算假定，隅撐節點如圖8所示。

圖8 隅撐節點

4 結語

當多層鋼結構框架房屋頂層采用輕型屋面時，頂層可按照門式剛架輕型房屋結構進行設計，不但具有更好的經濟性，而且能滿足頂層大空間的要求，希望本文能對此類工程的設計提供有益的借鑒作用。