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摘要：《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102;2002）对门式刚架结构的抗震计算规定不是十分明确。通过地震烈度、刚架跨度、刚架高度等几种参数的组合，计算分析了单跨门式刚架结构的抗震设计，供相关技术人员参考。
关键词：门式刚架结构抗震地震烈度刚架跨度 刚架高度
中图分类号：TU973文献标识码： A
一、引言
对于门式刚架的抗震设计，《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）考虑到轻型房屋钢结构特点，抗震规范5.1.2条第一款规定轻型房屋钢结构抗震设计可按底部剪力法計算，当地震作用效应组合控制作用时，应对轻型钢结构的特点采取相应的抗震构造措施。
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》[1]规定，单层门式刚架轻型房屋钢结构自重小，承载力一般不受地震作用效应组合控制，通长可不进行抗震计算。但同时又补充规定，对于宽阔刚架，或高度很大的刚架，或很长的纵向刚架，或有夹层、吊重、桥式吊车等情况，则需进行地震作用效应组合验算。
在什么情况下地震作用效应组合起控制作用，需要进行抗震计算，规范中并没有明确规定，设计人员也不是十分清楚。本文通过大量的计算分析，从跨度、纵向长度两个方面给出了单跨无吊车门式刚架结构需要进行抗震设计的临界参考尺寸。
二、抗震分析参数的确定
具体设计时，各种设计参数较多，不能全部列举，仅对下面一些带有普遍性的相关参数进行分析：
（1）地震参数 地震烈度不小于9度，门式刚架要进行抗震设计，因此主要分析设防烈度为7、8度两种情况下的影响。场地类别取Ⅱ类，设计地震分组计算时取第一组。根据《建筑抗震设计规范》规定及轻钢规范3.1.6条规定，门式钢结构刚架的阻尼比取0.05。一般情况下，门式刚架结构的特征周期都比较短，其值大多数位于反应谱曲线平直段所对应的特征周期时间段内。因此在计算时水平地震影响系数取其最大值。柱间支撑设计时，在风荷载作用下，按端部支撑承担一侧山墙的所有风荷载计算：地震作用下，按每道支撑承担36m长度（或柱间支撑间距长度）范围产生的地震力计算。柱间支撑抗震设计计算自震周期时，整个柱列按动能相等原则换算到柱顶处的重力代表值计算质量。柱间支撑设计不考虑压杆作用，自震周期不折减。结构构件的承载力抗震调整系数按《建筑抗震设计规范》表5.4.2采用或轻钢规范3.1.4条采用。
（2）荷载计算取值 为了便于分析，荷载取工程实践中常用的数据，取值如下：恒荷载为0.3kn/m2，活荷载为0.5 kn/m2，雪荷载为0.5kn/m2。
门式刚架的自重已经在设计程序中自动进入。为真实地反映实际设计情况，考虑了风荷载的作用。计算风荷载时，建筑为封闭式，基本风压取值0.5kn/m2地面粗糙度类别为B类，建筑体型系数（含风振系数）完全按照规程附录A的规定取值。风荷载高度变化系数按现行国家规范《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）的规定采用。
（3）门式刚架的参数 选取有代表性的7种跨度进行分析，分别为18、24、30、36、42、60、72m。规程规定门式刚架的高度不大于18米，高跨比不大于1，因此高度分别取6、9、12、15、18m进行对比分析。取常用的6m、9m柱距进行分析。刚架柱脚为铰接。刚架斜梁的坡度为1:20。为了统计、比较上的方便，纵向柱距支撑采用单层交叉支撑，按拉杆设计，支撑间距均为36m（或柱间支撑间距长度）。
（4）刚架钢材选用Q345B级。
三、计算分析
由于结构横向和纵向的抗震并不关联，因此计算分析时分开进行。计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构件自重标准值和可变荷载组合值之和。各可变荷载组合值系数按《建筑抗震设计规范》表5.1.3采用。荷载效应组合应符合轻钢规程3.2.5条规定或抗震规范5.4.1条规定。分析软件为PKPM。
1、分析时采用的计算组合
由于结构高度低于60m，因此不考虑风荷载与地震荷载的同时作用。抗震设计仅考虑水平地震作用，程序自动生成的荷载组合工况如下：
S1=1.2×重力荷载＋1.00×1.40×风荷载
S2=1.00×重力荷载＋1.00×1.40×风荷载
S3=1.20×重力荷载＋1.30×水平地震荷载
S4=1.00×重力荷载＋1.30×水平地震荷载
2、门式刚架结构的构件尺寸
分别计算了50榀刚架，150种工况，限于篇幅，刚架构件尺寸不在列出。
图1 门式刚架跨高比--应力比
3、门式刚架横向计算结果
分别按地震作用参与组合及不参与组合两种情况计算。分析在各工况下，梁柱截面不变时，同一截面处，地震作用参与组合后柱内最大应与地震作用不参与组合时柱内最大应力之比。
从计算结果可知，地震烈度为7度时，地震作用对门式刚架结构的设计不起控制作用，应力比≤1。地震烈度为8度时，地震作用开始对门式刚架结构的设计起控制作用。通过观察发现，只有当门式刚架结构的跨高比在一定范围内时，地震作用才起控制作用。
为了便于分析，整理门式刚架跨高比与应力比的关系，见图1。由图可见：
（1）当刚架的跨高比为1~3.5时，地震作用对门式刚架结构的设计起控制作用，其中当跨高比为1.5时，地震作用影响最大；跨高比1~1.5变化时，应力比逐渐增加，跨高比从1.5~3.5变化时，应力比逐渐减小。
（2）当刚架的跨高比超过3.5后，地震作用对门式钢架结构的设计也不起控制作用。
4、门式刚架结构纵向计算结果
纵向柱间支撑的计算分三种情况：风荷载作用、7度抗震、8度抗震。由于抗震计算时支撑构件的截面积与刚度成正比，影响到自振周期的大小，进而与地震力大小相关联，故采用迭代的方法选出最终截面（考虑了承载力抗震调整系数），截面之间的比值见表1.
从表1可以看出，8度地震区的柱间支撑设计由地震作用控制。地震烈度为7度时，计算结果与仅受风荷载设计时的比值，6m柱距在0.6~0.9之间，9m柱距时在0.3~0.4之间，且一般随高跨比增加而减小。地震烈度8度时，计算结果明显大于仅受风荷载的计算结果，6m柱距时比值在1.8~2.4之间，9m柱距时比值在1.1~1.4之间，且随高跨比增加而减小。6、9m 柱距的比值不同，与支撑的角度有关。跨度越大，地震荷载计算结果与风荷载结果比值越小，这与刚架的坡度有一定关系，即跨度大时，刚架顶点更高，迎风面面积增加快于跨度增加，但总体而言，仍然是地震起控制作用。
由于高烈度情况下地震力较大，支撑截面也较大，导致自震周期较短，较多的位于地震影响系数曲线的水平段，而低烈度情况下，自震周期位于曲线的下降段，因此地震烈度不同导致上述规律不同。
门式刚架结构纵向抗震分析柱间
支撑截面面积之比A1:A2:A3
表1
注：Ai为风荷载作用下柱间支撑截面面积：A2,A3为地震烈度为7,8度时的柱间支撑截面面积。
由于柱间支撑沿纵向的设置间距是有要求的，因此纵向支撑抗震的主要设计参数是柱间支撑的设置间距，而不是建筑物纵向长度的大小，即纵向框架是否需要进行抗震计算与结构纵向长度无关。
四、结论
1、刚架结构的横向
对于无吊车的单跨门式刚架，地震烈度为7度时，地震作用对门式刚架结构设计不起控制作用。地震烈度为8度时，当刚架的跨高比超过3.5后，地震作用对门式刚架结构的设计不起控制作用；刚架的跨高比为1~3.5时，地震作用对门式刚架的设计起控制作用，其中跨高比为1.5时，地震作用的影响最大。
2、刚架结构的纵向
对于无吊车单跨门式刚架，地震烈度为8度时，地震作用对柱间支撑的设计起控制作用，设计时必须考虑。地震烈度较高地区，高跨比较小时，地震影响比风荷载影响更大。门式刚架结构的纵向框架是否需要抗震计算与纵向结构长度无关。
由于结构设计的条件变化较多，文中主要针对常用的设计条件进行分析，对工程设计方案性工作具有一定的参考性。对于多跨结构，由于摇摆柱不具有抗侧移刚度，地震对结构的作用将会更大。因此，是否需要抗震设计，设计人员必须结合实际工程的具体设计条件进行分析，以便采取相应的构造措施。
参考文献
1、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）
2、《建筑荷载设计规范》(GB50009;2012)
3、《建筑抗震设计规范》(GB50011;2010)
作者简介：
王亚茹：1967年2月出生，工作单位；葫芦岛有色冶金设计院有限公司，职称；工程师，职务；土建室主任，学历；本科，研究方向；土建结构。
于德顺：1964年1月出生，工作单位；葫芦岛有色冶金设计院有限公司，职称；高级工程师，职务；土建一室主任，学历；本科，研究方向；土建结构。
田之：1969年6月出生，工作单位；沈阳仪表科学研究院有限公司，职称；高级工程师，学历；本科，研究方向；土建結构。
李长青：1969年9月出生，工作单位；沈阳中盛瑞科工程咨询有限公司，职称；工程师，学历；本科，研究方向；土建结构。
关键词：门式刚架结构抗震地震烈度刚架跨度 刚架高度
中图分类号：TU973文献标识码： A
一、引言
对于门式刚架的抗震设计，《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）考虑到轻型房屋钢结构特点，抗震规范5.1.2条第一款规定轻型房屋钢结构抗震设计可按底部剪力法計算，当地震作用效应组合控制作用时，应对轻型钢结构的特点采取相应的抗震构造措施。
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》[1]规定，单层门式刚架轻型房屋钢结构自重小，承载力一般不受地震作用效应组合控制，通长可不进行抗震计算。但同时又补充规定，对于宽阔刚架，或高度很大的刚架，或很长的纵向刚架，或有夹层、吊重、桥式吊车等情况，则需进行地震作用效应组合验算。
在什么情况下地震作用效应组合起控制作用，需要进行抗震计算，规范中并没有明确规定，设计人员也不是十分清楚。本文通过大量的计算分析，从跨度、纵向长度两个方面给出了单跨无吊车门式刚架结构需要进行抗震设计的临界参考尺寸。
二、抗震分析参数的确定
具体设计时，各种设计参数较多，不能全部列举，仅对下面一些带有普遍性的相关参数进行分析：
（1）地震参数 地震烈度不小于9度，门式刚架要进行抗震设计，因此主要分析设防烈度为7、8度两种情况下的影响。场地类别取Ⅱ类，设计地震分组计算时取第一组。根据《建筑抗震设计规范》规定及轻钢规范3.1.6条规定，门式钢结构刚架的阻尼比取0.05。一般情况下，门式刚架结构的特征周期都比较短，其值大多数位于反应谱曲线平直段所对应的特征周期时间段内。因此在计算时水平地震影响系数取其最大值。柱间支撑设计时，在风荷载作用下，按端部支撑承担一侧山墙的所有风荷载计算：地震作用下，按每道支撑承担36m长度（或柱间支撑间距长度）范围产生的地震力计算。柱间支撑抗震设计计算自震周期时，整个柱列按动能相等原则换算到柱顶处的重力代表值计算质量。柱间支撑设计不考虑压杆作用，自震周期不折减。结构构件的承载力抗震调整系数按《建筑抗震设计规范》表5.4.2采用或轻钢规范3.1.4条采用。
（2）荷载计算取值 为了便于分析，荷载取工程实践中常用的数据，取值如下：恒荷载为0.3kn/m2，活荷载为0.5 kn/m2，雪荷载为0.5kn/m2。
门式刚架的自重已经在设计程序中自动进入。为真实地反映实际设计情况，考虑了风荷载的作用。计算风荷载时，建筑为封闭式，基本风压取值0.5kn/m2地面粗糙度类别为B类，建筑体型系数（含风振系数）完全按照规程附录A的规定取值。风荷载高度变化系数按现行国家规范《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）的规定采用。
（3）门式刚架的参数 选取有代表性的7种跨度进行分析，分别为18、24、30、36、42、60、72m。规程规定门式刚架的高度不大于18米，高跨比不大于1，因此高度分别取6、9、12、15、18m进行对比分析。取常用的6m、9m柱距进行分析。刚架柱脚为铰接。刚架斜梁的坡度为1:20。为了统计、比较上的方便，纵向柱距支撑采用单层交叉支撑，按拉杆设计，支撑间距均为36m（或柱间支撑间距长度）。
（4）刚架钢材选用Q345B级。
三、计算分析
由于结构横向和纵向的抗震并不关联，因此计算分析时分开进行。计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构件自重标准值和可变荷载组合值之和。各可变荷载组合值系数按《建筑抗震设计规范》表5.1.3采用。荷载效应组合应符合轻钢规程3.2.5条规定或抗震规范5.4.1条规定。分析软件为PKPM。
1、分析时采用的计算组合
由于结构高度低于60m，因此不考虑风荷载与地震荷载的同时作用。抗震设计仅考虑水平地震作用，程序自动生成的荷载组合工况如下：
S1=1.2×重力荷载＋1.00×1.40×风荷载
S2=1.00×重力荷载＋1.00×1.40×风荷载
S3=1.20×重力荷载＋1.30×水平地震荷载
S4=1.00×重力荷载＋1.30×水平地震荷载
2、门式刚架结构的构件尺寸
分别计算了50榀刚架，150种工况，限于篇幅，刚架构件尺寸不在列出。
图1 门式刚架跨高比--应力比
3、门式刚架横向计算结果
分别按地震作用参与组合及不参与组合两种情况计算。分析在各工况下，梁柱截面不变时，同一截面处，地震作用参与组合后柱内最大应与地震作用不参与组合时柱内最大应力之比。
从计算结果可知，地震烈度为7度时，地震作用对门式刚架结构的设计不起控制作用，应力比≤1。地震烈度为8度时，地震作用开始对门式刚架结构的设计起控制作用。通过观察发现，只有当门式刚架结构的跨高比在一定范围内时，地震作用才起控制作用。
为了便于分析，整理门式刚架跨高比与应力比的关系，见图1。由图可见：
（1）当刚架的跨高比为1~3.5时，地震作用对门式刚架结构的设计起控制作用，其中当跨高比为1.5时，地震作用影响最大；跨高比1~1.5变化时，应力比逐渐增加，跨高比从1.5~3.5变化时，应力比逐渐减小。
（2）当刚架的跨高比超过3.5后，地震作用对门式钢架结构的设计也不起控制作用。
4、门式刚架结构纵向计算结果
纵向柱间支撑的计算分三种情况：风荷载作用、7度抗震、8度抗震。由于抗震计算时支撑构件的截面积与刚度成正比，影响到自振周期的大小，进而与地震力大小相关联，故采用迭代的方法选出最终截面（考虑了承载力抗震调整系数），截面之间的比值见表1.
从表1可以看出，8度地震区的柱间支撑设计由地震作用控制。地震烈度为7度时，计算结果与仅受风荷载设计时的比值，6m柱距在0.6~0.9之间，9m柱距时在0.3~0.4之间，且一般随高跨比增加而减小。地震烈度8度时，计算结果明显大于仅受风荷载的计算结果，6m柱距时比值在1.8~2.4之间，9m柱距时比值在1.1~1.4之间，且随高跨比增加而减小。6、9m 柱距的比值不同，与支撑的角度有关。跨度越大，地震荷载计算结果与风荷载结果比值越小，这与刚架的坡度有一定关系，即跨度大时，刚架顶点更高，迎风面面积增加快于跨度增加，但总体而言，仍然是地震起控制作用。
由于高烈度情况下地震力较大，支撑截面也较大，导致自震周期较短，较多的位于地震影响系数曲线的水平段，而低烈度情况下，自震周期位于曲线的下降段，因此地震烈度不同导致上述规律不同。
门式刚架结构纵向抗震分析柱间
支撑截面面积之比A1:A2:A3
表1
注：Ai为风荷载作用下柱间支撑截面面积：A2,A3为地震烈度为7,8度时的柱间支撑截面面积。
由于柱间支撑沿纵向的设置间距是有要求的，因此纵向支撑抗震的主要设计参数是柱间支撑的设置间距，而不是建筑物纵向长度的大小，即纵向框架是否需要进行抗震计算与结构纵向长度无关。
四、结论
1、刚架结构的横向
对于无吊车的单跨门式刚架，地震烈度为7度时，地震作用对门式刚架结构设计不起控制作用。地震烈度为8度时，当刚架的跨高比超过3.5后，地震作用对门式刚架结构的设计不起控制作用；刚架的跨高比为1~3.5时，地震作用对门式刚架的设计起控制作用，其中跨高比为1.5时，地震作用的影响最大。
2、刚架结构的纵向
对于无吊车单跨门式刚架，地震烈度为8度时，地震作用对柱间支撑的设计起控制作用，设计时必须考虑。地震烈度较高地区，高跨比较小时，地震影响比风荷载影响更大。门式刚架结构的纵向框架是否需要抗震计算与纵向结构长度无关。
由于结构设计的条件变化较多，文中主要针对常用的设计条件进行分析，对工程设计方案性工作具有一定的参考性。对于多跨结构，由于摇摆柱不具有抗侧移刚度，地震对结构的作用将会更大。因此，是否需要抗震设计，设计人员必须结合实际工程的具体设计条件进行分析，以便采取相应的构造措施。
参考文献
1、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）
2、《建筑荷载设计规范》(GB50009;2012)
3、《建筑抗震设计规范》(GB50011;2010)
作者简介：
王亚茹：1967年2月出生，工作单位；葫芦岛有色冶金设计院有限公司，职称；工程师，职务；土建室主任，学历；本科，研究方向；土建结构。
于德顺：1964年1月出生，工作单位；葫芦岛有色冶金设计院有限公司，职称；高级工程师，职务；土建一室主任，学历；本科，研究方向；土建结构。
田之：1969年6月出生，工作单位；沈阳仪表科学研究院有限公司，职称；高级工程师，学历；本科，研究方向；土建結构。
李长青：1969年9月出生，工作单位；沈阳中盛瑞科工程咨询有限公司，职称；工程师，学历；本科，研究方向；土建结构。