关于底框架上门式刚架结构的设计分析
摘要:根据底框架上门式刚架的结构特点，介绍了在实际工程中如何利用PKPM软件对该结构进行设计的过程，并提出该结构的整体设计方法。
关键词: 框架，门式刚架，整体设计，PKPM
Abstract: according to the bottom frame the door frame structure characteristics, this paper introduces how to use in a practical project of the structure of software PKPM design process, and puts forward the structure of the whole design method.
Keywords: framework, door frame, overall design, PKPM
1工程概况
随着工业经济的快速发展，越来越多的建筑采用下部为框架结构，而顶层为门式刚架轻的结构类型。
本工程实例为天津同安实业1#标准厂房，三层结构，下部为两层钢筋混凝土框架结构，柱距6m；顶层为轻型门式刚架结构，钢架跨度24m，焊接工字型钢柱、钢梁，以及压型钢板轻型屋面。
2结构特点及设计计算
该工程结构特点是框架结构和门式刚架结构的结合，下部结构由于功能需要，按钢筋混凝土框架结构进行设计，楼盖的刚度较大，上部结构只承担屋面的荷载，跨度大，荷载轻，为节省材料，按门式刚架的要求进行布置，采用支撑系统来满足结构的整体刚度，并采用压型钢板、檩条等作为屋面系统，屋盖的刚度相对较小。
对于这种结构，既要对下部框架与上部门式刚架的设计区别对待，又要考虑它们之间的相互作用，相互影响，需作为一个整体来分析计算。
2.1三维模型输入
按实际模型，真实地输入设计结构的梁、柱、支撑构件等所有受力构件，建立下部框架以及上部门式刚架的整体模型。
除了梁、柱外，支撑构件(柱间支撑、屋面支撑)也需要准确输入，这样整体分析时才能够准确计算结构的刚度，支撑可按照单拉杆件设计，对结构楼面布置信息，下部框架的楼板输入，按框架方式输入，顶层轻型门式刚架屋面，其刚度有刚架梁、屋面支撑系统、檩条、屋面板等共同组成，其平面内的刚度很难准确考虑，可以偏安全地忽略屋面板的刚度，把楼板厚度取为0，不考虑楼板的作用，将节点视为弹性节点，仅考虑刚架梁、屋面支撑系统的作用。
2.2结构设计依据的规范和规程
因是钢筋混凝土和钢结构的组合形式，设计中需要考虑的主要规范和规程包括：GB50009-2001（06年版）建筑结构荷载规范、GB50010-2010混凝土结构设计规范、GB50017-2003钢结构设计规范、GB50011-2010建筑抗震设计规范、GB5007-2002建筑地基基础设计规范、CECS102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程。
2.3结构分析计算
对于“框架+门式刚架”这种特殊的结构，用PKPM软件进行结构分析输入时，要注意下列一些问题：
1）屋面压型钢板轻型屋面为非刚性楼面，门式刚架梁要按压弯构件设计，不能采用对所有楼层强制采用刚性楼板假定，否则屋面刚架梁将不能计算出轴力。
2）在特殊构件中定义门式刚架梁、铰接柱等信息，被定义的构件将按照门规进行验算。
3）风荷载定义和组合：顶层门式刚架要考虑屋面的风吸力的影响，按门式刚架计算时，要考虑顶层门式刚架的特殊风荷载分布，风荷载体型系数的选取，对顶层门式刚架部分的风荷载根据门式刚架规程的要求进行特殊定义，否则按荷载规范选取。
对门式刚架结构一般用4种风荷载：+X，-X，+Y，-Y方向风荷载，依次称为特殊风荷载1~4。
每一组中输入相应的节点风荷载、梁风荷载和柱风荷载。
屋面梁的风吸力(或压力)按梁间均布荷载输入，向上为负。
定义门式刚架特殊风荷载以后，将此特殊风荷载与下面框架程序自动计算的风荷载组合，采用“自定义组合及工况”，考虑底部框架与上部门式刚架风荷载的共同作用，修改特殊风与“X向风” “Y向风”的同时组合，即要手工修改组合为(以特殊风1为例）：
Ⅰ:1.2恒+1.4X向风+1.4特殊风1
Ⅱ:1.2恒+1.4活+0.6*1.4X向风+0.6*1.4特殊风1
Ⅲ:1.2恒+0.7*1.4活+1.4X向风+1.4特殊风1
Ⅳ:1.0恒+1.4X向风+1.4特殊风1
Ⅴ:1.0恒+1.4活+0.6*1.4X向风+0.6*1.4特殊风1
Ⅵ:1.0恒+0.7*1.4活+1.4X向风+1.4特殊风1
PKPM软件中默认指定4组特殊风荷载，并将与软件的X、Y方向风荷载同时考虑，自动按照规范要求修改组合值系数。
4）结构整体控制和构件设计。
SATWE程序中会自动按照有侧移和无侧移框架，根据钢筋混凝土结构规范线刚度比方法，确定柱的计算长度系数。
下部框架柱的计算长度系数需要手工修改，刚架平面内门式刚架柱的计算长度系数确定方法可简化为顶层单榀门式刚架直接放在地上，采用二维门式刚架平面的方法确定，并根据下部结构对上柱的约束进行适当调整。
刚架柱、梁的平面外计算长度取法同二维平面分析，均采用平面外有效支撑的间距，整体分析时必须考虑采用总刚分析方法。
3计算结果分析
SATWE计算时，一般可按下述四轮结构计算法进行计算:
首先是计算前的处理，选择计算软件及设置计算初始条件、计算参数、特殊构件、特殊条件等；
接着进行第一轮计算，完成整体参数的合理设置，振型数量、最大地震方向、基本周期、结构类型等；
第二轮计算确定整体结构的科学性，周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、刚度比、剪重比、抗倾覆能力等；第三轮计算对结构构件做优化设计，内力、轴压比、超筋、挠度、裂缝等；第四轮计算满足规范抗震措施，满足最大配筋率、最小配筋率和配筋方式等。
对于框架结构部分按钢筋混凝土结构计算内容进行计算并输出计算结果。
钢筋混凝土框架部分内力计算后可进行施工图设计。
在完成SATWE或TAT三维分析，并查看结果都满足要求的前提下，就可以进入到STS的钢结构计算部分，计算出钢梁的内力、位移、稳定、变形等，并可进行钢结构部分的施工图设计和节点大样图。
对屋面梁，由于门规要求对屋面梁进行强度和稳定(考虑轴压力)的计算，其平面内的计算长度按照门规进行计算输入，平面外的计算长度可以根据屋面隅撑的间距进行修改和输入。
在SATWE计算结果中，对门式刚架梁进行强度和稳定计算。
需要注意，由于目前软件中不能考虑单拉杆件的计算，屋面支撑结构在结构整体分析是按拉压构件计算。
因此得到的应力为拉压杆件的结果。
4结语
对框架上门式刚架结构，PKPM软件提供了整体设计的方法，设计中应用软件时，应注意结构的性能和要求，合理运用软件提供的功能。
这种结构已经超过门规规定的适用范围，在实际应用中，必须考虑结构计算方法的合理应用范围。