大跨度门式刚架设计过程若干问题的讨论

大跨度门式刚架设计过程若干问题的讨论
摘要：
通过实例，阐述和分析轻型门式刚架结构设计过程中需要注意的环节。

关键词：多跨刚架刚架风荷载设计摇摆柱钢材材质工程投资
引言：
本工程为新疆独山子某xxx产品库房，长150米，宽63米，檐口高6.9米。

丙类建筑，耐火等级二级，火灾危险性分类为丙类。

抗震设防烈度为8度，设计基本加速度值0.20g(第二组)。

建筑结构安全等级为二级。

设计使用年限50年。

围护结构使用年限为15年。

屋面防水等级为2级。

场地的自然条件：1.基本雪压值0.55KN/㎡；
2.基本风压值0.60KN/㎡；
3.地基土标准冻深 1.4m
4.地基承载力特征值为350KPa.
主体为门式刚架，围护结构为单层压型钢板。

采用了PK·PM系列结构计算软件(2006-6新规范版本)进行计算分析。

正文：
本工程设计时曾采用了两种计算模型，经比较分析后，选用了较为合理的模型。

1.计算参数的选取：
1.1屋面恒荷载标准值：0.3kN/m2；
1.2屋面活荷载标准值：0.55kN/m2；
（注：活荷载取值见《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS 102:2002》第3.2.2条。

应当注意，当受荷水平投影面积大于60㎡的刚架，可取0.3kN/m2。

这里考虑到雪荷载的取值为0.55kN/m2，两者取大值进行计算。

）
1.3风荷载取值：
根据《全国民用建筑工程设计技术措施—结构》第18.1.6条，即“跨高比l/h小于等于4的门式刚架应按《建筑结构荷载规范》GB50009-20001计算风荷载标准值W k及风荷载体型系数μs，不考虑风振系数βj，但当跨高比l/h大于4的门式刚架及房屋所有围护结构的风荷载标准值W K宜按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102：2002取用。

”
1.3.1 中间区：
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102：2002附录A表A.0.2-1所示体型系数如下：
柱：墙面上的风荷载近似按水平向均布荷载q1、q2计，μz按柱顶标高取用，柱顶高6.9m，μz=1.0，μs迎风面0.25，背风面-0.55。

屋面：屋面上的风荷载近似按竖向均布荷载q3、q4、计，μz=1.0，μs迎风面-1.0，背风
面-0.65。

调整系数μo=1.05
柱子均布风荷载：
q1=βz·μs·μo·μz·ωo·B=1×0.25×1.05×1.0×0.6×7.5=1.2kN/m
q2=βz·μs·μo·μz·ωo·B=1×（-0.55）×1.05×1.0×0.6×7.5=-2.6kN/m
屋面均布风荷载：
q3=βz·μs·μo·μz·ωo·B=1×（-1.0）×1.05×1.0×0.6×7.5=-4.7 kN/m
q4=βz·μs·μo·μz·ωo·B=1×（-0.65）×1.05×1.0×0.6×7.5=-3.1 kN/m
1.3.2 端区：
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102：2002附录A表A.0.2-1所示体型系数如下：
柱：墙面上的风荷载近似按水平向均布荷载q1、q2计，μz按柱顶标高取用，柱顶高6.9m，μz=1.0，μs迎风面0.50，背风面-0.70。

屋面：屋面上的风荷载近似按竖向均布荷载q3、q4、计，μz=1.0，μs迎风面-1.40，背风面-0.80。

这里，端区迎风宽度取2Z，Z为计算围护结构构件时的房屋边缘带宽度，取建筑最小水平尺寸的10%或0.4H中之较小值，但不得小于建筑最小尺寸的4%或1m。

H取屋顶至地面的平均高度，可近似取檐口高度。

建筑最小水平尺寸的10%=63×0.1=6.3m
0.4H=0.4×[（9+6.9）÷2]=3.18m
Z取3.18m，所以2Z=3.18×2=6.36m
调整系数μo=1.05
柱子均布风荷载：
q1=βz·μs·μo·μz·ωo·B=1×0.5×1.05×1.0×0.6×6.36=2.0kN/m
q2=βz·μs·μo·μz·ωo·B=1×（-0.7）×1.05×1.0×0.6×6.36=-2.8kN/m
屋面均布风荷载：
q3=βz·μs·μo·μz·ωo·B=1×（-1.40）×1.05×1.0×0.6×6.36=-5.6 kN/m
q4=βz·μs·μo·μz·ωo·B=1×（-0.8）×1.05×1.0×0.6×6.36=-3.2 kN/m
2.计算模型的选取
计算模型按两种形式进行比较，为更好的说明二者的区别，两种模型的梁柱截面尺寸均
采用相同数值。

2.1第一种计算模型：
刚架中间柱与斜梁的连接采用刚接，所有柱脚均为铰接；钢材材质为Q345-B。

刚架计算简图如下：
2.2.第二种计算模型：
刚架中间柱与斜梁的连接采用铰接，所有柱脚均为铰接；钢材材质为Q345-B。

刚架计算简图如下：
2.3.两种计算模型的分析比较：
通过图形和表格对两种计算模型进行分析比较：
1）梁应力比较
第一种模型较第二种，梁的应力比较小，图示画圈的应力比已满甚至超限。

2）柱应力比较
同样，第一种模型较第二种，中间柱的应力比较大，因为梁柱刚接使得中间柱成为压弯构件，柱承担弯矩值。

而第二种模型的中间柱为摇摆柱，是轴压构件；
3）长细比比较
由于中间梁柱铰接，既摇摆柱。

根据《门规》式6.1.3-5、6知，边柱计算长度较大。

可以从图中看出，第一种边柱平面内长细比为95，第二种边柱平面内长细比为125，差距还是较大的。

4）自振周期比较
门式刚架的大原则是轻型结构，也就是说在地震作用下承担地震荷载应该很小。

通过二者的结构自振周期来看，第一种为0.982s，第二种为1.357s。

第一种模型刚度大，地震作用时承担的地震荷载就大；第二种模型较柔，地震时则承担较小的地震荷载。

可以看出，进行比较后，1）、3）说明第一种模型比较合理，2）、4）则显示第二种模型较为合适。

笔者认为：1）、3）所示第一种模型的合理性在实际设计施工中所体现的价值并不大。

一.因为本工程跨度较大，中间梁柱刚接使整个刚架刚度增大，地震时所承担地震荷载较大，违背了门式刚架结构以“轻型”为本的思想；
二.中间柱若为刚接，则使柱成为压弯构件，承担弯矩。

从而使得整个结构体系受力复杂，传力相对不够明确；
三.中间梁柱刚接，节点做法十分复杂，高强度螺栓数量比较大，施工起来相对繁琐。

第二种模型则更好的避免了这些麻烦，只是相对的要加大一下梁的断面尺寸，但实际产生的费用上还是较第一种模型经济。

3.计算分析
在解决计算模型选取问题后，笔者将应力比超限的构件重新选取断面进行计算。

现只针对此种模型进行分析。

3.1 构件平面外计算长度的选取
构件平面内的计算长度，程序会根据模型和规范自动进行计算，而平面外计算长度则需要设计人员根据规范和一定的设计经验认真选取。

3.1.1梁的平面外计算长度
《门规》第6.1.6条第二款：“实腹式刚架斜梁的出平面计算长度，应取侧向支承点间的距离；当斜梁两翼缘侧向支承点间的距离不等时，应取最大受压翼缘侧向支承点间的距离”。

这里的侧向支承点应该为横向支撑的节点，可以理解为水平支撑的节点和刚（柔）性系杆的节点，这些节点之间的间距一般较大，不利于合理计算梁平面外的稳定。

笔者认为隅撑的设置，使檩条和钢梁联系在一起，从而可以有效控制梁的侧向失稳。

只要控制隅撑间距取不大于16b(235/f y)1/2（ｂ为受压翼缘宽度），本工程则取2倍檩条间距3ｍ，这样才可以设计出合理的梁截面，充分发挥构件的强度。

3.1.2柱的平面外计算长度
柱的平面外计算长度取柱支撑与柱连接点的距离，这里取柱长。

3.2 构件材质的选取
本次设计所采用的钢材材质为Q345-B，在前面所述已经确定好的结构计算模型下，得出了较为理想的用钢量。

相比采用Q235-B的情况节省了近30%的钢材，大大节约了工程的投资。

结语：
随着近几年大量的厂房库房都愿意采用钢结构，门式刚架必将担当越来越重要的角色。

我们设计工作者则需要根据具体工程具体情况认真选取门刚的结构形式，从而更精准的把握结构的命脉，使结构更安全更经济更合理，是我们的任务。

本文从结构选型到结构分析有针对性的作出了表述，达到了较为合理的设计结果。