顶层为轻型门式刚架的多层钢框架结构设计

李 亮（晋中市建筑勘察设计院，山西 晋中 030600）

随着近年来钢结构建筑的盛行，顶层为门式刚架的多层钢结构房屋也随之多了起来。对于这种类型结构的设计逻辑，大体按以下进行：首先依据规范《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）（以下简称《门式刚架规程》）第1.0.2条的条文说明“当多层建筑的顶层为门式刚架轻型房屋钢结构时，其设计、制作和安装可参照本规程执行。此时应根据下部结构的具体情况，考虑其对顶层柱底位移的影响”。那么对于此类建筑，顶层可按照门式刚架轻型房屋进行结构设计，下部结构需要根据相应类型进行设计，下部楼层与顶层需要依据相对应的规范分别设计；然而二者之间的相互作用与相互影响又是必须整体考虑的，因此又需要把二者作为一个整体分析计算，满足整体指标。

此种房屋有诸多优点，以下几点尤为突出：①空间灵活，顶层可抽柱形成大空间，方便建筑功能布置；②节约成本，相比同样规模的钢框架建筑，资金投入少；③将需要大跨度且建在地面上的门式刚架轻型房屋放至建筑顶层，节约了土地成本，还省去地基处理和基础费用。然而这种房屋的缺点也比较明显，由于门式刚架轻型屋盖建筑的屋面板需要采用由檩条支撑的压型钢板屋面或者压型钢板复合保温屋面板。而此种建筑屋面板的密闭性欠佳和保温隔热性能差成了一大缺点，一定程度上限制了此类结构在实际中的应用。现以晋中市某二层钢结构房屋为例，进行分析讨论。

1 工程概况和结构方案选定

1.1 工程概况

本工程为居民活动中心，二层框架结构。丙类抗震设防，抗震设防烈度8度，地震加速度0.2g，设计地震分组第二组。层高分别为3.6m 和3.4m。一、二层柱网布置如图1和图2所示。

图1 一层结构布置平面图

图2 二层结构布置平面图

一层顶板为钢筋混凝土楼板。二层抽柱形成平面大空间，屋面采用双层压型钢板复合保温屋面板。风荷载按50 年重现期取值为0.40kN/m2，地面粗糙度为C类。依据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）（以下简称《建筑荷载规范》）第7.1.2条“基本雪压应采用……50 年重现期的雪压；对雪荷载敏感的结构，应采用100年重现期的雪压”，以及条文说明“……对雪荷载敏感的结构主要是指大跨、轻质屋盖结构……”，所以雪荷载应按100年重现期取值为0.40kN/m2。

1.2 结构方案选定

为配合建筑使用功能，首层采用钢框架结构，钢框架梁和钢框架柱采用焊接工字型截面，梁柱刚接，柱脚为刚接柱脚。一层顶板采用钢筋混凝土楼板，楼板用栓钉与钢梁连接；由于二层的大空间要求且可采用轻型屋面，考虑建筑功能和经济性，顶层采用轻型门式刚架结构，局部抽柱形成跨度为19.5m的门式刚架。二层钢柱采用焊接工字形截面，钢梁采用变截面焊接工字形钢梁；顶层支撑系统均由张紧的圆钢提供，柱间支撑沿边柱列纵向设置，对应柱间支撑跨间设置屋面水平支撑；屋面钢梁平面外支撑由屋面檩条+隅撑组成。结构立面布置图如图3所示。

图3 纵轴结构立面图

2 控制指标、电算软件及电算注意要点

2.1 控制指标

对上述房屋结构设计时需注意以下几点：①顶层门式刚架的设计可参照《门式刚架规范》执行，即钢梁钢柱板件最大宽厚比、钢柱的最大长细比、梁柱等主要构件的验算、屋面钢梁的挠度限值等参照《门式刚架规范》规定进行控制；②下部楼层的设计需参照《钢结构设计标准》（GB50017-2017）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（以下简称《抗震设计规范》）执行，即框架梁和框架柱板件最大宽厚比、框架柱的最大长细比、框架梁和柱的验算等需参照《钢结构设计标准》和《抗震设计规范》执行；③整个结构在风荷载作用下的层间位移角限值，按照《钢结构设计标准》附录B.2.2-2的规定；整个结构在多遇地震作用下的抗震变形验算应符合《抗震设计规范》第5.5.1条的规定。

2.2 电算软件

本工程结构电算软件主要采用盈建科结构设计系列中的建筑结构计算软件YJK-A，采用三维结构体系建模和SATWE进行结构整体分析。

2.3 电算注意要点

此工程需要三维整体分析。三维设计模型输入，需要按实际情况，输入所设计构件，建立下部框架以及上部门式刚架的整体模型。三维建模必须要准确输入，才能使结构在三维分析时反映真实的受力状态。本工程参与整体分析的杆件包括：一层框架层有框架梁、框架柱、钢梁；二层有门式刚架梁、门式刚架柱、柱间支撑、屋面支撑、刚性系杆等构件。

2.3.1 下部楼层的建模要点

下部楼层采用钢结构框架体系，钢框架梁和柱双向刚接，纵横向均不设置柱间支撑（如功能允许也可设置柱间支撑）。本工程一层的楼面为压型钢板组合楼盖，混凝土板层的厚度为80mm（指压型钢板凸肋顶至楼面厚度）。一层的建模和计算均按照框架结构进行，此处不再过多介绍。

2.3.2 顶层的建模要点

顶层按照门式刚架轻型房屋设计，建模时需注意以下内容。坡屋面斜梁，可以在输入杆件时指定梁两端高度来实现，也可以采用指定上节点高的方法实现。屋面斜梁根据变截面情况划分网格，在对应网格处输入变截面和等截面钢梁。柱间支撑和屋面支撑可以按斜杆利用节点高的方式输入。各榀刚架间的连接和传力通过刚性系杆完成，刚性系杆按“梁”定义截面并布置。模型输入完成后，通过Ctrl+鼠标左键拖动，从三维状态下查看模型是否正确。另外，模型的杆件输入也可以在三维透视状态下进行。

2.3.3 顶层活荷载取值与导荷方式

根据《门式刚架规范》第4.1.3 条“当采用压型钢板轻型屋面时，……对承受荷载水平投影面积大于60m2的刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3kN/m2”，本工程计算刚架时屋面活荷载可取0.3kN/m2。由前述可知，雪荷载取值为0.40kN/m2，依据《门式刚架规范》第4.3.2 条屋面雪载需考虑不均匀分布，程序可在“自定义工程”中实现。由于屋面采用檩条支撑的轻型屋盖，屋面均布荷载的导荷方式需要指定为沿刚架梁方向单向导荷，可在程序的“荷载布置—导荷方式”中调整，使屋面荷载传导至钢梁上。

2.3.4 顶层特殊构件的设定

通过“前处理及计算”中的“特殊梁”和“特殊柱”将顶层门式刚架梁柱定义为门式刚梁和门式刚柱，这样顶层钢梁钢柱的板件最大宽厚比、钢柱的最大长细比、梁柱等构件的验算将按照《门式刚架规范》进行。通过“特殊梁”将屋面纵向刚性系杆定义为两端铰接的杆件。

2.3.5 屋面钢梁平面外计算长度

根据《门式刚架规范》第5.1.1 条“……主刚架斜梁下翼缘和刚架柱内翼缘平面外的稳定性，应由隅撑保证……”，和第7.1.6-4 条“……屋面斜梁和檩条之间设置的隅撑满足一定条件时，下翼缘受压的屋面斜梁的平面外计算长度可考虑隅撑的作用……”及条文中又说明“……隅撑不能作为梁的固定的侧向支撑，不能充分地给梁提供侧向支撑，而仅仅是弹性支座。根据理论分析，隅撑支撑的梁的计算长度不小于2倍隅撑间距……”。按以往经验，工程师们习惯按2 倍檩条间距布置隅撑，钢梁平面外计算长度也取2 倍檩条间距，这样是不安全的。在本人看来，隅撑和与钢梁相连的整根檩条共同组成钢梁面外支撑点，檩条和隅撑分别支撑着钢梁上下翼缘。那么至少要在钢梁有负弯矩的区域，每根檩条均布置隅撑，这样钢梁的平面外计算长度方可取2 倍檩条间距。钢梁平面外计算长度在程序的“前处理及计算”中修改。

2.3.6 钢柱计算长度系数选用

顶层门式刚架柱在刚架平面外计算长度取侧向支撑点的距离，本工程柱平面外设置了柱间支撑，顶层柱平面外计算长度系数为1。钢柱计算长度在“前处理及计算”中修改。

2.3.7 补充屋面风荷载

软件默认考虑的风荷载，只考虑墙面水平风荷载作用，并不会考虑斜屋面的风吸力和压力。对于顶层为轻型门式刚架坡屋面的结构，不考虑屋面风吸力和压力是不安全的，因此，需要通过特殊风荷载来补充调整。可在程序“特殊风荷载”中确定屋面风荷载参数并确定风荷载，最终作用在屋面钢梁上。

2.3.8 竖向地震的计算

根据《门式刚架规范》第4.4.2-3 条“抗震设防烈度为8 度、9 度时，应计算竖向地震作用……”，所以本工程顶层需考虑竖向地震作用。可通过以下操作实现，在计算参数中选取“计算水平和反应谱方法竖向地震作用（局部模型独立求解）”，然后在前处理的“特殊梁”中指定需要考虑竖向地震作用的构件，这样只需整体计算一次就可满足规范对竖向地震计算的要求。

2.3.9 结构模型计算

上述步骤完成后，计算即可生成计算结果。依次点取文本和图形结果查看是否有不符合规范指标和应力超限现象，如有返回模型重新修改调整直至满足。

3 结构构造要求及主要节点设计

3.1 结构构造要求

建筑结构构造及节点设计要与计算模型相辅相成，最终使结构在构造上符合计算模型的假定。同时，应考虑到传力机制明确，构造要合理，具有必要的延性，避免应力集中及产生过大的约束应力，并且应考虑到制作与安装的方便，容易就位和调整等；比如土建的容许偏差较大，钢结构构件在制作时的焊接变形较大，因此，在设计锚栓和螺栓孔定位及孔径时，应考虑这两个因素，针对不同的构件及不同的受力状况，设计不同的锚栓和螺栓孔标准，以方便现场安装施工。

3.2 主要节点设计及要求

在完成SATWE 三维分析后，就可以进入到“钢结构施工图”模块来进行整个结构的全楼节点设计。

3.2.1 下部楼层节点设计

为方便施工，首层柱脚设计成外露式平板刚接柱脚，柱底采用普通锚栓连接，如图4 所示。框架梁柱采用栓焊连接，如图5所示。

图4 柱脚节点

图5 梁柱节点

3.2.2 顶层门式刚架节点设计

为便于构件的安装，顶层门式刚架构件间的连接设计成端板式连接。屋面斜梁可根据运输条件划分为若干个单元，单元间通过梁梁拼接节点连接。各个单元构件本身采用焊接，单元构件之间通过端板以高强度螺栓连接。利用高强度螺栓满足充分预张拉条件以保证节点刚度，螺栓直径与端板厚度通过计算确定；屋面斜梁与柱的连接（见图6）、梁与梁的连接及拼接（见图7），均按照门式刚架节点采用端板+高强螺栓连接。

图6 斜梁与柱节点

图7 梁梁拼接节点

3.2.3 隅撑的设计

本工程在电算时顶层屋面钢梁的平面外计算长度取值考虑了隅撑，因此，施工图是必须根据计算假定设置隅撑，作为屋面梁的侧向支撑点以符合计算假定，隅撑节点如图8所示。

图8 隅撑节点

4 结语

当多层钢结构框架房屋顶层采用轻型屋面时，顶层可按照门式刚架轻型房屋结构进行设计，不但具有更好的经济性，而且能满足顶层大空间的要求，希望本文能对此类工程的设计提供有益的借鉴作用。