摘要：帶夾層門式剛架是由門式剛架結(jié)構(gòu)和室內(nèi)框架平臺結(jié)構(gòu)衍生而來的一種新結(jié)構(gòu)形式，具有這兩者的優(yōu)點。在化工工業(yè)設(shè)計中相對其它單傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，因而深受設(shè)計方和投資方青睞，應(yīng)用也越來越廣泛。由于現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中并沒有對該類結(jié)構(gòu)設(shè)計做出明確歸定，不能完全照搬某單結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，對帶夾層門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行梳理和研究具有定的意義。本文結(jié)合工程實例，對帶夾層門式剛架設(shè)計方法進行了闡述，對結(jié)構(gòu)計算做出分析，提出部分關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)控制，對結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化給出了建議。

關(guān)鍵詞：帶夾層；門式剛架；結(jié)構(gòu)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TU27

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0422（2014）07-0207-03

1 引言

近20年來，我國鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)有了較大的發(fā)展。隨著社會工業(yè)的不斷發(fā)展，為滿足工藝更具靈活性的功能布置需求，出現(xiàn)了一些由傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)形式衍生出來的新結(jié)構(gòu)形式。帶夾層門式剛架就是其中的一種，它由普通門式剛架廠房和室內(nèi)框架平臺有機組合而成。

2 帶夾層門式剛架特點

輕型門式剛架廠房具有自重輕、跨度大、用鋼量低、抗震性能好、施工周期短、基礎(chǔ)造價低、后期工藝改造擴建方便、綜合經(jīng)濟性好等優(yōu)點。室內(nèi)框架平臺具有框架結(jié)構(gòu)的布置靈活性，能最大程度地滿足工藝布置要求。帶夾層門式剛架是兩者的有機結(jié)合汲取了兩者的長處，夾層部分可以給設(shè)備管道密集型廠房騰出更多空間，夾層以上可以擁有大空間布置大跨度吊車，充分利用廠房內(nèi)凈空，為生產(chǎn)操作提供便利，見圖1和圖2。

3 帶夾層門式剛架設(shè)計分析

3.1 工程概況

本工程為湖南某化工磷礦選礦工業(yè)主廠房，雙跨雙坡帶夾層門式剛架結(jié)構(gòu)，剛架柱腳為剛接；跨度分別為15m和12m；柱距為6m，共6x5=30m；檐口標(biāo)高為10.700m；剛架材質(zhì)采用Q235B鋼。見圖3。

抗震設(shè)防烈度：6度，設(shè)計地震分組第一組，設(shè)計基本地震加速度0.05g。

基本風(fēng)壓：0.50kN/m²；基本雪壓：0.70kN/m²。

輕型屋面、墻面均布恒載：0.3kN/m²。（其中屋面板、墻面板自重：0.15kN/m²。

輕型屋面均布活載：0.5kN/m²。

廠房內(nèi)設(shè)有兩臺梁式吊車，額定起重量均為5t；

式吊車最大輪壓P_max=35.0kN，最小輪壓P_min=5.0kN。

3.2 平面布置和方案選擇

廠房A～B軸設(shè)置磨礦和B～C軸設(shè)置浮選操作平臺，左側(cè)單層門架為設(shè)備維修區(qū)無平臺，方案一：磨礦、浮選設(shè)備基礎(chǔ)支架和操作平臺與廠房完全脫開，設(shè)備基礎(chǔ)支架直接落地、廠房按門式剛架、內(nèi)平臺按框架設(shè)計，概念清晰明了，結(jié)構(gòu)傳力直接，設(shè)計工作量小。方案二：僅設(shè)備基礎(chǔ)支架脫開，平臺與廠房剛架柱以及抗風(fēng)柱鉸接或剛接，平臺與廠房兩者結(jié)合。這樣形成了典型局部帶夾層門式剛架結(jié)構(gòu)。由于設(shè)備和管線較多又受廠房規(guī)模、征地面積等因素限制，若按方案一布置夾層以下空間將相當(dāng)擁擠；若減少一排柱子可以充分利用廠房內(nèi)凈空給生產(chǎn)操作帶來較大便利，最終選擇方案二。

3.3 模型建立

建模、節(jié)點設(shè)計以及結(jié)構(gòu)整體計算分析采用中國建筑科學(xué)研究院編制的鋼結(jié)構(gòu)CAD設(shè)計軟件-STS。經(jīng)多次計算分析調(diào)整優(yōu)化得到最終模型見圖5。

3.4 剛架和夾層設(shè)計

有觀點認(rèn)為局部帶夾層門式鋼架廠房應(yīng)將夾層段和非夾層段完全脫開，以便各自按照相應(yīng)規(guī)范進行設(shè)計，現(xiàn)實當(dāng)中由于工藝布置的需求這種問題很難規(guī)避。也有觀點認(rèn)為宜通過空間建模采取加強控制措施完全按鋼框架設(shè)計直至達到《鋼規(guī)》和《抗規(guī)》諸多相關(guān)參數(shù)指標(biāo)方可，而實際工程當(dāng)中即使將構(gòu)件截面做到很大也還是很難滿足，“以剛克剛”并不是最優(yōu)解決辦法。本文認(rèn)為應(yīng)根據(jù)實際情況分析問題，門式剛架橫向由剛架自身剛度抵抗側(cè)移，縱向各榀剛架通過兩端鉸接剛性系桿傳力，由柱間支撐吸收水平力將其傳至基礎(chǔ)。夾層段和非夾層段存在較大結(jié)構(gòu)差異，但夾層段與非夾層段通過兩端鉸接剛性系桿連接屬于柔性連接，一般情況下應(yīng)允許其比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼框架結(jié)構(gòu)等具有更寬松的變形差異。另外設(shè)計可以通過對夾層段加以干預(yù)，增設(shè)柱間支撐、斜撐甚至樓面水平支撐未控制夾層段的變形量，達到變形協(xié)調(diào)。夾層段與非夾層段連接處圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計宜考慮一定的伸縮變形或允許在一定烈度地震作用下有輕微變形損壞。

設(shè)計方法：建立空間整體模型；夾層部分包括平臺梁、柱以及位于夾層的剛架柱部分，夾層部分按鋼框架設(shè)計，構(gòu)件可按照《鋼規(guī)》控制；其它則類似外殼具有較明顯的門式剛架受力特性屬于門式剛架部分，可按原空間整體模型計算，再輔以單榀剛架計算復(fù)核，構(gòu)件按《門規(guī)》控制；夾層部分還應(yīng)按《抗規(guī)》控制，滿足相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，夾層段宜按《抗規(guī)》控制，宜滿足相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，非夾層段和夾層段組成的結(jié)構(gòu)整體可適當(dāng)放寬，盡量做到整體變形協(xié)調(diào)。對于非夾層段以及門式剛架受力特性比較明顯的部分，當(dāng)由抗震控制結(jié)構(gòu)設(shè)計時，尚應(yīng)采取抗震構(gòu)造措施。另外配筋計算信息顯示構(gòu)件超筋時只要滿足相應(yīng)規(guī)范限值則可認(rèn)為構(gòu)件驗算滿足。剛架也可以直接按傳統(tǒng)二維建模設(shè)計但是需添加夾層梁傳遞的豎向力和水平力。水平力一般較小，縱向水平力可通過就近的柱間支撐吸收，門式剛架柱所在夾層部分宜布置柱間支撐，就近吸收框架平臺縱向水平力將其傳至基礎(chǔ)。夾層內(nèi)部框架平臺可通過設(shè)置柱間支撐或者角撐來增加側(cè)移剛度達到控制側(cè)移變形。

3.5 抗風(fēng)柱設(shè)計

抗風(fēng)柱通常宜將下端設(shè)置成與基礎(chǔ)鉸接，柱上端設(shè)計成不承受上部剛架傳遞的豎向荷載，只承受風(fēng)荷載和壓型鋼板山墻重力荷載。一般情況后者荷載很小基本可以忽略，因而抗風(fēng)柱實際與梁的受力特性相似，屬壓彎構(gòu)件或純彎構(gòu)件，可按相關(guān)梁的控制參數(shù)設(shè)計，宜滿足受壓構(gòu)件長細比限值。這樣抗風(fēng)柱截面可以做到很經(jīng)濟。因為剪力和豎向力較小又無彎矩，抗風(fēng)柱基礎(chǔ)也可以做的比較輕巧。夾層段設(shè)置在端部時，平臺梁與抗風(fēng)柱宜鉸接，夾層荷載較大時抗風(fēng)柱與基礎(chǔ)宜設(shè)置成剛接，橫向宜設(shè)置抗風(fēng)柱間支撐。

3.6 優(yōu)化設(shè)計

對于結(jié)構(gòu)整體而言，土建專業(yè)宜早參與方案設(shè)計，和工藝專業(yè)溝通好一起確定合理科學(xué)的建筑結(jié)構(gòu)布置方案。在工藝允許的前提下，盡量采用受力簡單明確平立面規(guī)整、抗震性能好的結(jié)構(gòu)方案。大型生產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)或支架宜布置在一樓地面，設(shè)備基礎(chǔ)與平臺以及廠房宜脫開，盡量避免大型設(shè)備上樓面，如不能避開也可以考慮大型設(shè)備平臺與廠房脫開，以利于廠房的輕型化設(shè)計。

對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，從安全、經(jīng)濟、優(yōu)化設(shè)計的角度講，剛架、抗風(fēng)柱以及夾層的設(shè)計在整個廠房設(shè)計當(dāng)中起決定性作用。按以下控制參數(shù)調(diào)整構(gòu)件截面可至最優(yōu)化。

各控制參數(shù)見表1。

3.7 結(jié)構(gòu)計算分析

電算結(jié)果鋼構(gòu)件驗算簡圖中門剛柱特別是夾層以上大多顯示F3超限以及長細比超限，諸 如R^x=95.1；R^y=245.7；R^md=245.68>R^mdmax=；150.00。這里F1表示鋼構(gòu)件的正截面強度驗算應(yīng)力，F(xiàn)2表示鋼構(gòu)件的平面內(nèi)穩(wěn)定驗算應(yīng)力，F(xiàn)3表示鋼構(gòu)件的平面外穩(wěn)定驗算應(yīng)力。分析得出只有平面外穩(wěn)定應(yīng)力以及平外長細比超限，一般情況剛性系桿對剛架柱有一定平面外支撐作用，其平面外長細比以及穩(wěn)定可由設(shè)置的剛性系桿來保證，設(shè)計可結(jié)合《鋼規(guī)》附錄D和實際剛性系干設(shè)置情況定義平面外計算長度，再驗算則較容易滿足通過。相同的道理，剛架梁以及平臺框架梁也可以根據(jù)實際情況定義平面外計算長度，驗算平面外穩(wěn)定應(yīng)力。平臺柱平面外穩(wěn)定應(yīng)力以及平外長細比超限時，可通過增大柱平面外剛度、增大平面外與其相連平臺梁剛度、增設(shè)層間梁和柱間支撐或者考慮將柱強軸調(diào)整布置在原平面外方向以及增大柱截面等方法進行調(diào)整。

設(shè)計也可以分別抽取各榀剛架單獨驗算分析，讀取風(fēng)荷載，吊車荷載等再進行復(fù)核計算，對基礎(chǔ)承載力、剛架梁柱的強度穩(wěn)定應(yīng)力比、梁撓度和柱位移等計算結(jié)果做出分析。得出結(jié)果和空間建模分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié)語

帶夾層門式剛架結(jié)構(gòu)在化工工業(yè)設(shè)計中相對其它單一結(jié)構(gòu)形式具有較明顯的優(yōu)勢，由于現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中并沒有對該類結(jié)構(gòu)設(shè)計做出明確歸定，不能完全照搬某單一結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。設(shè)計應(yīng)結(jié)合帶夾層門式剛架自身的特點，分析結(jié)構(gòu)各部分受力機理，并綜合考慮各部分相互作用進行整體分析，參照相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范科學(xué)合理設(shè)計。