田文亚
北京矿冶科技集团有限公司 北京 100160
摘要：格构柱门式刚架结构是利用格构柱替换普通等截面柱的一种门式刚架。本文的讨论基于该结构形式在一个跨度为21m，吊车为Q=25/5t 重级工作制（A6）结构中的工程应用。作为一种以平面受力为主的结构形式，文中阐述了其结构布置和设计的一般原则和要点。
关键词：格构柱 肩梁 柱间支撑 门式钢架 吊车梁
1结构体系的衍生
随着房屋建筑行业的发展，门式刚架轻型房屋结构的发展越来越迅速，并逐渐在技术领域有所突破。门式刚架结构由其横梁和柱刚结而协调工作，使得横梁的跨中弯矩和挠度大幅下降，因而其跨越能力较简支梁大大增加。但是目前门式刚架基本采用以H型钢为主的实腹式构件，刚架抗弯刚度较小，因而制约了其跨越能力的进步提高。由于格构柱属于压弯构件，多用于厂房框架柱和独立柱，优点在于能节约材料，抗压弯刚度大。如果将H型钢实腹柱换成格构柱，其跨越能力和承受吊车荷载的能力将大幅 提高。
本文主要结合格构柱门式刚架结构在一实际工程中的应用，对其结构合理布置、设计原则和要点进行分析，并提出了一些结论。从实际工程应用的效果看，该结构体系受力性能良好，不仅满足建筑设计的要求，而且技术经济指标较低，值得推广。
2.工程应用背景
本期工程为珠拉金矿已废弃石再回收贵金属工程的其中一个子项，子项名称为汽车维修车间。根据建筑和工艺的要求，主体结构纵向轴线距离长93m，其中第四跨跨度为9m，其余跨度全为12m。跨度方向最大轴线距离为21m，内部不允许设置支撑柱。设置吊车Q=25/5t 重级工作制（A6）。
3.设计的基本原则和要点
本工程以格构柱门式刚架作为结构主要受力系统，用于承受竖向荷载和竖向地震作用，同时也作为结构抵抗横向水平地震作用的抗侧力体系。厂房柱采用上柱为H型钢，下柱为格构柱的阶型柱，梁采用焊接H型变截面，柱脚采用插入式刚接节点。具体的刚架形式和计算简图见下图。
3.1基础设计
本工程基础采用插入式基础。格构柱柱脚的埋入深度应由计算确定。其最小插入深度不得小于单肢截面高度的2.5倍且不得小于柱总宽度的0.5倍。双肢柱插入杯口基础深度满足《建筑地基基础设计规范》表8.2.4-1和表8.2.4-2的要求。
3.2.刚架主体结构的计算
刚架主体结构即刚架柱、梁采用PKPM的STS模块进行平面建模、平面导荷。也可以进行刚架的空间三维建模，并采用平面的切榀形成横向平面刚架或者纵向平面刚架，但最终采用平面刚架的计算结果。
对于本图带重型吊车的门式刚架，其风荷载体型系数μs，本工程考虑到按《荷载规范》取值比按《门式结构规程》的取值大，弯矩组合值也大，故按照《荷载规范》取值，使结构偏于安全。鉴于本厂房吊车起重量大，厂房高大的特点，不适用于《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015。设计中采用《建筑抗震设计规范》GB50011-2010，《钢结构设计规范》GB50017-2003中的指标控制。计算控制指标的要求如下：主平面的应力比宜控制住0.90内，钢柱的应力比宜控制在0.95内。刚架柱的长细比以120控制，刚架梁以200控制。柱顶水平位移控制在H/400(H为自基础顶面至柱顶的总高度)，厂房柱的纵向位移要满足容许值Hc/4000(其中Hc为基础顶面至吊车梁或者吊车桁架顶面的高度）。格构柱应验算框架平面内的整体稳定和分肢的稳定。格构柱的分肢翼缘自由外伸宽度b与其厚度t之比以及腹板计算高度h0与其厚度之比应符合要求。缀条和柱肩梁应满足计算强度要求和构造要求。抗风柱一般都是上下较接的。其主要由挠度控制，也有上刚接下铰接的，柱间间距为6-7米左右。
3.3支撑系统的设计
门式刚架平面内稳定通过刚架柱、梁平面内的刚度作为保证，刚架平面外的稳定必须通过水平支撑和柱间支撑等支撑系统的设置作为保证。本工程抗震设防烈度为8度，工程场地土类别为Ⅱ类。厂房内设有25t吊车，必须考虑其横向和纵向刹车力的影响，同时考虑8度的抗震设防。厂房长度为93米，根据规范要求在厂房纵向支撑中部9m跨设置上、下柱支撑，在厂房纵向两端设置上柱支撑。在设置柱间支撑相应位置的柱间设置屋面水平支撑，在屋脊和檐口处设置通长的屋面纵向水平支撑。在屋脊、檐口、水平支撑节点处横向水平支撑间设置多道纵向的刚性系杆。这些水平支撑和刚性系杆有效传递了屋面的风载、吊车的纵向水平力，保证了屋面梁的整体稳定。根据《建筑抗震设计规范》表9.1.23的规定，上柱支撑最大长细比取250，下柱支撑最大长细比取150，刚性系杆长细比限值取200。屋面水平支撑设置成单角钢交叉支撑，其长细比限制取350，刚性系杆长细比限制取200。屋面支撑、柱间支撑采用角钢，参照图集04SG518-3进行设置并适当加强，支撑杆件应力比不宜大于0.75。
3.4墙梁、屋面檩条、隅撑、雨蓬的设计
墙梁和屋面檩条可以按照单跨简支构件进行计算。如屋面板和墙面板不能阻止檩条和墙梁的侧向位移和扭转时，需要计算檩条和墙梁的整体稳定性。由于本工程檩条或墙梁跨度大于9m，故在其跨度四分点处设一道拉杆或撑杆。在檐口和屋脊处设置斜拉条，其与刚性撑杆组成桁架结构体系。在最上层和最下层墙梁处设置斜拉条将拉力传至刚架柱。
本工程钢柱和屋面梁截面高度大，为保证其截面的稳定，在钢柱柱顶檐口处柱顶内力、并间隔一道墙梁设置竖向的柱上隅撑，连接钢柱内侧翼缘与墙梁内侧。在屋面檐口、屋脊转角处、每隔一道檩条设置屋面梁隅撑，连接屋面梁下翼缘和檩条下翼缘。雨蓬在附近的钢柱上设置支撑，并在雨棚顶设置斜向拉杆。
3.5吊车梁的设计
吊车梁系统的结构由吊车梁、制动结构、辅助桁架及支撑等构件组成。吊车梁的设计，一般都是简支梁，截面一般都是上翼缘大，下翼缘小，以为上翼缘大控制吊车梁的稳定性，腹板高度控制挠度。吊车梁、制动梁和辅助桁架可以参考图集05G514-4选用。
4.结语
格构柱门式刚架适合于跨度中等、吊车级别高、需要采用单向受力结构体系的建筑。当结构跨度较大时，应重视纵向抗侧力系统的布置。其受力分析应按照空间整体模型进行，并根据计算结果进行包括屋面支撑系统在内的纵向抗侧力系统的设计。
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准,<<建筑结构荷载规范>>(GB50009-2012),北京:中国建筑工业出版社,2012.
[2]中华人民共和国国家标准,<<混凝土结构设计规范>>(GB50010-2010),北京:中国建筑工业出版社,2011.
论文作者:田文亚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/2
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