輕鋼廠房?jī)?nèi)帶夾層框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法

王　廠, 殷素芳

(1. 信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司, 陜西西安 710100;2.西北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 陜西西安 710075)

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輕鋼廠房?jī)?nèi)帶夾層框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法

王廠1, 殷素芳2

(1. 信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司, 陜西西安 710100;2.西北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 陜西西安 710075)

【摘要】輕鋼廠房?jī)?nèi)帶局部夾層在工程設(shè)計(jì)中很普遍，工程界對(duì)此類工程的討論研究也很多，很難形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法。并且由于局部鋼框架夾層和輕鋼房屋連在一起，設(shè)計(jì)時(shí)存在設(shè)計(jì)規(guī)范混用的問(wèn)題。文章結(jié)合一個(gè)具體工程實(shí)例，給出如何正確應(yīng)用相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)此類混合鋼結(jié)構(gòu)房屋，并結(jié)合規(guī)范相關(guān)規(guī)定對(duì)比輕鋼結(jié)構(gòu)和鋼框架設(shè)計(jì)的異同點(diǎn)，最后給出設(shè)計(jì)此類混合房屋應(yīng)注意的相關(guān)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】輕鋼房屋;鋼框架;夾層;抗震設(shè)計(jì)

1問(wèn)題的提出

輕鋼廠房?jī)?nèi)帶夾層框架結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際工程中應(yīng)用越來(lái)越廣。目前輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋遵循的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《門規(guī)》)。《門規(guī)》第1.0.2條指出“本規(guī)范適用于主要承重結(jié)構(gòu)為單跨或多跨實(shí)腹門式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無(wú)橋式吊車或有起重量不大于20t的A1～A5工作級(jí)別橋式吊車或3t懸掛式起重機(jī)的單層房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作和安裝。”條文說(shuō)明增加一條，指出“當(dāng)多層建筑的頂層為門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，其設(shè)計(jì)、制作、安裝可參照本規(guī)程執(zhí)行。[1]”，《門規(guī)》并未給出輕鋼廠房?jī)?nèi)帶夾層框架結(jié)構(gòu)體系的具體設(shè)計(jì)方法。輕鋼結(jié)構(gòu)帶框架屬于混合結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計(jì)也存在著規(guī)范混用的問(wèn)題。鋼框架夾層可按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《鋼規(guī)》)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)設(shè)計(jì)，輕鋼單層廠房的抗震設(shè)計(jì)在《門規(guī)》中給出了一些原則性抗震措施，《抗規(guī)》第9.2.1條指出“單層的輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)符合專門的規(guī)定。[2]”，因此，抗震規(guī)范不包括輕型門鋼廠房的設(shè)計(jì)。

輕鋼房屋在7度及以下一般不受地震控制，而混合結(jié)構(gòu)在地震作用下，荷載較大的框架會(huì)影響輕鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)輕鋼廠房是不利的；抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，輕鋼對(duì)風(fēng)荷載比較敏感，但鋼框架夾層可對(duì)輕鋼房屋起到支撐作用，是有利的。

工程中常見的是與輕鋼廠房柱相連接的局部夾層房屋，且局部夾層面積相對(duì)較小的內(nèi)置輕型辦公室，荷載較大的工業(yè)平臺(tái)一般與廠房脫開。

2相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題的分析

2.1平面或三維空間計(jì)算模型的選取

隨著計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序的發(fā)展，現(xiàn)在大部分房屋設(shè)計(jì)采用三維計(jì)算模型。但在輕鋼結(jié)構(gòu)房屋為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可采用平面計(jì)算模型，參照《抗規(guī)》第9.2.7條“平面規(guī)則、抗側(cè)剛度均勻的輕型屋蓋廠房，可按平面框架進(jìn)行計(jì)算。”因此在帶夾層的輕鋼廠房中，如果每榀框架抗側(cè)剛度基本相同，且結(jié)構(gòu)布置較規(guī)則，則可選幾榀有代表性的框架進(jìn)行計(jì)算，否則應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體三維空間計(jì)算。尤其對(duì)帶有縱向支撐的屋面或有較大混凝土樓板面積的房屋，因帶縱向支撐屋面(或混凝土樓面)將各榀框架綁定在一起整體工作，各抗側(cè)構(gòu)件在地震作用下相互影響，宜采用三維空間計(jì)算模型分析。

2.2夾層占總面積的大小對(duì)設(shè)計(jì)的影響

在風(fēng)荷載作用下，帶夾層框架的輕鋼廠房其底部框架對(duì)輕鋼廠房的剛架有支撐作用，對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度有利。在地震作用下，兩種不同的結(jié)構(gòu)體系連在一起，輕鋼結(jié)構(gòu)屋面荷載輕，地震作用小，夾層框架樓面荷載大，對(duì)地震作用敏感，反映強(qiáng)烈，因此底部夾層面積越大、越不規(guī)則，對(duì)上部輕鋼結(jié)構(gòu)越不利。因此，對(duì)于鋼框架夾層面積較大的混合鋼結(jié)構(gòu)房屋建議采用整體建模考慮互相作用，得到可靠的計(jì)算結(jié)果。

2.3輕鋼結(jié)構(gòu)廠房和鋼框架夾層非抗震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

非抗震設(shè)計(jì)房屋承受豎向荷載和水平風(fēng)荷載，設(shè)計(jì)采用彈性設(shè)計(jì)方法。一般鋼結(jié)構(gòu)房屋和輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋非抗震設(shè)計(jì)均應(yīng)遵循《鋼規(guī)》的基本設(shè)計(jì)原理，在荷載效應(yīng)計(jì)算、構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法上基本相同[3]。但輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋由于采用輕鋼屋面，豎向荷載比較小，吊車噸位也不大，往往是風(fēng)荷載或雪荷載起控制作用，因此從節(jié)省鋼量的角度可將實(shí)腹梁柱的翼緣做的窄，靠隅撐來(lái)減小受壓翼緣的計(jì)算長(zhǎng)度，腹板做得薄而高以增加抗彎能力，并利用腹板屈曲后強(qiáng)度，為適應(yīng)彎矩圖采用楔形截面等措施。輕鋼廠房的變形(側(cè)移和撓度)控制要遠(yuǎn)松于鋼框架房屋。

2.4輕鋼結(jié)構(gòu)廠房和鋼框架夾層抗震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

3工程應(yīng)用

3.1工程概況

某單層輕鋼廠房局部帶辦公樓夾層(圖1)，在B～D軸之間有局部”L”形夾層，夾層高度3.50m，廠房檐口高度7.0m。屋面采用輕質(zhì)材料(壓型鋼板加保溫棉)，屋面恒荷載取0.15kN/m2,外加0.15kN/m2(燈具吊掛)和0.30kN/m2(辦公區(qū)域上有吊頂)的附加荷載，屋面活載取0.30(對(duì)剛架)km/m2/0.50(對(duì)檁條)kN/m2。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，場(chǎng)地分類為Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。基本風(fēng)壓0.85kN/m2，地面粗糙度類別為B類， 基本雪壓0.25kN/m2(按荷載規(guī)范對(duì)雪敏感的輕鋼建筑房屋取100a雪壓)。夾層作為辦公用房，其樓面活載為2.00kN/m2，夾層上的隔斷為輕質(zhì)隔墻。鋼框架夾層及剛架鋼材均采用Q345B。

圖1　結(jié)構(gòu)平面布置

3.2建立計(jì)算模型

采用PKPM系列軟件進(jìn)行建模分析。由于鋼框架夾層為L(zhǎng)形不規(guī)則布置，剛架邊列柱與夾層相連為一體，屬于帶不規(guī)則夾層的混合門式剛架房屋，且夾層面積占到總面積的30 %以上，屬于夾層面積較大結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用三維空間整體建模分析，并在4～10軸之間選取一榀抗側(cè)剛度較弱的橫向剛架做平面分析。不與框架相連的邊柱(A排)采用H(300～500)×200×5×8的變截面柱(柱腳鉸接)，中柱(B排)采用等截面柱H300×250×5×10(柱腳鉸接)，夾層部分柱均采用等截面柱H400×250×10×12，屋面梁采用適應(yīng)大跨彎矩的薄腹變截面梁。

3.3設(shè)計(jì)方法

在地震區(qū)，夾層較重，辦公夾層的地震力直接傳給剛架柱，對(duì)剛架柱的受力極為不利，在夾層四周設(shè)置柱間支撐，將夾層地震力直接通過(guò)支撐傳給基礎(chǔ)，以減小對(duì)輕鋼房屋的影響。考慮屋蓋的整體性在有夾層的屋蓋上設(shè)置局部縱向水平支撐，以協(xié)調(diào)各榀剛架的側(cè)移。

經(jīng)計(jì)算在風(fēng)荷載作用下剛架柱頂側(cè)移均在1/2 000以下，說(shuō)明雖然風(fēng)荷載很大，但夾層框架對(duì)廠房的剛度貢獻(xiàn)很大。剛架和框架的強(qiáng)度和穩(wěn)定應(yīng)力比均在0.90以下，屋面梁在A～B之間的撓度為1/180，在C～D之間即夾層上屋面梁的撓度為1/400，均符合《門規(guī)》要求。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)工程和規(guī)范的總結(jié)分析得出：有條件情況下，宜在混合房屋的鋼框架夾層周邊和中部設(shè)置柱間支撐，將地震作用直接傳給基礎(chǔ)，以減小對(duì)門剛廠房的影響，此時(shí)輕型門鋼廠房仍可按《門規(guī)》相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)；如果底部空間不具備設(shè)置夾層柱間支撐的條件，則廠房剛架受夾層框架地震作用影響大，往往是地震作用控制門剛廠房的設(shè)計(jì)，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行地震作用驗(yàn)算，并按照《門規(guī)》第3.1.4條文說(shuō)明的抗震措施從嚴(yán)控制門剛廠房設(shè)計(jì)指標(biāo)。建議內(nèi)帶不規(guī)則的夾層框架或夾層荷載較大的門剛廠房，盡量在鋼框架夾層周邊或中部設(shè)置柱間支撐，以降低夾層地震作用對(duì)門剛結(jié)構(gòu)的不利影響。

參考文獻(xiàn)

[1]CECS102:2002 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 2012.

[2]GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【中圖分類號(hào)】TU392.1; TU352.11

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2016-01-20