关于门式刚架结构抗倒塌设计分析

杨爽

摘要：门式刚架结构广泛应用于工业与民用建筑中，其特点是自重轻、结构简单、受力明确、施工周期短、构件制作快捷、便于工厂化加工。本文就门式刚架结构设计计算中的问题进行阐述，希望对结构设计师能够起到一定帮助。

关键词：门式刚架;荷载取值;材料优化;抗倒塌分析

前言

门式刚架结构具有自重轻、结构简单、受力明确、施工周期短等优点，常见的门式刚架结构在横向是一榀刚架，纵向则是由刚性系杆及支撑系统形成的稳定体系。门式刚架设计看似简单，但小知识点较多，且结构体系需要配合很多构造措施来，需要设计师具备扎实的专业基础。门式刚架结构体系主要由各榀平面刚架依靠纵向刚性系杆连接，并通过设置纵向支撑而形成。

1门式刚架规范的适用范围

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015），以下简称《门刚规范》的适用范围是一个在实际设计过程中容易被忽视的问题，一些设计人员常常看到大跨度轻型屋面的钢结构，就默认为是采用门式刚架结构，这是很不严谨的。《门刚规范》第1.0.2条中对规范适用范围做了明确规定，就笔者个人的经验，房屋高宽比及吊车起重量超出适用范围的情况时有出现，应结合《钢结构设计标准》及其他相关规范进行设计，支撑布置等一些构造要求可参照《门刚规范》。

2结构重要性等级

门式刚架轻型房屋设计，应根据结构被破坏时可能危及人的生、经济损失、社会影响等的严重程度，采用不同的安全等级，结合设计使用年限，选取合适的结构重要性系数。结构受力性能应满足：

γS≥R（1）

式中：γ———结构重要性系数;S———荷载效应组合设计值;R———结构构件抗力设计值。重要性系数的取值直接影响结构安全和经济性。建筑结构安全等级为二级的建筑物，结构重要性系数应符合：设计使用年限（a）为50a、25a和5a，其结构重要性系数分别是1.0、0.95和0.9。

3荷载取值

3.1屋面荷载

1）由于门式刚架自重很轻，荷载对用钢量及造价非常敏感，设计时欠荷载对结构是不安全的，而由于屋面风吸力的存在，设计时恒荷载考虑过大也是不安全的。因此，设计人员必须对屋面荷载精确取值，不能随意加大或减小。

2）《门式钢结构规范》规定：刚架计算时，屋面活荷载不与雪荷载同时考虑，而取较大值。屋面均布活荷载不小于0.5kN/m²，对水平投影面积大于60m²的刚架，竖向均布活荷载可取≥0.3kN/m²。檩条计算时需要同时考虑雪荷载与活荷载，但不同时参与组合。根据第4.3.1条规定，基本雪压选用按100年重现期的雪压。

4门式刚架的跨度和柱距

4.1跨度

门式刚架钢结构厂房的最大优势就是布置灵活、空间大。一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，而刚架的用钢量增加的增幅不太明显，但确实节省了空间、基础造价低，综合效益较为可观。

4.2柱距

习惯上厂房纵向柱距一般采用6m，在现代化开敞式流水线工厂显得柱子太过密集，影响设备布置。在某汽车配件工厂设计中，厂房平面尺寸为194m×93m，在纵向采用抽柱形式，即横向刚架跨度为25.5m，纵向柱距12m。既节约了建设投资，又增大了装置内部空间，方便了工艺设备布置。

5材料优化及其纵向支撑布置

1）工程中Q345和Q235是最为常见和常用的材质，为方便管理一般采用单一的钢种。有条件时可将Q345用于强度控制情况，将Q235用在稳定控制情况，此时的综合经济效益较好。

2）纵向支撑布置有2种方式：有吊车时布置在厂房中部或1/3位置处;无吊车时布置在厂房端部。从支撑受力合理性来看，支撑布置在端部更有利于中间刚架传力和抗震，但这种布置不利于温度应力消散。在没有吊车情况下，刚架之间用系杆连接，系杆本身刚度较小，而且系杆与刚架之间用普通螺栓连接，安装精度相对较低，螺栓两端构件有一定位移，有利于温度应力消散。

6连接节点优化

6.1纵向加强梁方案

基于“二次传力路径法”的设计思想，考虑增设纵向加强构件梁来加强整体结构，通过增加冗余构件，增设备用荷载传递路径，提高结构的抗倒塌极限承载力，进而防止刚架发生倒塌，并可及时加固并修复，确保整体结构具备继续承载的能力。

6.2加强结构的抗倒塌分析

6.2.1单根梁破坏时加强结构抗倒塌分析

设置纵向加强梁后，考虑梁失效，对结构进行弹塑性静力分析。加强后的结构承载能力达到了1.0倍的设计荷载，最大应力位于加强梁上，刚架构件的最大应力略大于屈服强度，大部分区域保持弹性。与未加强结构相比，最大应力位置由刚架构件转移至加强构件上，说明荷载是依靠二次传递路径（纵向加强梁）传递.

6.2.2单根柱破坏时加强结构抗倒塌分析

加强后的承载能力达到了1.0倍的设计荷载，最大应力位于加强梁上，刚架构件的应力介于屈服强度和塑性极限强度之间，部分区域进入弹塑性。与未加强结构比较，最大应力位置由刚架构件转移至加强构件上，刚架结构不仅承载能力得到提高，构件的应力安全储备也得以提高，并且最大位移为未加强结构的0.53（2.88/5.44=0.53）。

7結语

文中采用有限元数值分析方法，通过对门式刚架结构抗倒塌设计进行分析研究，可得出以下结论：

通过对单根梁破坏和单根柱破坏情形下的结构抗倒塌分析可知，结构的弹塑性极限承载力均小于1.0倍正常设计荷载，结构的荷载-位移曲线呈现较强的非线性特征，结构的最大位移均远大于工程设计容许值，局部构件的失效必然导致整体结构的倒塌。

参考文献：

[1]  门式刚架轻型房屋钢结构技术规范：GB51022—2015[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[2]  钢结构设计标准：GB50017—2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[3]  余庆.门式刚架轻型房屋钢结构设计中需注意的几个问题[J].科技信息，2011（22）：533-534.

[4]  GB50009—2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

（作者单位：中治葫芦岛有色金属集团有限公司）