关于底部框架-上部门式刚架结构体系的探讨

葛小珲 中国成达工程有限公司 成都 610041

工业建筑和现代物流仓储建筑时常会出现底部混凝土框架结构（或钢框架）-上部门式刚架的结构体系，这种结构体系在现行国家规范中没有相应的规定，进行结构设计时，在结构体系分析、指标控制及抗震措施等方面没有相应的规范依据，往往需要进行专项研究和论证。下文仅针对这种结构体系的特点，对其整体性能和鞭梢效应的影响大小进行探讨。

1 底框门刚结构体系与其他常用结构体系的对比

两层工业及仓储物流建筑通常采用如下八种结构体系：

（1）体系1：单层门式刚架，柱脚铰接。

（2）体系2：单层门式刚架，柱脚刚接。

（3）体系3：一层为钢框架结构，二层为门式刚架结构，门式刚架柱脚铰接。

（5）体系5：一层为混凝土框架结构，二层为门式刚架结构，门式刚架柱脚铰接。

（6）体系6：一层为混凝土框架结构，二层为门式刚架结构，门式刚架柱脚刚接。

（7）体系7：一层为混凝土框架-支撑结构，二层为门式刚架结构，门式刚架柱脚铰接。

（8）体系8：一层为混凝土框架-支撑结构，二层为门式刚架结构，门式刚架柱脚刚接。

本文将针对一栋24 m×47 m的两层仓储库房建筑，采用不同结构体系进行对比分析。

场地条件：7度（0.10 g），地震分组第三组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.45 s，基本风压为0.3 kPa。建筑各层平面布置图见图1~图3：

图1 一层0.000标高平面布置图

图2 二层11.000标高平面布置图

图3 屋面23.000标高平面布置图

上述建筑采用小震弹性进行分析，各个体系层间位移角应力比见表1、表2。

表1 柱脚铰接情况各结构体系柱脚铰接时的层间位移角及应力比

表2 各结构体系柱脚刚接时的层间位移角及应力比

从上述各体系的对比表格可以看出：

到2016年，全市一级河道Ⅴ类以上水体达到60%，二级河道Ⅴ类以上水体达到50%，显著提升水生态环境质量。2014年清水河道行动计划实施七大类1311项工程。截至6月27日,完工433项,完工率33.8%,开工在建388项。

（1） 当门式刚架柱脚铰接时，在风荷载工况下，刚架位移及刚架应力比基本一致；在地震工况下，底部框架-上部门式刚架结构体系中的上部门式刚架的侧向位移明显大于单层门式刚架，上部门式刚架的鞭梢效应明显，但门式刚架柱和刚架梁的应力比相差不大。

（2） 当门式刚架柱脚刚接时，在风荷载工况下，底部框架-上部门式刚架结构体系中的上部门式刚架的侧向位移略大于单层门式刚架，随着底部框架刚度的增加，上部门式刚架的侧向位移稍有减少；在地震工况下，底部框架-上部门式刚架结构体系中的上部门式刚架的侧向位移大于单层门式刚架，上部门式刚架的鞭梢效应明显，门式刚架柱和刚架梁的应力比比单层门式刚架增加了约10%。

2 横向荷载作用下结构的鞭梢效应与下部结构刚度的关系

从上面的试算可以看出：对于两层的仓储类结构，风荷载产生的鞭梢效应并不明显，但在地震作用下，随着下部结构体系刚度的变化，上部门式刚架的鞭梢效应出现了明显的变化。为了明确下部结构刚度与上部门式刚架鞭梢效应的关系，本文针对不同的下部结构刚度进行了进一步的对比，同时增加了体系9~体系21的结构数据，以增大统计样本。对比结果见表3：

表3 各结构体系柱脚刚接时的层间位移角及应力比

从表3可以看出： 第二层门式刚架的自振周期为0.5149 s，场地的特征周期为0.45 s。门式刚架的最大侧向位移出现在下部结构自振周期介于0.5149 s和0.45 s之间时。初步判断，当二层门式刚架的自振周期与下部结构自振周期接近，以及下部门式刚架的自振周期与场地的特征周期接近时，都会产生明显的鞭梢效应。

由于表3中的示例，二层门式刚架的自振周期与场地的特征周期相近，无法判断哪个因素对鞭梢效应的影响更大。本文再将门式刚架柱脚设置为铰接，增大二层门式刚架的自振周期进行进一步分析，见表4。

表4 各结构体系柱脚铰接且下部结构刚度变化时的周期及层间位移角

从表4可以看出：第二层门式刚架的自振周期为0.9444 s，场地的特征周期为0.45 s，当门式刚架柱脚铰接时，基本规律与表3柱脚刚接一致。二层门式刚架的最大位移出现在下部结构自振周期为0.9037 s时，可以判断：当二层门式刚架的自振周期与下部结构自振周期接近时，对鞭梢效应的增大作用更明显。

同时对比表3、表4，铰接柱脚的门式刚架的鞭梢效应没有刚接柱脚的门式刚架对下部结构刚度变化敏感，但是由于其本身刚度较低，侧向位移较大。刚度越大，门式刚架的鞭梢效应越明显。

3 门式刚架结构的控制工况

本文中结构基本风压为0.3 kPa，该风荷载为偏小的风压值，本文逐渐提高地震荷载，研究主要情况下，二层门式刚架结构的控制荷载。柱脚铰接情况见表5，柱脚刚接情况见表6。

表5 各结构体系柱脚铰接时不同地震烈度情况下的二层层间位移角

表6 各结构体系柱脚刚接时不同地震烈度情况下的二层层间位移角

从表5可以看出，门式刚架柱脚铰接情况下：单层门式刚架，风荷载为控制工况；二层结构，除下部结构自振周期与场地特征周期相近的情况外，其他情况下，风荷载基本为控制工况。

从表6可以看出，门式刚架柱脚刚接情况下：单层门式刚架，风荷载基本为控制工况；二层结构，地震烈度为7度及以下时，风荷载为控制工况；在高烈度时，上部门式刚架的鞭稍效应逐渐明显，控制作用逐渐由风荷载作用变为地震荷载作用；地震烈度为9度时，地震荷载基本为控制工况。

4 结语

（1）此类结构体系在现行国家规范中没有相应规定，但是在实际工程中却时常运用，这就要求设计人员在工程设计中应特别注意这种结构体系的特殊性，特别是上部和下部两种不同结构体系间的相互影响和力学假定的区别。下部框架结构一般为混凝土屋面符合刚性楼板假定，但是二层门式刚架大部分情况是轻钢屋面，不能很好地实现刚性楼板假定，因此，建议此类结构采用三维空间计算和单榀排架计算包络设计。

（2）两层门式刚架结构，其下部结构的自振周期直接影响二层门式刚架的最大侧移。二层门式刚架的最大侧移发生在下部结构自振周期介于场地自振周期和二层门式刚架自振周期之间。当下部结构的自振周期与二层门式刚架自振周期接近时，结构的鞭梢效应最显著。因此，在结构设计时，应尽量使结构自振周期远离二层门式刚架的自振周期和场地的特征周期。

（3）二层门式刚架的刚度越大，鞭梢效应越明显，构件的应力比越大。在进行结构设计时，应根据建筑不同的使用功能和结构工况，选择合适的结构体系，而不是单纯的选择刚度大的结构或刚度小的结构。

（4）结构的鞭梢效应随着二层门式刚架刚度的增加以及地震烈度的增加而增加。在中低烈度区，二层门式刚架控制工况基本为风荷载工况。在高烈度区进行两层门式刚架设计时，则应特别注意结构的鞭梢效应。