带夹层的门式刚架结构设计

晋娟茹 夏绪勇

(中国建筑科学研究院，北京100013)

门式刚架结构是钢结构设计中应用广泛、成熟的结构形式，在实际工程中有些门式刚架结构，按照建筑设计、使用功能等方面的需求，在局部设置夹层，夹层通常设置在刚架端榀、刚架纵向等位置，下图为某工程实例的整体模型图。

图1 某带夹层的门式刚架结构工程

由于设置了夹层，所以这类结构与常规的门式刚架厂房结构设计存在差异，下面详细介绍带夹层门式刚架结构的设计方法以及PKPM系列软件中带夹层门式刚架结构的设计功能。

1 带夹层的门式刚架结构设计方法

带夹层的门式刚架结构，刚架纵向设置的夹层梁，与主刚架柱的连接，可以铰接，也可以刚接，不同的连接方式，会影响整个结构分析方法的确定。

当纵向夹层梁与刚架柱刚接连接时，连接位置的刚架柱双向受弯，夹层区域形成了真正的三维框架体系，此时需要使用三维有限元分析方法实现结构的整体分析。

当纵向夹层梁与刚架柱铰接连接时，纵向水平力完全由支撑承担，而且横向每榀的刚度比较均匀，结构具有清晰的荷载传导途径，竖向荷载、横向荷载(横向风荷载、吊车横向水平荷载、横向地震力等)主要由门式刚架承担，纵向水平荷载(山墙风荷载、吊车纵向刹车力、纵向地震力)主要由纵向支撑所在立面承担。此时建议，横向刚架、纵向支撑系统分别采用二维建模计算的方法。

PKPM软件是目前国内应用广泛的结构设计软件，能完成一体化的结构设计，包括模型输入、结构分析设计、构件验算、整体施工详图设计等，软件提供了带夹层门式刚架结构设计的解决方案和实现方法，下面主要介绍软件使用三维设计方法和二维设计方法实现带夹层门架结构的设计功能。

2 三维设计方法

2.1 模型输入

执行PKPM系列软件-钢结构设计软件STS中框架“三维模型与荷载输入”，完成带夹层门架结构的建模输入和荷载布置。三维建模的方法是层模型方式，即将模型分为多个结构层，分别建立模型并布置荷载，然后通过楼层组装方式完成整体模型的建立。

在夹层门架结构三维建模时，需特殊注意以下几点:

(1)一般夹层位置单独作为一个层输入，方便输入夹层构件和荷载;

(2)坡屋面可以通过软件提供的上节点高、柱顶标高等方式实现;

(3)屋面支撑、柱间支撑在模型输入时作为斜杆输入。

2.2 结构分析和构件验算

PKPM系列应用广泛的有两套三维分析设计软件，即SATWE和PMSAP，软件自动化程度高，通过人机交互方式设置计算参数，能自动完成结构分析设计，并提供文本、图形方式的计算结果供使用者查看分析结果。

夹层门架结构三维分析设计要点:

(1)特殊构件设置

对钢构件，软件缺省采用《钢结构设计规范》GB50017-2003(下面简称钢规)进行构件设计和验算。对变截面的斜梁，建议使用《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102:2002(下面简称门规)设计和验算。软件实现:通过特殊梁“门架梁”的设置，交互指定门式刚架梁，在结构分析和构件时，对指定该属性的构件，将按照门规进行设计和验算。

(2)特殊风荷载定义

门式刚架结构自重轻，属于对风荷载比较敏感的结构，而三维分析软件缺省的风荷载是软件自动搜索外围挡风面，根据用户指定的基本风压作用风荷载。但是对于坡屋面的门式刚架结构，屋面的风荷载对结构分析影响比较大，不容忽略，软件提供了特殊风荷载的定义，帮助完成坡屋面风荷载的布置。SATWE和PMSAP软件都提供考虑特殊风的相关信息，使用者通过交互设置，可方便完成。

图2 三维建模第一、二层模型

(3)计算结果查看

通过“各荷载工况下结构变形图”的查看，辅助判断整个结构受力是否合理。带夹层门架结构分析时，可能出现局部振动的现象，通过分析用户实例工程总结，导致该现象最大的可能是模型中抗侧系统的抗侧能力差，应通过设置屋面支撑、柱间支撑来保证整个结构的变形协调。

2.3 节点设计和整体施工图

结构分析完成，并确保满足设计要求后，通过STS软件的三维框架节点设计功能，能快速完成整个结构中各连接的节点设计和节点、构件施工详图的绘制。

软件自动设计时，夹层梁与刚架柱的连接按照框架连接方式(栓焊)实现，屋面刚架梁与柱的连接按照门架连接方式(端板)实现，见图4。

图3 SATWE特殊风荷载定义

图4 STS软件钢框架连接设计结果

3 二维设计方法

STS软件能实现带夹层门架结构的二维设计。纵向榀的分析主要完成纵向支撑系统的分析，通过软件自动分析完成;横向榀的分析完成主刚架的分析。实际工程中存在主刚架榀设置夹层的情况，下面主要介绍STS软件针对设置夹层的主刚架的设计功能。

3.1 模型输入

软件能实现门式刚架带夹层结构的模型建立，包括快速建立夹层模型、交互设置夹层梁、夹层梁荷载布置等。

对规则的门式刚架结构，软件提供快速建模方法建立模型，通过人机交互方式输入工程相关信息，由软件自动建立工程模型。快速建模可以完成四种形式夹层的建立，在设计信息设置时，能指定夹层梁上的荷载值。当夹层形式超过快速建模的范围时，可以通过交互方式完成模型的建立。

软件在梁布置时，提供交互指定夹层梁的功能，方便夹层梁的设计，包括荷载布置、挠跨比控制、节点连接设计等。

建模阶段注意问题:

(1)软件快速建模生成的截面，并不是满足设计要求的截面，而是软件根据模型尺寸给出的初始截面，设计人员需要根据结构分析及验算结果判断截面尺寸的合理性;

(2)当快速建模提供的夹层形式不能满足需求时，可以采用交互建模方式，通过建立网格线、布置构件、布置荷载的方式完成模型的建立;也可以采用快速建模和交互建模结合的方式完成模型输入，如刚架部分用快速建模，夹层部分用交互建模，见图5所示。

3.2 结构分析和构件验算

在二维计算分析时，使用者在计算参数设置时，可以选择验算规范，并且单根构件的验算规范也可以交互修改。当计算信息设置完成后，软件自动按照用户的设置完成结构的内力分析和构件验算。

结构分析设计要点:

对于带夹层的门式刚架结构，如果选择按照门规来验算和控制，软件将按照门规的方法确定刚架柱的计算长度系数，这时是无法考虑夹层梁对刚架柱的约束作用，因此建议，对于与夹层梁相连的柱的计算长度的确定方法，可以参考钢规线刚度比方法的计算结果。使用STS软件的计算过程为:

(1)计算参数设置:门式刚架类型;按钢规验算;有侧移框架;其他控制参数可以按门规要求输入;

(2)修改构件的验算规范，与夹层相连的柱、夹层梁建议设计规范指定为钢规，轻钢屋面梁验算规范指定为门规。

再进行结构计算时，计算长度确定就是按总体计算参数中的钢规线刚度比方法确定计算长度，总体控制按门规控制，夹层部分构件按钢规校核，轻钢屋面按门规校核。

3.3 节点连接和整体施工图设计

软件能自动完成夹层梁柱的连接设计和施工详图绘制。

通过交互定义设计参数的方式，完成节点设计信息的设置(见图6)，针对夹层梁与刚架柱(图7)的连接，提供门架连接(端板连接)和框架连接(栓焊连接)两种方式。参数确定后，软件能自动完成模型中各连接位置的节点设计，最终完成整体施工图的绘制。

节点设计阶段注意问题:

(1)软件缺省按照框架连接方式进行夹层梁柱节点的设计，用户可以通过连接参数修改;当没有选择采用框架连接时，即使模型中定义了夹层梁信息，在节点设计阶段也会按照门架式的连接处理;

(2)节点连接的铰接、刚接信息是接力模型中的设置，在节点设计计算不能修改，只能交互确定节点连接方式。

4 结语

文章分析了带夹层门式刚架结构的常用设计方法，并从模型输入、结构分析与构件验算、节点设计和施工详图绘制等方面详细介绍了PKPM系列软件针对带夹层门架的设计功能，以及各阶段的设计要点，供设计人员参考。

图7 某带夹层门式刚架工程施工图

[1]门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS 102:2002).北京:中国计划出版社，2003.3

[2]钢结构设计规范(GB50017－2003).北京:中国计划出版社，2003.10

[3]建筑结构荷载规范(GB50009－2012).北京:中国建筑工业出版社，2012.9

[4]钢结构CAD软件STS用户手册，2013.10

[5]钢结构CAD软件STS技术条件，2013.10

[6]钢结构软件STS应用讲解，2013.10

[7]多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE 用户手册，2013.10

[8]复杂多、高层建筑结构分析与设计软件PMSAP用户手册，2013.10

[9]PKPM多高层结构计算软件应用指南，中国建筑工业出版社，2010.6

[10]预制轻钢建筑系统实用手册，同济大学出版社，2013.5