有局部夹层的门式钢架轻型房屋设计中应注意哪些问题？

门式刚架结构是钢结构设计中应用广泛、成熟的结构形式，在实际工程中有些门式刚架结构，按照建筑设计、使用功能等方面的需求，在局部设置夹层，夹层通常设置在刚架端、刚架纵向等位置，下图为某工程实例的整体模型图

一、概念分析及构造措施

所谓局部夹层仅限于面积较小的内置轻型办公室或与门式刚架相连的附属房屋，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015第3.1.4条条文说明:当设有夹层或有与 门式刚架相连的附属房屋时，应进行抗震验算 。

在7度及以上地区，当采用混凝土楼板时，如果使用要求许可，最好把局部夹层与主结构用防震缝分开，因为夹层结构与主结构相连，将使房屋平面 刚度变化较大，改变了主体结构的内力分布 ，对整幢房屋在水平荷载作用下的受力不利。

如果地震力不控制设计，主结构可以不采取抗震构造措施。此时应注意靠近门式刚架柱的夹层柱基础与刚架柱基础有足够的距离而不至于相互影响。

当局部有多于1层且与门式刚架相连接的附属房屋时，需作抗震验算，并遵守《建筑 抗震设计规范》GB50011相关的抗震构造规定。

如果沿山墙或边柱列布置夹层而不与主结构脱开，则形成相对独立的二层结构，当采用混凝土楼板时，计算时必须考虑刚心和形心的偏置引起的扭转，这种方法比较繁;

也可以考虑在夹层周边设置较强支撑 ，将夹层产生的地震力直接传至自身的基础，房屋抗震设计不考虑夹层的影响，工程应用中推荐后一种方法，参见图2。

沿边柱列布置夹层直接与门式刚架相连而成混合型门式刚架，夹层以门式刚架柱作为支承构件。

带有夹层的刚架，当采用混凝土楼板时，其刚度一般远大于不带夹层的相邻刚架，同样存在刚心和形心偏置引起扭转的问题，在地震区，尚应充分考虑由于夹层较重，夹层面的横向地震力直接传给刚架柱，对刚架柱的受力极为不利。

此时可参照图2的思路，在有夹层的屋盖上设置局部纵向水平支撑，并向两端各延伸一个开间，以协调各刚架的侧移;并设置相应的柱间支撑(如果考使用要求不允许设置交叉支撑，可设置门式支撑)，将夹层产生的地震力通过支撑直接传至柱基础，房屋抗震设计可不考虑夹层的影响。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015第3.1.4条条文说明指出 7度(0.10g)及以下可不作专门计算。

7度(0.15g)及以上，若沿边列柱布置夹层，与相连刚架之间宜有可靠连接(可受拉或受压)，并根据具体情况适当增大刚架水平力设计，沿外柱宜适当增设角钢柱间支撑。

二、三维、二维两种设计方法分析

带夹层的门式刚架结构，刚架纵向设置的夹层梁，与主刚架柱的连接，可以铰接，也可以刚接，不同的连接方式，会影响整个结构分析方法的确定。

当纵向夹层梁与刚架柱刚接连接时，连接位置的刚架柱双向受弯，夹层区域形成了真正的三维框架体系，此时需要使用三维有限元分析方法实现结构的整体分析。

当 纵向夹层梁与刚架柱铰接连接时，纵向水平力完全由支撑承担，而且横向每榀的刚度比较均匀，结构具有清晰的荷载传导途径，竖向荷载、横向荷载(横向风荷载、吊车横向水平荷载、横向地震力等)主要由门式刚架承担，纵向水平荷载(山墙风荷载、吊车纵向刹车力、纵向地震力)主要由纵向支撑所在立面承担。横向刚架、纵向支撑系统可分别采用二维建模计算的方法。

PKPM/YJK/3D3S 软件是目前国内应用广泛的结构设计软件，这三款软件能完成一体化的结构设计，包括模型输入、结构分析设计、构件验算、整体施工详图设计等，软件提供了带夹层门式刚架结构设计的解决方案和实现方法。

随着结构计算软件建模和计算功能的不断提升，三维整体建模和计算分析也很容易，因此推荐使用三维设计方法，能更全面的考虑结构的整体受力分析。

二维设计方法虽然在用钢量上有优势，但是其与结构实际受力偏差较大，不建议使用 。

三、三维设计方法

1、执行结构计算软件“三维模型与荷载输入”，完成带夹层门架结构的建模输入和荷载布置。三维建模的方法是层模型方式，即将模型分为多个结构层，分别建立模型并布置荷载，然后通过楼层组装方式完成整体模型的建立。

在夹层门架结构三维建模时，需特殊注意以下几点:

(1)一般夹层位置单独作为一个层输入，方便输入夹层构件和荷载;

(2) 坡屋面可以通过软件提供的上节点高、柱顶标高等方式实现:

(3) 屋面支撑、柱间支撑在模型输入时作为斜杆输入。

2、结构分析和构件验算

夹层门架结构三维分析设计要点:

(1)特殊构件设置。

对钢构件，软件缺省采用《钢结构设计标准》GB50017-2017(下面简称钢规)进行构件设计和验算。

对变截面的斜梁、无夹层的门刚柱，建议使用《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015(下面简称门规) 设计和验算。

（2）、软件实现:

（2.1）、通过特殊构件“门架梁”、“门刚柱”的设置，交互指定门式刚架梁、柱，在结构分析和构件时，对指定该属性的构件，将按照门规进行设计和验算;

（2.2）、特殊风、雪荷载定义

门式刚架结构自重轻，属于对风荷载比较敏感的结构，而三维分析软件缺省的风荷载是软件自动搜索外围挡风面，根据用户指定的基本风压作用风荷载。

但是对于坡屋面的门式刚架结构，屋面的风荷载、雪荷载对结构分析影响比较大，不容忽略，软件提供了特殊风荷载的定义，帮助完成坡屋面风荷载 、雪荷载 的布置。软件都提供考虑特殊 风荷载、雪荷载 的相关信息，使用者通过交互设置，可方便完成。 门式刚架计算时，荷载输入容易遗漏的几点，80%工程师会触犯

（3）、计算结果查看时，通过“各荷载工况下结构变形图”的查看，辅助判断整个结构受力是否合理。

带夹层门架结构分析时，可能出现局部振动的现象，通过分析用户实例工程总结，导致该现象最大的可能是模型中抗侧系统的抗侧能力差， 应通过设置屋面支撑、柱间支撑来保证整个结构的变形协调。

四、节点设计和整体施工图

结构分析完成，并确保满足设计要求后，通过软件的三维框架节点设计功能，能快速完成整个结构中各连接的节点设计和节点、构件施工详图的绘制。

五、结语

每一个工程都有其特殊性，要先从结构整体受力的概念上对其分析，并通过合理的构造措施来加强，然后通过程序的计算分析来精准优化，才能做出一个合格的工程。