【土木吧原创】门架纵向咋算？

《PKPM新天地》第116期

作者：刘孝国

本文原期刊授权发布

0 前言

门架结构体系主要以面内主刚架受力为主，面外主要是通过支撑和系杆形成纵向的抗侧体系来承担风荷载、地震作用及刹车力等。在设计中很多设计师不太重视纵向计算、对纵向榀支撑刚接铰接连接也不太关注、对纵向柱底铰接假定也不清楚，大部分设计师直接使用软件自动生成的纵向进行分析及设计，还有部分设计师直接自己建立纵向模型但是往往漏掉了横向的重量。在STS软件三维计算中，程序实质的计算仍然是按照每一榀进行二维分析，三维只是做荷载及多榀的管理，程序在计算完毕之后可以自动形成门架的纵向榀进行计算，但是这个自动形成的模型很多时候与设计师正确计算的纵向模型还是有一定的差距，需要在该模型基础上进行相关的铰接修改。而这是被很多设计师所忽略的。另外在纵向支撑计算完毕之后，支撑会产生一个较大的轴拉力，这个轴拉力在面内分解的力对柱脚锚栓的设计是不利的，需要补充计算平面内支撑拉力对其影响，这也是很多设计师忽略的。本文结合PKPM最新版软件对于门架结构处理展开分析上述两个问题，以便设计师在设计中正确的理解规范并将规范条文通过软件合理的实现，做到对于门架结构进行正确的设计。

1 门规对于纵向计算及柱脚设计的要求

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015（以下简称“门规”）4.4.2中第一条明确要求，门架结构一般情况下需要按照房屋的两个主轴方向分别计算水平地震作用；门规4.4.2第四条计算地震作用时尚应考虑墙体对地震作用的影响；门规5.2.9条规定房屋的纵向计算应有明确、可靠的传力体系，如果某一柱列纵向刚度和强度较弱时，应通过房屋横向水平支撑将水平力传递至相邻柱列；门规6.1.3条规定当未设置柱间支撑时，柱脚应设置成刚接，柱应该按照双向受力进行设计计算；门规6.2.5条：纵向柱列的地震作用应采用基底剪力法计算时，应保证每一集中质量处，均能将高度和质量大小分配的地震力传递到纵向支撑或者纵向框架；门规6.2.6条：房屋的纵向长度不大于横向宽度的1.5倍，且纵向和横向均有高低跨，宜按照整体空间刚架模型对纵向支撑体系进行计算。门规10.2.15第2条中规定，计算带有柱间支撑的柱脚锚栓在风荷载作用下的上拔力时，应该计入柱间支撑产生的最大竖向分力，且不考虑活荷载、雪荷载和附加荷载影响，恒载分项系数取1.0。

2 门架纵向计算设计师通常的做法

现阶段很多设计师在门架设计中对纵向的计算一般是直接按照STS软件建立三维模型，在三维整体计算完毕之后，提取纵向榀查看软件计算结果能否满足规范要求。也有部分设计师按照门架横向方式一样去搭建门规纵向的二维模型去分析。

首先建立如图1所示的三维门架，主要的受力构件有门架梁、柱、系杆及支撑，然后进行门架三维分析（注意：PKPM门架三维分析实质还是二维分析，不属于真正的三维耦联分析，对横向纵向是分别进行计算的）。从如图2所示的计算过程可以看到，门架三维整体计算分析实际上还是按照横向、纵向二维分别计算的。这里的三维计算不同于SATWE等有限元软件的三维分析。

然后通过三维计算结果中“立面编辑”功能提取纵向的计算数据。得到如图3所示的门架纵向计算模型。到此设计师直接进行计算，然后查看支撑构件的结果能否满足相关的强度及稳定应力比计算要求，同时查看支撑构件是否满足长细比的要求。

最后，如果满足要求了就直接出计算书与设计图纸了。

图1门架三维受力模型图

 

图2 门架三维计算按照每榀二维分析

图3 门架自动形成的纵向计算模型

显然以上过程是存在很大问题的，一方面这个程序自动形成的面外计算模型是否和设计师预期的模型是否一致是需要做进一步查改的，并且还需要设计师进一步检查相关的横向的荷载传递是否正确等，这就需要我们对于纵向模型的计算假定、荷载及程序的处理等非常清楚。

当然如果设计师对纵向计算模型按照门架横向那样的方式处理也可以，但是需要注意把横向榀的重量要按照附加重量形式加载上去。

3 门架柱脚设计时支撑产生的拉力对其影响

由于纵向支撑在纵向的山墙风、地震及刹车力等作用下会产生较大轴向拉力，这个拉力分解以后会对主刚架柱有一个向上的轴拉力，这对于柱脚的设计是不利的，在设计中规范明确要做特殊的处理，但是在设计中发现很多设计师根本不重视这个拉力，同时基础设计的时候这个拉力也是极为不利的，可能导致原来由承载力控制的基础，变为按照零应力区控制。按照该拉力控制的基础可能会比原来不考虑的基础底面尺寸要大。由于该拉力目前的程序一般都不会自动考虑，所以在设计中很多设计师直接忽略掉，根本不重视该不利作用，设计中也不考虑，这可能会导致对柱脚和基础的设计产生不安全因素。

4 门架纵向计算正确的处理方法

4.1 纵向榀计算柱底铰接模型

按照门架的纵向受力，纵向的计算模型应该为桁架受力模型，在STS程序自动形成的纵向提取的立面模型假定是柱底铰接，系杆和柱顶也是铰接模型，所有的支撑构件两端也是铰接模型，这个计算模型实际上属于机构体系，需要根据支撑情况修改铰接信息。

4.2 纵向支撑铰接信息修改

对于STS程序自动形成的纵向立面模型还需要根据支撑情况做进一步修改，支撑在抽取纵向榀时显示均为两端铰接，如下图4所示。

图4程序自动形成的纵向支撑铰接信息图

显然这需要根据支撑的实际情况修改铰接信息。比如，是圆钢支撑，两个支撑都是张紧的圆钢，这时两个支撑实际是没有交点的，要正确的确定其计算长度就需要按照图5所示把两个支撑形成的交叉节点删除，然后要修改整个支撑为两端铰接，如图6所示形成正确的计算模型。

图5取消两个支撑的交叉节点

图6 修改圆钢支撑两边铰接

如果是类似角钢、H型钢等刚性支撑，此时需要根据连接情况将一边的支撑按照整根设计，另外一根支撑通过节点板连接。这会影响钢支撑构件的面外计算长度。如果不修改程序都会按照节点之间的距离确定支撑的面内面外计算长度。这样会导致支撑的面外长细比计算偏小，造成安全隐患。

工程设计中，对支撑的连接模型需要结合实际的情况对铰接信息及连接关系进行准确的修改。

4.3 纵向榀计算荷载查改

同时可查看纵向榀计算的荷载简图，查看横向榀质量是否通过附加质量的形式显示并加载到纵向榀，如图7所示。另外也可以直接查看该纵向榀由山墙传递来的风荷载值，如图8所示，另外可进一步通过门架横向的计算模型，查看山墙纵向风荷载的布置情况，如图9所示。

 

图7横向榀质量按照附加重量形式加载到纵向榀

图8山墙产生并分担到某一纵向榀的风荷载

 

图9 门架横向的山墙风荷载布置图

4.4 纵向榀计算参数选择及结果查询

纵向榀计算的时候，程序自动生成的模型默认的结构体系为“单层钢结构厂房”，同时对应的计算规范默认为“钢结构设计规范”，如图10所示。查看计算结果的时候，部分设计师不仅看到了支撑与系杆的相关计算信息，还注意到了到了柱也输出了相关的强度和稳定的计算结果。但是在纵向榀计算中需要关注的是支撑及系杆构件的强度应力比、稳定应力比及长细比值，判断这些指标能否满足规范的要求。如果满足要求，即纵向榀的计算是满足要求的，可以进行后续的设计了。

图10 纵向榀计算程序自动形成的计算参数

设计师在三维计算中总会看到超限信息中有提到宽厚比和高厚比超限的情况，实际上是由于门架纵向的计算导致的，纵向计算的时候采用了钢结构设计规范，会导致对于柱的宽厚比、高厚比控制严格的问题。这时候如果按照门规控制满足可以不用理会这些输出的超限信息。

5 支撑拉力的提取及考虑其对柱脚设计的影响

5.1 支撑拉力的提取

通过纵向榀的计算结果可以查看到山墙风荷载作用下导致支撑构件产生的内力，然后通过构件信息可提取这个支撑构件的轴力。图11是通过构件信息查看支撑构件编号。图12是程序输出的计算结果文件可以查看到风荷载作用下所有构件的内力。

 

图11 通过构件信息查看支撑的编号

图12 计算书结果中输出所有构件风荷载的内力

通过计算结构可以查看到对应支撑构件在风荷载作用下的轴力。例如找到该23号支撑构件对应在风荷载作用下的最大轴力为14.5kN的拉力。

5.2 柱脚设计考虑支撑产生的拉力作用

得到该支撑构件的拉力以后，然后将该拉力考虑到平面内进行柱脚设计。按照规范要求应该计入柱间支撑产生的最大竖向分力，且不考虑活荷载、雪荷载和附加荷载影响，恒载分项系数取1.0。

因此需要复制出原模型，将原模型中的活载、雪荷载等荷载均删除，考虑恒载、风荷载及地震作用，并将该支撑的上拔力按照恒载下的节点荷载加载到构件上（注意：不要加载到柱底的节点上，可以加载到距柱底一定高度的节点上）。如图13，形成这样的节点荷载。然后在荷载分项系数修改中修改恒荷载分项系数为1.0，然后计算，计算完毕之后进行节点设计，查看由于该荷载作用以后引起的对于柱脚的变化，与原模型计算的柱脚锚栓进行包络设计，这样即可通过附加荷载的方式实现规范要求的考虑支撑拉力对于柱脚设计的不利影响。

 

图13 通过节点荷载施加支撑拉力

6 结论

门架结构是一种比较简单的二维受力体系，但是在设计中往往对纵向榀的设计不够重视，同时由面外支撑构件产生的轴拉力对柱脚设计的影响往往被设计师所忽略。通过本文的论述，一方面引导设计师重视面外纵向计算，并且对于程序自动生成的计算模型要清楚明白，在工程设计中还需要对纵向榀模型做一定的干预修改才能得到正确计算模型。另外一方面也是强调软件是作为一个工具，不能盲目去使用它，要使用的好，更需要对于规范有明确的理解，这样才可以通过人为做更多的干预更好的在设计中实现规范的条文要求。

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