一、問題的提出
近幾年來,輕型鋼結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)多層框架的頂層為門式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型,其典型的結(jié)構(gòu)形式如圖 1 所示。對于這種結(jié)構(gòu)類型,其下部框架需要按框架進(jìn)行設(shè)計,而頂層的門式剛架,可根 據(jù)《 門 式 剛 架 輕 型 房 屋 鋼 結(jié) 構(gòu) 技 術(shù) 規(guī) 程》(CECS102:2002)進(jìn)行設(shè)計。利用 PKPM 系列軟件,對該種結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出幾種典型的設(shè)計和分析方法。
圖 1 結(jié)構(gòu)形式圖
二、結(jié)構(gòu)特點
該類輕型鋼結(jié)構(gòu)一般層數(shù)為 2~3 層,下部采用等截面構(gòu)件,梁柱連接采用剛接或鉸接連接,上部可采用變截面的梁柱。樓面采用壓型鋼板和混凝土組合樓蓋;屋面一般采用壓型鋼板、系桿和支撐連接;墻面一般采用壓型鋼板輕型墻面。
該種結(jié)構(gòu)結(jié)合了框架結(jié)構(gòu)和門式剛架結(jié)構(gòu)的特點。下部結(jié)構(gòu)由于功能需要,按鋼結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行設(shè)計,樓蓋的剛度相對較大。上部結(jié)構(gòu)只承擔(dān)屋面的荷載,跨度大,荷載輕,為節(jié)省鋼材,按門式剛架的要求進(jìn)行布置,采用支撐系統(tǒng)來滿足結(jié)構(gòu)的整體剛度,并采用壓型鋼板、檁條等作為屋面系統(tǒng),屋蓋的剛度相對較小。
對于這種結(jié)構(gòu),下部框架與上部門式剛架的設(shè)計需區(qū)別對待,然而它們之間的相互作用、相互影響又是必須考慮的,需要作為一個整體來分析計算。采用 PKPM 軟件來設(shè)計這一類結(jié)構(gòu),應(yīng)該注意以下問題。
(1)結(jié)構(gòu)建模
建模時必須輸入所有受力構(gòu)件,包括縱向柱間支撐、屋面水平支撐、系桿等重要的受力構(gòu)件。這樣,整體分析時才能夠準(zhǔn)確計算結(jié)構(gòu)的剛度。支撐可以按照單拉桿件來設(shè)計,整體分析軟件目前還沒有單拉桿件的設(shè)置功能,應(yīng)該進(jìn)行補(bǔ)充計算。上部門式剛架屋面剛度由剛架梁、屋面支撐系統(tǒng)、檁條、屋面板等共同組成,其平面內(nèi)的剛度很難準(zhǔn)確考慮,可以偏于安全地忽略屋面板的剛度,將所有的節(jié)點視為彈性節(jié)點,僅考慮剛架梁、屋面支撐系統(tǒng)的作用。
(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)規(guī)范和規(guī)程
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的規(guī)范和規(guī)程包括《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017—2003)、《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB50018—2002)、《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:2002)、《輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(DBJ08-68-97)和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)。
設(shè)計人員為節(jié)約用鋼量,希望將下部結(jié)構(gòu)依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范設(shè)計,而上部門式剛架結(jié)構(gòu)依據(jù)門式剛架設(shè)計規(guī)程設(shè)計。同時,對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計也提出相應(yīng)的要求。由此,引起結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載計算、構(gòu)件設(shè)計和結(jié)構(gòu)整體變形控制等問題。
(3)風(fēng)荷載計算
風(fēng)荷載計算,對上部結(jié)構(gòu)是要求考慮屋面的風(fēng)吸力的影響的。由于門式剛架規(guī)程對風(fēng)荷載的計算有規(guī)定,如果采用門式剛架計算,在軟件的應(yīng)用中需要考慮門式剛架規(guī)程的風(fēng)荷載計算。
(4)結(jié)構(gòu)整體控制和構(gòu)件設(shè)計
鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(簡稱鋼規(guī))和門式剛架規(guī)程(簡稱門規(guī))對構(gòu)件設(shè)計的要求不同,其整體變形的控制對門式剛架部分如何取值?同時,對門式剛架構(gòu)件和框架構(gòu)件的計算長度、截面高厚比和寬厚比的控制等的取值也存在問題。
三、PKPM 軟件的設(shè)計計算
對上述結(jié)構(gòu),設(shè)計人員可根據(jù)實際情況,按照框架結(jié)構(gòu)計算,或下部按框架結(jié)構(gòu)、上部按門式剛架結(jié)構(gòu)計算。PKPM 2005 版軟件為下部為框架結(jié)構(gòu)、上部為門式剛架結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計,提供了一套三維整體分析設(shè)計的解決方案。
1. 三維模型輸入
需要按實際模型,真實地輸入所設(shè)計結(jié)構(gòu)的梁、柱、支撐構(gòu)件,建立下部框架以及上部門式剛架的整體模型。除了梁、柱構(gòu)件外,支撐構(gòu)件(柱間支撐、屋面支撐)也需要準(zhǔn)確輸入。
對結(jié)構(gòu)樓面布置信息,下部框架的樓板(含組合樓蓋)輸入,按框架方式輸入,頂層輕型門式剛架屋面,當(dāng)采用壓型鋼板輕型屋面時,可以偏安全地把樓板厚度取為 0,不考慮樓板的作用。
2. 結(jié)構(gòu)分析計算
針對“框架+門式剛架”這種特殊的結(jié)構(gòu),新版 SATWE 增加了適應(yīng)這類結(jié)構(gòu)分析需要的一些特殊的輸入項。還要注意以下一些問題:
(1) 考慮到頂層門式剛架的壓型鋼板輕型屋面為非剛性樓面,門式剛架梁要按壓彎構(gòu)件設(shè)計,不能選取“對所有樓層強(qiáng)制采用剛性樓板假定”選項,否則屋面剛架梁將不能計算出軸力。
(2) 在特殊構(gòu)件中定義門式剛架梁和門式剛架柱、鉸接柱等信息。定義了門式剛架梁、門式剛架柱后,被定義的構(gòu)件將按照門規(guī)進(jìn)行驗算。
(3) 門式剛架風(fēng)荷載定義和組合
考慮頂層門式剛架的特殊風(fēng)荷載分布方式,風(fēng)荷載體型系數(shù)的選取,如果對整個結(jié)構(gòu)還在門規(guī)附錄 A 的適用范圍內(nèi),可按門規(guī)附錄 A 選取,對頂層門式剛架部分的風(fēng)荷載根據(jù)門式剛架規(guī)程的要求進(jìn)行特殊定義,否則按荷載規(guī)范進(jìn)行選取。
SATWE中提供5組特殊風(fēng)荷載的定義,對門式剛架結(jié)構(gòu)一般需要用到4組風(fēng)荷載: +X、-X、+Y、-Y方向風(fēng)荷載,依次稱為特殊風(fēng)1~4。在每一組中輸入相應(yīng)的節(jié)點、梁風(fēng)荷載和柱間風(fēng)荷載。屋面梁的風(fēng)吸力(或壓力)可以按梁間均布荷載輸入,向上為負(fù)。
定義門式剛架特殊風(fēng)荷載以后,要將此特殊風(fēng)荷載與下面框架程序自動計算的風(fēng)荷載組合,采用“自定義組合及工況”,考慮底部框架與上部門式剛架風(fēng)荷載的共同作用,修改特殊風(fēng)與“X 向風(fēng)”、“Y 向風(fēng)”的同時組合,即要手工修改組合為(以特殊風(fēng) 1 為例):
I. 1.2 恒+1.4X 向風(fēng)+1.4 特殊風(fēng) 1
II. 1.2 恒+1.4 活+0.84X 向風(fēng)+0.84 特殊風(fēng) 1
III.1.2 恒+0.98 活+1.4X 向風(fēng)+1.4 特殊風(fēng) 1
IV. 1.0 恒+1.4X 向風(fēng)+1.4 特殊風(fēng) 1
V. 1.0 恒+1.4 活+0.84X 向風(fēng)+0.84 特殊風(fēng) 1
VI. 1.0 恒+0.98 活+1.4X 向風(fēng)+1.4 特殊風(fēng) 1
PKPM 程序針對該類結(jié)構(gòu)的特點,默認(rèn)指定 4 組特殊風(fēng)荷載,并將與軟件的 X,Y 方向風(fēng)荷載同時考慮,自動按照規(guī)范要求修改組合值系數(shù)。
(4) 修改構(gòu)件的計算長度系數(shù)
SATWE 程序會自動按照有側(cè)移或無側(cè)移框架,根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范線剛度比方法,確定柱的計算長度系數(shù)。下部框架柱的計算長度系數(shù)一般可以直接采用程序按線剛度比的計算結(jié)果,頂層門式剛架的計算長度系數(shù)需要手工修改,剛架平面內(nèi)的門式剛架柱的計算長度系數(shù)確定方法可以簡化為頂層單榀門式剛架直接放在地上,采用二維門式剛架平面分析的方法確定,并根據(jù)下部結(jié)構(gòu)對上柱的約束進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。剛架柱、梁的平面外計算長度取法同二維平面分析,均采用平面外有效支撐的間距。
整體分析時必須考慮采用總剛分析方法。
四、計算結(jié)果分析
算例工程為 2 層結(jié)構(gòu),下部為采用等截面的梁柱工字形焊接截面,上部為變截面梁柱截面,跨度為 18m。采用壓型鋼板和混凝土組合樓蓋,壓型鋼板屋面、系桿和支撐連接,以及壓型鋼板輕型墻面。采用 SATWE 軟件分析這種門式剛架+框架組合結(jié)構(gòu)時,為對比,采用鋼規(guī)和門規(guī)分別計算。
計算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、地震周期基本相同,地震產(chǎn)生的構(gòu)件內(nèi)力基本相同,結(jié)構(gòu)在各工況下的位移也基本相同,這是因為結(jié)構(gòu)計算采用的計算方法和計算假定是一致的。但結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的效應(yīng)存在差異。采用門規(guī)計算時,考慮屋面風(fēng)荷載的吸力,根據(jù)特殊風(fēng)荷載作用計算,SATWE 軟件計算了特殊風(fēng)荷載的內(nèi)力工況,即工況 7~10(對應(yīng)特殊工況 1~4 作用下的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力),造成對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移在特殊風(fēng)荷載計算下的整體影響。
由于門式剛架輕型房屋對側(cè)向位移的要求相對較低,結(jié)構(gòu)在 X 方向最大層間位移角為 1/ 226,按門規(guī)能夠滿足要求(1/60),按鋼規(guī)多層框架的層間相對位移的限值為 1/400,即不能滿足要求。
如果上部結(jié)構(gòu)采用門規(guī)計算,其計算長度應(yīng)該采用門式剛架的計算方法,上柱的計算長度與采用鋼規(guī)的計算方法有差異,造成結(jié)構(gòu)的構(gòu)件驗算結(jié)果存在不同。同時,對屋面梁,由于門規(guī)要求對屋面梁進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定(考慮軸壓力)的計算,當(dāng)采用門規(guī)時,其平面內(nèi)的計算長度按照門規(guī)進(jìn)行計算輸入,平面外的計算長度可以根據(jù)屋面隅撐的間距進(jìn)行修改和輸入。
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