工业项目中屋面门刚-混凝土框架组合结构设计要点

摘要：本文针对工业建筑中采用门式刚架与混凝土框架组合结构的结构形式，从结构构件设计、抗震设计、整体刚度调整、节点构造等方面，同时考虑两种结构形式的优缺点，结合规范要求进行系统分析，为工业项目中采用了此类组合结构体系的设计提供参考。

关键词：门式刚架，混凝土框架，组合结构，设计要点

引言：在现代工业建筑设计中，门式刚架和混凝土框架两种结构形式应用较为广泛。随着工业建筑需求的多样化和复杂化，单纯依赖某一种结构形式已难以满足所有条件。因此，将门式刚架与混凝土框架进行组合设计，不仅可以发挥两者的优势，还能为工业类项目设计提供了更多的方案选择性。

一、门式刚架和混凝土框架的优缺点

1.1、门式刚架轻型房屋钢结构优缺点

门式刚架适用于钢结构房屋高度不大于18m且其高宽比小于1的单层建筑，以单、多跨的实腹式门式刚架为承重结构，带有轻型屋盖、无桥式吊车或起重量不大于20t的A5工作级别以内的桥式吊车。单榀刚架跨度大，可做到18～36米之间；自重轻（较混凝土减重50%以上），同时也减小了基础造价；并且施工周期短，预制化程度高，综合成本优势显著。

但由于门式刚架本身结构特点，导致其结构抗震方面较弱；并且此结构类型对荷载敏感，在设计阶段需明确各荷载来源，其次门式刚架防火性能差，也不适用于有强腐蚀、强酸强碱区域，主要依赖防火及防腐涂料以抵御火灾和腐蚀性等问题。

1.2、混凝土框架结构优缺点

混凝土框架结构在现代民用建筑中被广泛采用，它具有承载能力较高，刚度均匀，抗震性能好；其次，混凝土框架的耐久性表现出色，防火性能非常优越。

然而，混凝土框架自重较大，基础和整体设计上造价偏高。并且混凝土框架的施工周期相对较长，混凝土梁板柱构件都需要较长时间来养护和硬化，以达到设计要求的强度

二、门刚-混凝土框架的组合结构设计要点

2.1组合结构的传力机制及计算模型

门式刚架是一种由钢梁、钢柱及支撑组成的平面框架结构，其力通过钢梁与钢柱的刚性连接形成整体刚度，依赖支撑系统提供侧向稳定性。屋面荷载首先作用在钢梁上，再由刚性节点传递内力至钢柱及纵向的支撑系统，传至下部混凝土框架结构中，最后传递至基础。在二者组合结构设计中，计算模型应进行二维平面刚架和三维整体分析的包络设计。其中二维两个方向可以按照平面进行单榀计算，设置纵向交叉支撑以无侧移框架进行平面外的结构设计；其次应在三维整体软件中进行整体分析，按实际建模不考虑屋面板的贡献，以非刚性楼板假定计算，考虑结构三维下的风荷载和地震力耦合效应，复核构件及整体指标。在高烈度区，应以三维整体软件计算出的顶层地震基底剪力，分摊至每一榀刚架中，在二维平面计算模型中放大地震水平影响系数，保证三维和二维两种计算模型下的地震力大小一致。

2.2 侧向刚度设计原则

此种组合结构形式，混凝土框架需保证顶层以下楼层的侧向刚度，各楼层弹性位移角及其层间位移角应参考GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》的要求，在多遇地震力和风荷载作用下不应小于1/550；顶层轻钢结构，考虑到门式刚架以轻屋盖为主，且相应的结构规范本身适用的房屋高度较低，而此类组合结构房屋高度整体会做的比较高，因此顶层的结构最大弹性位移角应在门式刚架结构规范的基础上进行加强，可按照各地区的实际设计情况采用合适的位移角限值；可参照GB 50017-2017《钢结构设计规范》中的框架结构弹性位移角的限制1/250去执行。同时结构各楼层的整体稳定性要求，也应按照弹性位移角的设计原则，合理参考不同规范要求去执行，保证采用这类组合结构体系的最小刚度。

2.3 不同地震设防烈度下的屋面地震力计算要点

在6度区范围内，由于地震力并不是主要的控制工况，可按《建筑抗震设计规范》选取多遇地震下水平影响系数计算，按照常规设计思路设计。在7度及其以上，尤其是8度高烈度区，为保证现有结构软件对于此种组合结构计算结果的合理性，可补充多遇地震下的时程分析，对比CQC阵型分解反应谱下的屋面顶层基底剪力大小，包络设计多遇地震下地震力的大小；必要时应补充罕遇地震下的时程分析进行位移角的控制和判断；其次组合结构阻尼比可按照材料各自选取控制，考虑钢与混凝土的综合阻尼效应。另外，选用不同软件进行三维计算时顶层的基底剪力大小误差不超过10%。

2.4 顶层节点设计要点

2.4.1 屋面钢柱柱脚节点

屋面钢柱与下部混凝土柱连接的柱脚节点，可按照铰接或刚接做法灵活选择。

铰接节点做法较为普遍，可以减少钢柱底部传递至下部混凝土柱的弯矩，侧向刚度完全由纵向支撑和屋面水平支撑共同分担。在设计中可参考单层门式刚架体系中的柱脚锚栓的做法；但应复核在有柱间支撑下的柱脚锚栓受拉能否满足计算要求。

而选择柱脚刚接做法时，纵向支撑系统与刚性柱脚同时提供侧向刚度，因此刚接柱脚需按照两倍地震力复核锚栓强度及数量，避免锚栓滑移或断裂而引起的整体侧向失稳问题；其次混凝土柱顶局部承压强度也应按照1.2倍的设计要求控制，并在柱顶上区域设置箍筋加密区，确定合理的最小配箍率，保证强节点弱构件的基本抗震设计概念。

2.4.2 顶层纵向支撑及节点

顶层采用门式刚架，结构的侧向刚度远弱于相邻下一层的混凝土框架，因此应注意两种结构体系多的层间刚度过渡，防止地震或风荷载作用下因存在薄弱层而破坏。同时支撑应尽量选用效果比较好的十字交叉型或八字型，其交角不宜大于55度，按照单拉杆或者受压杆进行设计，同时纵向的交叉支撑与屋面水平支撑体系相对应设计，形成有效的侧向支撑结构体系。

除去支撑构件自身设计之外，其与底层框架之间的连接也需要设计注意与加强。为保证不出现由于节点局部破坏而导致支撑失效的情况，交叉撑节点形式、钢板厚度、焊缝长度等内容均需要合理计算同时满足构造要求，减小节点的附加弯矩将支撑底部的拉、压力传递给下部的混凝土梁柱构件。

结论：门式刚架与混凝土框架结构体系的结合，不仅能充分利用两种材料及结构形式的优点，在以安全性为前提下，还能创造巨大的经济价值。本文可为结构设计人员提供从整体到局部的系统性设计指导，明确此类组合结构的设计重点与关键技术难点，有效提升结构体系的安全性和可靠性，为推动门式刚架-混凝土框架组合结构在工业建筑领域的广泛应用提供设计参考和技术支持。

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