双层库顶层抽柱的钢框架结构设计研究

薛冠豪

摘 要：本文结合某物流仓库的工程设计，依据相关规范对此类仓库结构形式进行了重新定义，从模型建立、参数选取、计算分析、结果判别和构造措施等多方面分析了设计过程中容易遇到的问题，指出目前常规设计方法的误区和不足，并结合工程实例给出相对简单、适用的处理方案。

关键词：物流仓库;钢框架;抽柱;结构设计

中图分类号：TU974 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）14-0112-03

Design and Research of Steel Frame Structure with Pillars Drawn

from Top Storage of Double Storage

——A Case Study of a Logistics Warehouse in Dalian

XUE Guanhao

（Henan Fifth Research & Design Corporation of CNNC，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Combining with the engineering design of a logistics warehouse， this paper redefined the structure form of such warehouse according to the relevant specifications， and analysed the problems easily encountered in the design process from the aspects of model establishment， parameter selection， calculation and analysis， result discrimination and construction measures， and pointed out the misunderstandings and shortcomings of the current conventional design methods. In addition， a relatively simple and applicable treatment scheme was given with an engineering example.

Keywords： logistics warehouse;steel frame;drawing column;structural design

物流產业被认为是国民经济的动脉和基础产业，其发展程度成为衡量一国现代化程度和综合国力的重要标志之一。物流产业随着国民经济的发展、交通运输的便捷、信息技术的发达而日益发展[1]。物流业的快速发展对物流仓库的建设提出了较高要求。近年来，仓储规模及建筑体量越来越大。为了节约土地资源，越来越多的大型钢结构仓库由单层库改为双层库。双层库楼面荷载重、屋面荷载轻、屋面跨度大的特点使得顶层抽柱的钢框架结构在选择结构体系时更具优势。本文结合实际工程，以常用的PKPM（STS）软件为平台，对此类仓库的结构设计进行分析，便于设计人员快速、准确地开展工作。

1 工程概况

本工程为大连某物流仓库。建筑共两层，长141.5m，宽129.5m，建筑面积38 121.15m2，首层层高11.4m，二层檐口高20.8m。建筑内部主要用于仓储，内置发货月台、货运电梯、夹层办公等区域。

2 设计参数

本工程抗震设防烈度7度（0.15g），建筑场地类别II类，地震分组第一组，抗震设防类别为丙类;基本风压0.65kN/m2（50年一遇），地面粗糙度类别B类;基本雪压0.45kN/m2（100年一遇），屋面活荷载0.5kN/m2，屋面吊挂恒荷载0.15kN/m2，屋面光伏恒荷载0.15kN/m2，楼面活荷载15kN/m2，地面活荷载45kN/m2。

3 结构布置

本工程为两层钢框架结构，首层采用焊接箱形柱，二层采用焊接H形柱。建筑物尺寸过大，温度应力明显，沿南北向在建筑物中部设置伸缩缝。在伸缩缝一侧布置防火墙，伸缩缝两侧设置双柱，二层在伸缩缝两侧不抽柱，增强轻钢屋面整体性。为了便于分析，仅取下侧进行计算，下侧1、2层柱网布置图如图1、图2所示。

4 结构体系定义

本工程一层楼面钢框架结构，钢次梁铺在楼承板上做钢筋混凝土非组合楼板;二层钢柱隔一抽一，形成多跨双坡大空间屋面，上铺轻型彩钢板。

目前，并无规范对底层钢框架顶层抽柱结构体系进行定义。设计时，一般参照《门式刚架轻型钢结构房屋技术规程》（CECS 102—2002）（2012版）（以下简称《门刚规程》）1.0.2条文说明：当多层建筑的顶层为门式刚架轻型钢结构房屋时，其设计、制作和安装过程可参照本规程执行。同时，应根据下部结构的具体情况，考虑其对顶层柱顶的位移影响[2]。但是，在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB 51022—2015）（以下简称《门刚规范》）中，上述条文说明已被取消，参照其1.0.2条“本规范适用于房屋高度不大于18m”，及其条文说明“房屋高度不大于18m，高宽比不大于1，主要针对本规范的风荷载体形系数而规定的”，“房屋高度大于18m的类似建筑，构件的强度、稳定性设计可参照本规范”[3]。据此，此类大型物流仓库按过去定义为“底层框架顶层门刚的钢结构房屋”似有不妥，而将其定义为“顶层抽柱的钢框架结构”更为准确。对此类结构体系，建议仅屋面体系可参照《门刚规范》，其余全部构件及其各类指标均要按《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（2016版）[4]（以下简称《抗规）及《钢结构设计标准规范》（GB 50017—2017）[5]（以下简称《钢标》）执行。

“底层框架顶层门刚的钢结构房屋”进行设计时主要存在以下问题：①底层按钢框架、顶层按门刚设计，纵向抗侧力传力体系上下层不同，下层靠钢框架传递侧向力，上层靠柱间支撑传递侧向力;②在抗侧力体系不统一的前提下，上层门式钢架控制柱子位移、变形指标，偏于不安全;③高度已经超出《门刚规范》适用范围，仍按其风荷载取值，偏于不安全;④由于屋面梁变截面处有节点而无约束，导致局部振动，致使振型参与质量不足，计算失真。

5 结构设计

5.1 模型计算

关于此类工程钢框架三维建模计算及二维补充计算的相关操作步骤，覃霜的《某保税物流仓库底层钢框架顶层门刚结构设计》[6]一文中已有详细介绍，此处不做详述。

5.2 楼面梁腹板高厚比超限问题

本工程楼面荷载重，柱距大，框架梁截面高度高，按常规设计，参照《抗规》表8.3.2，梁高1 250mm时，即使腹板高厚比按最大值[75235/345=61.8]，钢框梁腹板高度至少需要22mm才能满足设计要求。据此进行设计，不经济也不合理。对此，部分设计人员，简单套用高厚比公式[h0tw]，在腹板高度中心位置沿梁纵向设置加劲肋的方式使[h0]减半，并通过构造使高厚比验算通过。此种做法，未理解规范钢梁腹板高厚比限值的意义，既浪费钢材，又存在安全隐患。

《钢标》对受弯构件腹板高厚比设置限值，主要是为了防止因高厚比过大导致受压区局部失稳。将通长纵向加劲肋设置在腹板中心高度即梁截面中和轴附近，对改善腹板的局部稳定不能起到任何作用。据《钢标》6.3.6条：“纵向加劲肋至腹板计算高度受压边缘的距离应为[hc/2.5～hc/2]”及6.3.3条“对于双轴对称截面[2hc=h0]”。因此，应将通长纵向加劲肋设置在距受压翼缘[hc/5～hc/4]内，对次梁可设置在距上翼缘[h0/5～h0/4]处，对框架梁，可采用如图3所示的先按构造设置横向加劲肋，再根据弯矩包络图，在两端各1/4处将纵向加劲肋设置在靠近下翼缘处，中间1/2处将纵向加劲肋设置在靠近上翼缘处，并在位置转换处的横向加劲肋区格内上下均设纵向加劲肋。

次梁与主梁连接时，需要设置有加劲肋，采用上述方案仅需要单侧增加2道横向加劲肋即可满足上述构造要求，能大幅度减小钢梁腹板厚度，降低工程造价。

5.3 屋面梁设计

5.3.1 双坡屋面三维模型计算失真问题。计算过程中，容易出现以下问题：①振型参与质量不足;②局部振动;③屋面荷载未能有效导算至钢梁，导致计算结果失真。

三个问题常同时出现，互为关联。要避免以上问题的出现，需要设计人员透彻理解PKPM软件的计算假定：①由于软件PKPM（STS）只能以平面为基准面生成屋面板，不能蒙皮生成屋面板，因此，设计时需要在屋面变坡处增设虚梁;②变截面门式钢梁交接处，顶面坡度可能未發生改变，但需要在屋面处增设较多节点，而这会使屋面自由度较多，应通过增设系杆、连系梁等方式施加有效约束，确保不因均布振动导致结果失真。

5.3.2 屋面梁挠跨比合理取值。《门刚规范》表3.3.2及《钢结构设计标准》附录B表B.1.1规定，当屋面梁“仅支撑压型钢板屋面和冷弯型钢檩条”，挠跨比限制为1/180。此类物流仓库一般规模较大，有较多荷载较小、布置均匀的电缆桥架、消防支管、风扇等设备吊挂于檩条之上，如果直接套用规范，对无吊顶项的钢梁挠跨比要求将会导致设计偏于不安全。因此，建议对屋面钢梁按《门刚规范》表3.3.2及《钢结构设计标准》附录B表B.1.1中，“尚有吊顶”项挠跨比1/240限值控制。

5.4 屋面檩条设计

本工程柱距10.8m左右，屋面恒荷载（自重+吊挂+光伏）约0.6kN/m2，雪荷载0.45kN/m2（100年一遇），活荷载（计算檩条）0.45kN/m2，风荷载0.65kN/m2（50年一遇）。

设计时：①对于大型屋面，屋面板一般采用直立锁边连接方式，据《门刚规范》11.1.6条，不满足“屋面板能阻止檩条上翼缘受压侧向失稳”;②屋面采用单层彩钢板加保温棉形式，无内衬板，据《门刚规范》9.1.5.3条，此时不满足“构造保证风吸力下翼缘受压稳定性”。因此，图纸应注明屋面板与檩条的连接方式，以防设计深度不够，遗留安全隐患。

6 结论及展望

在大型钢结构物流仓库的设计中：①在钢框梁上下翼缘附近交叉设置纵向加劲肋能有效解决腹板高厚比超限问题;②确保屋面变截面处钢梁节点的约束能有效解决计算参与质量不足、局部振动等问题;③屋面连续檩条计算需要准确理解屋面形式与软件相关勾选项的关系，否则容易导致设计偏于不安全;④适当减小多塔时“风荷载体型系数”且不勾选“考虑顺风风振”，可有效改善风荷载作用下位移角指标。

参考文献：

[1]刘也，赵伯友，周青.门式刚架轻钢结构在物流厂房中的应用[C]//全国现代结构工程学术研讨会.2014.

[2]中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程：CECS 102—2002（2012年版）[S].北京：中国计划出版社，2003.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.门式刚架轻型房屋钢结构技术规范：GB 51022—2015[S].北京：中国建筑出版社，2015.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB 50011-2010（2016版）[S].北京：中国建筑出版社，2016.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准规范：GB 50017—2017[S].北京：中国建筑出版社，2017.

[6]覃霜.某保税物流仓库底层钢框架顶层门刚结构设计[J].施工技术，2016（增刊）：673-675.

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范：GB 50009—2012[S].北京：中国建筑出版社，2012.