门式刚架结构设计实例

一、工程概况

（一）设计资料

某客户需要建设66X75m的仓库，根据客户要求，宽度方向为66m，设3跨，跨度分别为24m、18m、24m，柱距取7.5m，檐口高度为6m。屋面为0.5mm压型钢板+75mm 厚保温棉 （容重14kg/m3）＋0.4mm内衬板，材质采用Q345。

（二）方案选取

1．跨度：

考虑到特殊的使用要求（中间18m兼做交通走道），客户指定了上述的跨度要求。为使读者理解如何寻找最经济的结构方案，笔者又研究了21m＋24m＋21m或18m+30m+18m的跨度方案，三种方案的每榀框架的用钢量对比如下：

24m+18m+24m，每榀框架用钢量 4.9吨；

21m+24m+21m，每榀框架用钢量 4.2吨；

18m+30m+18m.，每榀框架用钢量 4.6吨；

通常来说，如可能尽量将框架设计成对称结构，各跨跨度基本相同，中间跨跨度度略大于边跨将是一种比较经济的方案。本项目由于客户需要将中间跨(18m)设置为走道，故笔者没有建议他们改为较为经济的跨度方案（21m＋24m＋21m）。

2．柱距选择：

鉴于本工程总长度为75m，故取柱距为7.5m，即10@7.5。读者也可以比较7.75+7@8.5+7.75的柱距方案。后者也是一种比较经济的株距方案。

3．屋面梁拼接节点设置

节点设置需要考虑下列因素：

(1) 拼接点尽可能靠近反弯点，一般反弯点位置在1/4~1/6跨度处，按照此原则，对于24m跨，拼接点设在离柱24*(1/4~1/6)=4~6m处比较合适。对于18m跨，则应该设在18*(1/4~1/6)=3~4.5m比较合适；

(2) 单元长度不要超过可运输最大长度，一般不宜超过12.5 m；

(3) 尽量减少拼接数量，因为拼接节点需要端板及高强螺栓，同样会增加项目造价；

(4) 拼接节点应避开抗风柱及屋面系杆的连接位置，以避免出现连接上的不便；

综合多种因素，我们将屋面梁做了分段，见图3-26。A节点为边柱与梁拼接节点，D为中柱与梁拼接，通常此处屋面梁不断，这是考虑此处弯矩较大，对于屋脊节点 F，通常我们也不建议此处屋面梁断开，原因是此处通常会有抗风柱及屋面系杆，若设置屋面系杆，将引起连接上的不便。这样66m的屋面梁一共被分为7段。读者可以试着研究其余不同的梁分段方式，并与此方案做以对比。

4．柱脚及梁柱的铰接与刚接设置：

由于本项目檐高较低，且没有行车，故柱脚均可按铰接处理，对于中柱，采取摇摆柱，即柱与梁连接采用铰接的模式。计算简图见图3-26。

（三）荷载计算

1．恒载计算：

作用在屋面梁上的恒载有：

0.5mm厚压型钢板，重量0.5*7.85*1.25= 5.0 Kg/m2

75mm 厚保温棉 （容重14kg/m3）75*14/1000=1.05Kg/m2

0.4mm厚屋面内衬板，重量0.4*7.85*1.1=3.5Kg/m2

屋面檩条重量，一般可取3-5Kg/m2

屋面支撑、系杆、檩条拉条、隅撑等重量，可取2Kg/m2

以上重量合计约为15Kg/m2,作用在框架上的恒载为0.15KN/m2*7.5m=1.125KN/m，见下图：

2．活载计算： 由于每榀框架受荷面积A=66*7.5＝495m2>60m2，故活荷载可取为 0.3KN/m2。

3．屋面悬挂荷载 根据客户要求，取0.1KN/m2，由于STS软件没有此基本工况，我们将悬挂荷载放在活荷载里进行考虑，将活荷载取为0.4KN/m2，这样作用在框架上的活荷载为0.4KN/m2*7.5m=3.0KN/m,见下图

4．风荷载计算：

日照的风荷载标准值为0.4KN/m2，按照CESE 102：2002，内部标准跨的风荷载体型系数，风载体型系数参照下图：

则作用在框架梁柱上的风荷载分别为：

0.4*7.5*(+0.25)=0.8KN/m

0.4*7.5*1.05*(-1.0)=-3.15 KN/m

0.4*7.5*1.05*(-0.65)=-2.0KN/m

0.4*7.5*1.05*(+0.55)=-1.7KN/m

在输入风荷载时，需要注意STS里的正负号与与体型系数的正负号有所不同。体型系数的正负以风吸力或风压力定义，风吸力为负，风压力为正。而输入程序时，荷载方向与坐标正向一致为正。

二、结构布置

本工程长度为75m，按照门钢第4.2.2.2条规定，当无吊车时柱间支撑的间距宜取30～45m。因此本工程需要设3道柱间支撑，支撑分别设在端跨及较为中间的跨。

同时规范第4.2.2.3条规定， 当建筑物宽度大于 60m 时，在内柱列宜适当增加柱间支撑。本项目跨度为66m >60m，按规定应在B，C轴增设柱间支撑。但由于本项目客户由于工艺使用要求，不允许内部设柱间支撑（实际上这种情况在实际工程中会经常碰到）。需要提醒设计者注意的是，在支撑跨度较大的情况下，设计者需要对屋面及柱间支撑的受力进行严格的有限元分析，屋面支撑及柱间支撑当有必要时需采用双圆钢、角钢甚至圆管。有些设计者，不管受力如何，一律用圆钢做屋面或柱间支撑，圆钢的规格通常被经验的取为16～27mm的直径，这种做法很危险。

本工程通过计算发现在靠近端部的屋面圆钢支撑需采用双圆钢（2φ24），柱间支撑也需要采用2φ24的双圆钢支撑，本项目的支撑方案见图3-32。

三、建立计算模型

由于本工程无行车，故柱脚可选用铰接，中柱可采用摇摆柱，计算简图及单元节点划分参见下图。

四、内力计算和计算结果查看

根据STS计算结果，现将节点的控制内力列表如下：

说明：1．表中弯矩单位为KN·m，对于梁上部受拉为“＋”，下部受拉为“－”，轴力及剪力单位为KN，轴力“＋”为拉，“－” 为压，剪力“＋”为逆时针，“－”为顺时针；

2．在计算柱脚时，Qmax最不利组合应该是剪力较大，且轴力较小的情况；

同时，STS还提供了图形查阅功能，通过后处理菜单，可以方便查到弯矩、剪力及轴力的数值，图3-34，35，36即为分别为弯矩，轴力及剪力的包络图，通过这些直观的图形，工程师可以方便的检查构件的内力情况，可以对计算的结果进行。

五、设计结果查看、分析和调整

STS具有先进的后处理系统，能够按照现行设计规范对梁柱构件进行强度、稳定及变形检验，相关的检验结果见下图。

钢结构应力比图说明：

1. 柱左： 作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值；

2. 右上：平面内稳定应力比（对应长细比）；

3. 右下：平面外稳定应力比（对应长细比）；

4. 梁上： 作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值；

5. 左下：平面内稳定应力比；

6. 右下：平面外稳定应力比。

六、结构、构件和连接设计

STS可以根据计算的内力，对节点进行计算。这里为了让读者了解如何进行节点设计，对典型的节点进行计算。

节点1计算，根据表3-7，取弯矩最大的组合进行截面设计。对应的内力设计值为：Mmax=-294.44KN·m，N=-80.57KN，Q=53.44KN。

首先按照构造要求，对螺栓进行布置，见图3-41。

七、施工图设计