1、概 述
在我国经济建设的迅速发展中，由于生产的需要，门式刚架夹层轻型钢结构以其用钢量低、造价低、抗震性能好、施工快、节能环保、可再利用、适用范围广等优势而获得广大客户的信赖。特别是最近几年，随着钢构的快速发展，现在很多的厂房和办公一体化、售楼部等要求用轻型钢构建设，这些工程的围护大都用压型彩板，这就使设计无规可循，若按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（以下简称《门规》）设计，用钢量较经济，但不合理，因带有夹层，超过了门规的范围；若按《钢结构设计规范》（以下简称《钢规》），用钢量就会攀高不下。究竟怎样进行门式刚架夹层钢结构轻型化设计，本人举一工程实例进行探讨，设计软件为中国建筑科学研究院推出的PKPM，主要阐述门式刚架夹层部分，并浅谈一些自己的见解，以供参考。
2、工程概况
某集团汽车配件厂房，长度90米，柱距6米，跨度24米，檐口高度8.5米，厂房的中间设有吊车，两端部分的6米开间内均带有夹层，标高为4.8米，用作办公，跨度方向夹层短柱间距为8米，夹层屋面设有吊顶，7度抗震设防。
3、设计要求
此文仅阐述夹层做法，两端的夹层钢构设计已超出《门规》的范围，设计夹层刚架的柱顶和层间位移及夹层的梁、柱的设计可按《钢规》来控制，夹层以上的梁柱设计和围护构件的变形控制仍可按《门规》设计。
（1）为了减少整体的侧移，增加刚度，刚架柱的柱脚应采用刚接柱脚，夹层梁和刚架柱也应采用刚接，夹层短柱下端柱脚可设为铰接，上端与夹层梁连接采用刚接，纵向的夹层梁与刚架柱、夹层短柱连接宜采用刚接，其余的粱梁连接均用铰接即可。在基础设计中，构造上应保证柱脚能承受较大弯矩和剪力，并保证基底无拉应力。
（2）根据《钢规》，主刚架的柱顶位移取总高度的1/500，层间相对位移取层高的1/400，但规范又注明对轻型框架结构的柱顶位移和层间位移均可适当放宽，这样带夹层的门刚的侧移限值就应该比《门规》上严，比《钢规》上松，具体可根据工程重要性决定。
（3）参照《门规》的变形规定，因为屋面梁有吊顶，挠度限值应取其跨度的1/240，而夹层梁的挠度限值参照《钢规》的变形规定，主梁取其梁跨的1/400，次梁取其梁跨的1/250。
（4）围护构件参照《门规》的规定，檩条（带吊顶）挠度≤L/240，墙檩挠度≤L/100，其它主要受压杆件长细比≤180，系杆长细比≤220，吊车梁以下柱间支撑长细比≤300，其它受拉杆长细比≤350~400。
（5）在二维计算时，结构类型选用门刚，夹层以上梁、柱设计规范选用《门规》验算，夹层处的梁、柱设计规范选用《钢规》验算。
4、结构设计布置
综上所述并结合该工程的特点，对其两端部分门刚夹层部分进行结构布置：
（1）刚架柱、夹层梁、夹层短柱及次梁均为等截面H型钢，屋面梁为变截面H型钢，屋面梁柱连接及屋面梁分段连接均采用门架连接节点，夹层处梁柱连接均采用栓焊混合框架连接节点，即梁翼缘与柱等强焊接，梁腹板采用摩擦型高强度螺栓连接；当不考虑抗震设防时，夹层处梁柱连接也可采用门架端板连接，其余粱梁连接均为铰接。
（2）由于夹层采用框架结构进行设计，楼面又采用双向现浇砼板，夹层梁和次梁上均设有抗剪件和现浇板进行结合，这样整个楼面平面刚度将无限大，所以一层纵向柱间可不设垂直支撑，夹层以上仍按《门规》计算和支撑及系杆的布置。
（3）由于围护为轻型彩板，所以屋面采用冷弯薄壁C型檩条，墙面根据门窗洞口和布板要求也采用冷弯薄壁C型檩条。
5、结构分析
计算软件采用PKPM进行设计，它是包括三维和二维建模等模块于一体的大型设计软件。针对门刚夹层钢构顶层为门刚类型，下部框架与上部门刚的设计需要区别对待，然而上下之间的相互作用，相互影响又是必需考虑的，需要把它们作为一个整体来分析。
（1）计算模型：先通过三维建模，把梁、柱截面布上，按实际加入荷载，不过屋面系杆要按次梁输入，屋面板厚为0，导荷方式也要改为单向。然后转到SAT-8中进行特殊构件设置，夹层以上定义为门式钢柱和门式钢梁；夹层以下按设计要求修改后进入整体计算分析，最后导出PK文件，以一榀刚架进行二维计算时，对其添加风荷载，上层构件按《门规》计算，下层构件按《钢规》计算，夹层部分节点按照框架连接设计，以上部分节点按照门刚连接设计，可根据需要分别绘制施工图。
（2）计算取值：
①参数：所有钢梁、钢柱及连接板材质均采用Q345B，屋面檩条、墙檩、屋面支撑、系杆、隅撑等次构件材质均采用Q235B，钢材容重为78.5 kn/m3，连接采用10.9S摩擦型高强螺栓。
②荷载：屋面恒载0.3kn/㎡；屋面活载0.5 kn/㎡；楼面恒载4.5 kn/㎡；楼面活载2.0 kn/㎡；风荷载0.35 kn/㎡；雪荷载0.6 kn/㎡；7度抗震设防。
③结果：根据《门规》和《钢规》来分别验算主刚架和夹层梁的强度和刚度，并验算基础、刚架柱的稳定和位移等。由于该工程为7度抗震设防，梁柱框架节点验算不满足，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）8.2.8条，节点均须按地震组合内力进行极限承载力验算，要满足“强节点弱构件”的要求，即满足“Mu≤1.2Mp”，这样梁、柱截面加大，钢板加厚，随之用钢量增加。不必为了节点抗震就把整个用钢量增加，可参照图集01SG519和01（04）SG519推荐的构造设置楔形盖板来加强上、下梁翼缘或在梁端下部加腋板的措施，这样即经济又满足了抗震要求。
6、经济分析
   （1）用钢量分析：对于带有夹层的门刚，夹层的用钢量对总用钢量的影响很大，按上述计算，主体结构的用钢量较以往按《钢规》设计的用钢量明显有所降低。
（2）柱距、梁跨对用钢量的影响：经验总结，对带有夹层的门刚，柱距和夹层梁的梁跨不能相差太多，最好不要太大或太小，一般柱距和梁跨在6.0m~8.0m之间较经济，否则就会增加用钢量，相应的工程造价就会升高。
7、结语
    带夹层的门刚是当今社会发展的需要，其用钢量的多少与如何合理选用规范及节点如何构造处理有重大的关系，像以上陈述的做法，并从做过的类似工程案例来看，此设计方法不仅经济，且也安全，也更进一步证明了它的可靠性。随着对轻型钢结构不断深入研究，相信门刚夹层钢构轻型化设计将会逐步完善。
参考文献
[1] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS 102：2002）。北京：中国计划出版社，2003.3。
[2] 钢结构设计规范（GB50017-2003）。北京：中国计划出版社，2003.10。
[3] 建筑抗震设计规范（GB50011-2001）2008版。北京：中国建筑工业出版社，2008.9。
[4] 多、高层民用建筑钢结构节点构造详图（01SG519）。北京：中国建筑标准设计研究所出版，2002.4。