晉娟茹 夏緒勇
(中國建筑科學研究院,北京100013)
門式剛架結構是鋼結構設計中應用廣泛、成熟的結構形式,在實際工程中有些門式剛架結構,按照建筑設計、使用功能等方面的需求,在局部設置夾層,夾層通常設置在剛架端榀、剛架縱向等位置,下圖為某工程實例的整體模型圖。
圖1 某帶夾層的門式剛架結構工程
由于設置了夾層,所以這類結構與常規(guī)的門式剛架廠房結構設計存在差異,下面詳細介紹帶夾層門式剛架結構的設計方法以及PKPM系列軟件中帶夾層門式剛架結構的設計功能。
帶夾層的門式剛架結構,剛架縱向設置的夾層梁,與主剛架柱的連接,可以鉸接,也可以剛接,不同的連接方式,會影響整個結構分析方法的確定。
當縱向夾層梁與剛架柱剛接連接時,連接位置的剛架柱雙向受彎,夾層區(qū)域形成了真正的三維框架體系,此時需要使用三維有限元分析方法實現(xiàn)結構的整體分析。
當縱向夾層梁與剛架柱鉸接連接時,縱向水平力完全由支撐承擔,而且橫向每榀的剛度比較均勻,結構具有清晰的荷載傳導途徑,豎向荷載、橫向荷載(橫向風荷載、吊車橫向水平荷載、橫向地震力等)主要由門式剛架承擔,縱向水平荷載(山墻風荷載、吊車縱向剎車力、縱向地震力)主要由縱向支撐所在立面承擔。此時建議,橫向剛架、縱向支撐系統(tǒng)分別采用二維建模計算的方法。
PKPM軟件是目前國內應用廣泛的結構設計軟件,能完成一體化的結構設計,包括模型輸入、結構分析設計、構件驗算、整體施工詳圖設計等,軟件提供了帶夾層門式剛架結構設計的解決方案和實現(xiàn)方法,下面主要介紹軟件使用三維設計方法和二維設計方法實現(xiàn)帶夾層門架結構的設計功能。
執(zhí)行PKPM系列軟件-鋼結構設計軟件STS中框架“三維模型與荷載輸入”,完成帶夾層門架結構的建模輸入和荷載布置。三維建模的方法是層模型方式,即將模型分為多個結構層,分別建立模型并布置荷載,然后通過樓層組裝方式完成整體模型的建立。
在夾層門架結構三維建模時,需特殊注意以下幾點:
(1)一般夾層位置單獨作為一個層輸入,方便輸入夾層構件和荷載;
(2)坡屋面可以通過軟件提供的上節(jié)點高、柱頂標高等方式實現(xiàn);
(3)屋面支撐、柱間支撐在模型輸入時作為斜桿輸入。
PKPM系列應用廣泛的有兩套三維分析設計軟件,即SATWE和PMSAP,軟件自動化程度高,通過人機交互方式設置計算參數(shù),能自動完成結構分析設計,并提供文本、圖形方式的計算結果供使用者查看分析結果。
夾層門架結構三維分析設計要點:
(1)特殊構件設置
對鋼構件,軟件缺省采用《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003(下面簡稱鋼規(guī))進行構件設計和驗算。對變截面的斜梁,建議使用《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS 102:2002(下面簡稱門規(guī))設計和驗算。軟件實現(xiàn):通過特殊梁“門架梁”的設置,交互指定門式剛架梁,在結構分析和構件時,對指定該屬性的構件,將按照門規(guī)進行設計和驗算。
(2)特殊風荷載定義
門式剛架結構自重輕,屬于對風荷載比較敏感的結構,而三維分析軟件缺省的風荷載是軟件自動搜索外圍擋風面,根據(jù)用戶指定的基本風壓作用風荷載。但是對于坡屋面的門式剛架結構,屋面的風荷載對結構分析影響比較大,不容忽略,軟件提供了特殊風荷載的定義,幫助完成坡屋面風荷載的布置。SATWE和PMSAP軟件都提供考慮特殊風的相關信息,使用者通過交互設置,可方便完成。
圖2 三維建模第一、二層模型
(3)計算結果查看
通過“各荷載工況下結構變形圖”的查看,輔助判斷整個結構受力是否合理。帶夾層門架結構分析時,可能出現(xiàn)局部振動的現(xiàn)象,通過分析用戶實例工程總結,導致該現(xiàn)象最大的可能是模型中抗側系統(tǒng)的抗側能力差,應通過設置屋面支撐、柱間支撐來保證整個結構的變形協(xié)調。
結構分析完成,并確保滿足設計要求后,通過STS軟件的三維框架節(jié)點設計功能,能快速完成整個結構中各連接的節(jié)點設計和節(jié)點、構件施工詳圖的繪制。
軟件自動設計時,夾層梁與剛架柱的連接按照框架連接方式(栓焊)實現(xiàn),屋面剛架梁與柱的連接按照門架連接方式(端板)實現(xiàn),見圖4。
圖3 SATWE特殊風荷載定義
圖4 STS軟件鋼框架連接設計結果
STS軟件能實現(xiàn)帶夾層門架結構的二維設計。縱向榀的分析主要完成縱向支撐系統(tǒng)的分析,通過軟件自動分析完成;橫向榀的分析完成主剛架的分析。實際工程中存在主剛架榀設置夾層的情況,下面主要介紹STS軟件針對設置夾層的主剛架的設計功能。
軟件能實現(xiàn)門式剛架帶夾層結構的模型建立,包括快速建立夾層模型、交互設置夾層梁、夾層梁荷載布置等。
對規(guī)則的門式剛架結構,軟件提供快速建模方法建立模型,通過人機交互方式輸入工程相關信息,由軟件自動建立工程模型。快速建??梢酝瓿伤姆N形式夾層的建立,在設計信息設置時,能指定夾層梁上的荷載值。當夾層形式超過快速建模的范圍時,可以通過交互方式完成模型的建立。
軟件在梁布置時,提供交互指定夾層梁的功能,方便夾層梁的設計,包括荷載布置、撓跨比控制、節(jié)點連接設計等。
建模階段注意問題:
(1)軟件快速建模生成的截面,并不是滿足設計要求的截面,而是軟件根據(jù)模型尺寸給出的初始截面,設計人員需要根據(jù)結構分析及驗算結果判斷截面尺寸的合理性;
(2)當快速建模提供的夾層形式不能滿足需求時,可以采用交互建模方式,通過建立網(wǎng)格線、布置構件、布置荷載的方式完成模型的建立;也可以采用快速建模和交互建模結合的方式完成模型輸入,如剛架部分用快速建模,夾層部分用交互建模,見圖5所示。
在二維計算分析時,使用者在計算參數(shù)設置時,可以選擇驗算規(guī)范,并且單根構件的驗算規(guī)范也可以交互修改。當計算信息設置完成后,軟件自動按照用戶的設置完成結構的內力分析和構件驗算。
結構分析設計要點:
對于帶夾層的門式剛架結構,如果選擇按照門規(guī)來驗算和控制,軟件將按照門規(guī)的方法確定剛架柱的計算長度系數(shù),這時是無法考慮夾層梁對剛架柱的約束作用,因此建議,對于與夾層梁相連的柱的計算長度的確定方法,可以參考鋼規(guī)線剛度比方法的計算結果。使用STS軟件的計算過程為:
(1)計算參數(shù)設置:門式剛架類型;按鋼規(guī)驗算;有側移框架;其他控制參數(shù)可以按門規(guī)要求輸入;
(2)修改構件的驗算規(guī)范,與夾層相連的柱、夾層梁建議設計規(guī)范指定為鋼規(guī),輕鋼屋面梁驗算規(guī)范指定為門規(guī)。
再進行結構計算時,計算長度確定就是按總體計算參數(shù)中的鋼規(guī)線剛度比方法確定計算長度,總體控制按門規(guī)控制,夾層部分構件按鋼規(guī)校核,輕鋼屋面按門規(guī)校核。
軟件能自動完成夾層梁柱的連接設計和施工詳圖繪制。
通過交互定義設計參數(shù)的方式,完成節(jié)點設計信息的設置(見圖6),針對夾層梁與剛架柱(圖7)的連接,提供門架連接(端板連接)和框架連接(栓焊連接)兩種方式。參數(shù)確定后,軟件能自動完成模型中各連接位置的節(jié)點設計,最終完成整體施工圖的繪制。
節(jié)點設計階段注意問題:
(1)軟件缺省按照框架連接方式進行夾層梁柱節(jié)點的設計,用戶可以通過連接參數(shù)修改;當沒有選擇采用框架連接時,即使模型中定義了夾層梁信息,在節(jié)點設計階段也會按照門架式的連接處理;
(2)節(jié)點連接的鉸接、剛接信息是接力模型中的設置,在節(jié)點設計計算不能修改,只能交互確定節(jié)點連接方式。
文章分析了帶夾層門式剛架結構的常用設計方法,并從模型輸入、結構分析與構件驗算、節(jié)點設計和施工詳圖繪制等方面詳細介紹了PKPM系列軟件針對帶夾層門架的設計功能,以及各階段的設計要點,供設計人員參考。
圖7 某帶夾層門式剛架工程施工圖
[1]門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程(CECS 102:2002).北京:中國計劃出版社,2003.3
[2]鋼結構設計規(guī)范(GB50017-2003).北京:中國計劃出版社,2003.10
[3]建筑結構荷載規(guī)范(GB50009-2012).北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.9
[4]鋼結構CAD軟件STS用戶手冊,2013.10
[5]鋼結構CAD軟件STS技術條件,2013.10
[6]鋼結構軟件STS應用講解,2013.10
[7]多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件SATWE 用戶手冊,2013.10
[8]復雜多、高層建筑結構分析與設計軟件PMSAP用戶手冊,2013.10
[9]PKPM多高層結構計算軟件應用指南,中國建筑工業(yè)出版社,2010.6
[10]預制輕鋼建筑系統(tǒng)實用手冊,同濟大學出版社,2013.5