玻璃厂“一层混凝土框架二层门式刚架”结构设计方法

陈荣欣

（中国建材国际工程集团有限公司，深圳518054）

玻璃厂压延生产主线的熔化、成形退火、切裁工段多为二层方案，其工艺布置方便合理，综合指标也较为经济，目前被众多玻璃厂所采用。这类厂房其结构形式多为一层采用钢筋混凝土框架，二层采用轻型门式刚架。以往这种厂房的结构设计，多是上下两层分开计算，将二层门式刚架的柱底内力，分别选择若干组合，以外加荷载的方式传给一层的钢筋混凝土结构（以下简称这种计算模式为“分层计算”）。近些年，随着结构计算程序的不断发展，对此类混合结构采用整体建模，三维分析的计算方法（以下简称这种计算模式为“整体计算”）也得到了逐步应用。后者在一定程度上体现了结构上下刚度的相互影响，同时可以较为完整的将上部刚架的柱底内力传至下部混凝土结构，比分层设计有了一些改进。目前国家还没有对这种结构形式制定规范或规程，实际工作中，如何参照相关规范，进行这种结构的设计，是一个值得探讨的课题。下面结合工程实例，以目前常用的，中国建筑科学研究院PKPM CAD系列结构设计软件（以下简称为PKPM）为平台，介绍此类结构整体建模的设计流程及技巧和一些特殊问题的处理方法，并对不同阻尼比下，不同模型的计算结果，进行对比分析，供设计人员参考。

1 三维整体设计流程及建模技巧

对于广大结构设计人员而言，利用PKPM进行混凝土框架结构设计是非常方便和熟练的。两层混合结构的三维整体建模过程及方法与前者略有不同，现分别介绍如下：

1.1 设计流程及建模路径

首先应明确此时建模要在PKPM的“钢结构STS模块”下进行。依次选择：钢结构→框架→“①三维建模与荷载输入”，这时就会出现与混凝土系列中PMCAD完全相同的菜单界面。在这个菜单下进行轴网布置、构件及荷载输入等项工作，即可完成两层混合结构整体模型的建立；然后进入“结构SATWE模块”，进行三维计算及分析，并完成首层混凝土部分的施工图设计；最后再返回“钢结构STS模块”，进行二层钢结构的节点及施工图设计。

1.2 建模技巧

对于一层混凝土框架的建模，大家早已是轻车熟路了。下面以图1二层门式刚架网格布置为例，介绍一些二层门式刚架建模中的技巧。

1）门式刚架坡屋面输入

二层轻型门式刚架坡屋面的输入，有很多种方法。笔者认为先将整个屋面的网格线标高调整到与实际工程坡度一致的情况，再输入屋面构件是比较方便的。图1中（双坡屋面，坡度1∶12，屋脊线节点5、6处的相对高度为15 000／12＝560mm），按通常方法输入刚架网格线后，进入“网格生成”菜单，依次进行如下操作：点开“上节点高”→屏幕会出现“设置上节点高”这个活动菜单，在“上节点高值”处输入560，点取屋脊处节点5（这样节点5处的上节点标高就变到了560mm）→选择“先指定三个点确定一个平面，然后选择要将上节点高调整到改平面上的节点”和“使用选择点的上节点高”两项内容，再在网格布置图中，分别选择节点1、2、5，再窗选节点1、2、5。这时此范围内各节点、各网格线的标高，都调整到了坡屋面的相应位置，另一面也做相同操作；再在网格线上布置屋面梁、刚性系杆、屋面支撑等构件，就可以完成坡屋面模型的建立了。

2）屋面支撑系统与柱间支撑的输入

首先要说的是，屋面檩条不作为空间结构的受力构件输入，只提供将屋面板上的荷载传至屋面梁的作用。屋面纵向水平系杆按梁定义并输入，同时在后面的SATWE中要定义为两端铰接。屋面水平支撑及柱间支撑均应以斜杆定义和输入，此时输入的斜杆两端默认为铰接。如图1，在A网格线处，直接布置斜杆，即屋面水平支撑；在B网格线的柱间支撑处，分别从节点a到b，再从节点b到a，布置两次斜杆，同时要根据提示，分别给出杆件的上下节点相对标高，这样就可将柱间支撑布置完成。

按照常用的建模方法，再结合上述技巧，就可以顺利的建立一个“一层混凝土框架＋二层门式刚架”厂房的三维计算模型。

2 风荷载输入及刚架柱平面内计算长度系数的确定

整体三维计算建模时，风荷载输入和刚架柱平面内计算长度的确定，与通常使用的方法有所不同。

2.1 风荷载输入

此类结构的风荷载输入，首先是在“①三维建模与荷载输入→设计参数→风荷载信息”中，给出了修正后的基本风压。由于二层门式刚架要考虑斜屋面风的吸力，就需要在“SATWE→①接PM生成SATWE数据→分析与设计参数补充定义→总信息”中，将风荷载计算信息由常用的“计算水平风荷载”，改为“计算特殊风荷载”，并在风荷载信息中输入正确的特殊风体型系数。再在“①接PM生成SATWE数据→特殊风荷载定义”中，分别输入刚架柱在＋X、－X、＋Y、－Y四个方向的风荷载及屋面梁上的风吸力。

2.2 刚架柱平面内计算长度系数的确定

底层混凝土框架杆件的计算长度系数，采用SATWE程序给出的结果即可。二层门式刚架柱平面内计算长度系数，要抽出一榀刚架形成PK，进入“门式刚架二维设计”中进行计算，按照此计算结果所确定的柱平面内计算长度，在SATWE的“修改构件计算长度系数”中做相应修改。特别值得一提的是，完成这项工作后，必须执行“生成SATWE数据文件及数据检查”，并选择“保留用户自定义的柱、梁、支撑长度系数”，这样修改后的数据才能得到保存和应用。

3 不同阻尼比、不同模型计算结果的分析比较

目前，这类结构“分层计算”和“整体计算”的受力分析方法都不是十分完善。分层计算时，应将各种工况下柱底处的相应荷载标准值，分别加在一层的框架上。即要分别计算出二层刚架恒荷载、活荷载、风荷载、吊车荷载等等，在柱底产生的轴力、剪力、弯矩标准值，再按工况分别布置到混凝土框架上，这是非常复杂繁琐的，实际工作中，几乎很少这样做。一般考虑二层刚架荷载较一层混凝土楼面荷载（包括结构自重、设备重和约20～30kN／m2的活荷载）小很多，所以都是根据门式刚架柱底内力的包络图，综合给出刚架柱底荷载，这样传递到一层框架的荷载就不太准确，再在二层门式刚架的受力分析时，也未考虑一层混凝土框架变形的影响。整体计算两种混合结构时，两种不同材料、不同结构体系的阻尼比不好确定；同时用三维空间模型，分析上部以横向排架受力模式为主的门式刚架是否合理，这些都是有待研究商榷的问题。下面仅以某玻璃厂切裁工段（地震设防烈度7度，0.1g，第一组；Ⅱ类场地土；X方向长105.75m，Y方向宽53m，柱距约8m×7.5m，柱底标高－0.600，一层混凝土框架顶标高6.200，二层门式刚架檐口标高10.700）为例，对两种计算模型不同阻尼比下的一些计算结果进行比较分析。

3.1 阻尼比对位移的影响

阻尼比是阻尼常数与临界阻尼常数的比值，表示了结构在受激振后振动的衰减形式。可以通过实测得到，是结构的地震作用和风荷载作用计算时必须考虑的影响参数（一般多层结构仅考虑地震作用的阻尼比影响）。国家在一些相关规范中分别给出了各类结构抗震计算时的阻尼比取值方法。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010），8.2.2条，“钢结构抗震计算的阻尼比宜符合下列规定：1、多遇地震下的计算，高度不大于50m时可取0.04；……3、在罕遇地震下的弹塑性分析，阻尼比可取0.05”；9.2.5条，“……单层（钢结构）厂房的阻尼比，可依据屋盖和围护墙的类型，取0.045～0.05”；现行国家标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（2012年版）（CECS 102：2002）3.1.6条，“门式刚架轻钢架轻型房屋钢结构的地震作用效应可采用底部剪力法分析确定。抗震验算时，结构的阻尼比可取0.05”。但对于这种混合结构的综合阻尼比，目前国内规范还没有给出具体规定，各设计院取值基本在0.03～0.04之间。表1是上述结构在不同阻尼比下，一层钢筋混凝土框架，地震作用下的最大层间位移角。它们均是结构的同一个点（左下角）。

表1

对比表格中的数据发现：1）“分层计算”模型与“整体计算”模型计算出的最大层间位移角不同，且X向、Y向变化趋势不一致，但均能满足规范1／550限值的要求；2）“整体计算”模型中，随着阻尼比的增大，一层混凝土框架的最大层间位移角越来越小，这与用阻尼比的概念分析是完全吻合的。

3.2 不同模型各阻尼比下一层框架配筋比较

如上所述，两种模型上部门式刚架的柱底传力计算方式是不同的，势必会影响到一层混凝土框架结构的受力分析结果。下面选择Y方向两根轴线上的两跨，对一层混凝土框架配筋计算结果进行比较。图2是“分层计算”模型的配筋结果，图3是“整体计算”模型不同阻尼比下的配筋结果（柱箍筋、柱角筋及中间非框架梁配筋，两种计算模型结果几乎一致，图中均未给出）。

从图2、图3对比可知：1）两种计算模型边柱纵筋相差较多，框架梁除边跨梁端箍筋略有差别（约10%左右）外，其余几乎没有差别；2）图3整体计算模型不同阻尼比下，只有边柱纵筋有略微的不同，其余配筋均未变化，说明阻尼比对一层混凝土框架配筋影响很小。

这里需要说明的是，两种计算模型在基础和二层门式刚架的计算结果中也有一些差异，这里不再详述。还有，以往这类工程采用“分层计算”时，考虑到上部荷载取值的不准确，并根据“强柱弱梁”的概念设计和实际工程经验，均对一层框架柱的截面和配筋进行了一定的加强处理。

4 结 语

一层钢筋混凝土框架二层轻型门式刚架，这种结构由两种材料组成，上下两层受力体系不同且刚度突变，对抗震不利，但由于能较好的适应工艺布置，造价较低，且二层门式刚架自重轻、延性好，具有良好的抗震性能，因此工业建筑中时常可见。结构设计中“分层计算”和“整体计算”两种方法均有使用。首先在计算时，前者要多选择几组门式刚架柱底荷载的工况，分别作为一层框架上的荷载进行输入，综合使用各个计算结果；后者要掌握好二层门式刚架风荷载和钢柱平面内计算长度的确定方法，提高计算的准确性；其次更要结合概念设计和以往所做的类似工程实例，对所做设计进行合理调整和适当加强，尤其是一层框架柱截面尺寸和配筋不能太小。最后建议在以后设计中，大家多对同一工程用以上两种计算方法分别计算，进行对比研究，为这类结构设计的规范化积累经验和资料。

［1］ 龙驭球，包世华，龙驭球，等.结构力学I—基本教程［M］.2版.北京：北京高等教育出版社，2006.

［2］ GB 50011—2010，建筑抗震设计规范［S］.

［3］ CECS 102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［S］.