關于底部框架-上部門式剛架結構體系的探討

葛小琿 中國成達工程有限公司 成都 610041

工業建筑和現代物流倉儲建筑時常會出現底部混凝土框架結構（或鋼框架）-上部門式剛架的結構體系，這種結構體系在現行國家規范中沒有相應的規定，進行結構設計時，在結構體系分析、指標控制及抗震措施等方面沒有相應的規范依據，往往需要進行專項研究和論證。下文僅針對這種結構體系的特點，對其整體性能和鞭梢效應的影響大小進行探討。

1 底框門剛結構體系與其他常用結構體系的對比

兩層工業及倉儲物流建筑通常采用如下八種結構體系：

（1）體系1：單層門式剛架，柱腳鉸接。

（2）體系2：單層門式剛架，柱腳剛接。

（3）體系3：一層為鋼框架結構，二層為門式剛架結構，門式剛架柱腳鉸接。

（5）體系5：一層為混凝土框架結構，二層為門式剛架結構，門式剛架柱腳鉸接。

（6）體系6：一層為混凝土框架結構，二層為門式剛架結構，門式剛架柱腳剛接。

（7）體系7：一層為混凝土框架-支撐結構，二層為門式剛架結構，門式剛架柱腳鉸接。

（8）體系8：一層為混凝土框架-支撐結構，二層為門式剛架結構，門式剛架柱腳剛接。

本文將針對一棟24 m×47 m的兩層倉儲庫房建筑，采用不同結構體系進行對比分析。

場地條件：7度（0.10 g），地震分組第三組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.45 s，基本風壓為0.3 kPa。建筑各層平面布置圖見圖1~圖3：

圖1 一層0.000標高平面布置圖

圖2 二層11.000標高平面布置圖

圖3 屋面23.000標高平面布置圖

上述建筑采用小震彈性進行分析，各個體系層間位移角應力比見表1、表2。

表1 柱腳鉸接情況各結構體系柱腳鉸接時的層間位移角及應力比

表2 各結構體系柱腳剛接時的層間位移角及應力比

從上述各體系的對比表格可以看出：

到2016年，全市一級河道Ⅴ類以上水體達到60%，二級河道Ⅴ類以上水體達到50%，顯著提升水生態環境質量。2014年清水河道行動計劃實施七大類1311項工程。截至6月27日,完工433項,完工率33.8%,開工在建388項。

（1） 當門式剛架柱腳鉸接時，在風荷載工況下，剛架位移及剛架應力比基本一致；在地震工況下，底部框架-上部門式剛架結構體系中的上部門式剛架的側向位移明顯大于單層門式剛架，上部門式剛架的鞭梢效應明顯，但門式剛架柱和剛架梁的應力比相差不大。

（2） 當門式剛架柱腳剛接時，在風荷載工況下，底部框架-上部門式剛架結構體系中的上部門式剛架的側向位移略大于單層門式剛架，隨著底部框架剛度的增加，上部門式剛架的側向位移稍有減少；在地震工況下，底部框架-上部門式剛架結構體系中的上部門式剛架的側向位移大于單層門式剛架，上部門式剛架的鞭梢效應明顯，門式剛架柱和剛架梁的應力比比單層門式剛架增加了約10%。

2 橫向荷載作用下結構的鞭梢效應與下部結構剛度的關系

從上面的試算可以看出：對于兩層的倉儲類結構，風荷載產生的鞭梢效應并不明顯，但在地震作用下，隨著下部結構體系剛度的變化，上部門式剛架的鞭梢效應出現了明顯的變化。為了明確下部結構剛度與上部門式剛架鞭梢效應的關系，本文針對不同的下部結構剛度進行了進一步的對比，同時增加了體系9~體系21的結構數據，以增大統計樣本。對比結果見表3：

表3 各結構體系柱腳剛接時的層間位移角及應力比

從表3可以看出： 第二層門式剛架的自振周期為0.5149 s，場地的特征周期為0.45 s。門式剛架的最大側向位移出現在下部結構自振周期介于0.5149 s和0.45 s之間時。初步判斷，當二層門式剛架的自振周期與下部結構自振周期接近，以及下部門式剛架的自振周期與場地的特征周期接近時，都會產生明顯的鞭梢效應。

由于表3中的示例，二層門式剛架的自振周期與場地的特征周期相近，無法判斷哪個因素對鞭梢效應的影響更大。本文再將門式剛架柱腳設置為鉸接，增大二層門式剛架的自振周期進行進一步分析，見表4。

表4 各結構體系柱腳鉸接且下部結構剛度變化時的周期及層間位移角

從表4可以看出：第二層門式剛架的自振周期為0.9444 s，場地的特征周期為0.45 s，當門式剛架柱腳鉸接時，基本規律與表3柱腳剛接一致。二層門式剛架的最大位移出現在下部結構自振周期為0.9037 s時，可以判斷：當二層門式剛架的自振周期與下部結構自振周期接近時，對鞭梢效應的增大作用更明顯。

同時對比表3、表4，鉸接柱腳的門式剛架的鞭梢效應沒有剛接柱腳的門式剛架對下部結構剛度變化敏感，但是由于其本身剛度較低，側向位移較大。剛度越大，門式剛架的鞭梢效應越明顯。

3 門式剛架結構的控制工況

本文中結構基本風壓為0.3 kPa，該風荷載為偏小的風壓值，本文逐漸提高地震荷載，研究主要情況下，二層門式剛架結構的控制荷載。柱腳鉸接情況見表5，柱腳剛接情況見表6。

表5 各結構體系柱腳鉸接時不同地震烈度情況下的二層層間位移角

表6 各結構體系柱腳剛接時不同地震烈度情況下的二層層間位移角

從表5可以看出，門式剛架柱腳鉸接情況下：單層門式剛架，風荷載為控制工況；二層結構，除下部結構自振周期與場地特征周期相近的情況外，其他情況下，風荷載基本為控制工況。

從表6可以看出，門式剛架柱腳剛接情況下：單層門式剛架，風荷載基本為控制工況；二層結構，地震烈度為7度及以下時，風荷載為控制工況；在高烈度時，上部門式剛架的鞭稍效應逐漸明顯，控制作用逐漸由風荷載作用變為地震荷載作用；地震烈度為9度時，地震荷載基本為控制工況。

4 結語

（1）此類結構體系在現行國家規范中沒有相應規定，但是在實際工程中卻時常運用，這就要求設計人員在工程設計中應特別注意這種結構體系的特殊性，特別是上部和下部兩種不同結構體系間的相互影響和力學假定的區別。下部框架結構一般為混凝土屋面符合剛性樓板假定，但是二層門式剛架大部分情況是輕鋼屋面，不能很好地實現剛性樓板假定，因此，建議此類結構采用三維空間計算和單榀排架計算包絡設計。

（2）兩層門式剛架結構，其下部結構的自振周期直接影響二層門式剛架的最大側移。二層門式剛架的最大側移發生在下部結構自振周期介于場地自振周期和二層門式剛架自振周期之間。當下部結構的自振周期與二層門式剛架自振周期接近時，結構的鞭梢效應最顯著。因此，在結構設計時，應盡量使結構自振周期遠離二層門式剛架的自振周期和場地的特征周期。

（3）二層門式剛架的剛度越大，鞭梢效應越明顯，構件的應力比越大。在進行結構設計時，應根據建筑不同的使用功能和結構工況，選擇合適的結構體系，而不是單純的選擇剛度大的結構或剛度小的結構。

（4）結構的鞭梢效應隨著二層門式剛架剛度的增加以及地震烈度的增加而增加。在中低烈度區，二層門式剛架控制工況基本為風荷載工況。在高烈度區進行兩層門式剛架設計時，則應特別注意結構的鞭梢效應。