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门式空间结构整体分析与设计
[摘要]近年来，门式刚架结构类型越趋复杂，越来越多的结构类型被应用到实际工程中，例如框架上门式刚架、局部夹层复杂支撑等。利用MTS程序对门式空间结构的整体分析与设计进行研究探讨。
结构特点
由于实际工程的需求，传统的简单的门式刚架结构体系已经不能满足许多用户的需求，大量的复杂门式空间结构被应用到实际工程中。其中有两类复杂门式空间结构应用最为广泛。
一类是框架与门式刚架结合的结构，如图1。这类结构通常层数不多，在2-3层，下部为框架结构，上部为门式刚架结构。

图1框架上门式刚架结构图
这类结构的上部门式刚架只承担屋面荷载，荷载轻跨度大，应该按门式刚架的要求进行布置以节省钢材。同时为了满足结构整体刚度，应布置支撑系统。对于这类结构，下部框架与上部门式刚架的设计应区别对待，为了节约用钢量，通常希望将下部结构依据钢结构设计规范设计，而上部门式刚架结构依据门式刚架设计规程设计。这类结构需要将其作为一个整体来分析计算，不能忽略下部框架与上部门式刚架的相互作用，不能忽略局部夹层对结构整体性能的影响。同时应考虑纵向柱间支撑、屋面水平支撑、系杆等重要受力构件对结构整体刚度的影响。
另一类是局部有夹层的门式刚架结构，如图2所示。

图2局部有夹层门式刚架结构
这类结构也需要将其作为一个整体来分析计算，不能忽略局部夹层对结构整体性能的影响。同时应考虑纵向柱间支撑、屋面水平支撑、系杆等重要受力构件对结构整体刚度的影响。
MTS软件的设计计算
对上述两类结构，MTS软件提供了三维整体分析计算的解决方案。能够合理的反映实际结构的整体作用，并且具有以下几个鲜明的特点。
1.三维模型输入
利用MTS软件的空间厂房－门式刚架模块可以快速建立三维实际模型。设计人员不但可以输入整体三维模型的梁、柱构件，还可以输入柱间支撑、屋面支撑、系杆。
为了方便设计人员快速建立整体三维模型，MTS提供快捷生成单榀刚架，而后用户可以通过复制、添加删除构件来快速生成整体三维模型。

2.可以自选择不同规程进行设计
对上述两类结构，往往出于节约用钢量，希望可以弹性选择设计规范进行合计。例如对于下部框架（或者夹层）可以依据钢结构设计规范设计；而对于上部门式刚架结构依据门式刚架设计规程设计。在MTS软件中，设计人员只需在后处理模块中，选中所要设计验算的构件，再选择相应的所需的规范，MTS程序即可按照所选择的规范对设计人员选择的构件进行验算设计。整个操作过程十分简单明了。
3．提供只拉构件的设定
对于这两类结构，需要布置较多的支撑提供必要的刚度，以保证结构整体的协调作用。这类支撑往往采用柔性支撑，如果采用拉压杆来计算，不能真实的反应支撑的实际工作性态。MTS软件在整体分析中支持只拉杆件的设定，可以更为合理的考虑支撑的作用。
4．从三维模型中提取二维模型
建立三维模型可以更为精确的符合实际结构的受力工作情况，但目前MTS的空间厂房模块在附属构件设计（檩条、抗风柱等）、以及出图功能上有待进一步的完善。为了满足设计人员在这方面使用的需求，以及为了方便设计人员对三维和相应的二维模型有个比较，MTS软件在后处理模块里，可以导出轴线平面结构。选择所要导出的单榀模型，可以生成相应二维结构模型（包含了截面、荷载信息），设计人员可以对导出生成的二维模型进行计算、设计。
计算结果分析
纵向体系主要是为了承担纵向力，而纵向体系的设计主要是支撑和系杆的设置。
下文将针对图1的结构，对支撑采用只拉杆件和采用拉压杆件的不同情况进行分析比较。图3和图4分别是将支撑设定为只拉杆件和拉压杆件时在纵向荷载下的内力图。

图3支撑为只拉杆件

图4支撑为拉压杆件
表1给出了与最右边支撑相邻处的柱、夹层梁、系杆的内力比较结果。
表1内力比较
柱夹层梁支撑系杆只拉杆件1.41-63.1155.35-60.63拉压杆件32.06-45.5628.72-29.19根据两个图形和表1的比较可以看出，只拉杆件可以更好的反映柔性支撑。当采用拉压杆件代替只拉杆件时，纵向体系杆件的内力有加大的差异。由于拉压杆件考虑了两个支撑（一拉一压）的作用，因此计算得到的拉杆的内力要比采用只拉杆件计算的到的拉力小得多，这使得支撑的设计偏于不安全。同时拉压杆件模型下系杆、夹层梁的内力也远低于只拉杆件模型，因此拉压杆件模型下的系杆、夹层梁设计也将是偏于不安全的。
四．利用导出轴线平面结构功能转化成二维问题
MTS软件可以对复杂门式刚架结果进行建模和计算，软件提供了只拉杆件单元，可以更为精确的模拟支撑。这样对于复杂门式刚架，可以通过三维模型对纵向体系进行计算设计。对于较规则的复杂门式刚架（如图1），在考虑横向体系时，设计人员往往可以采用二维模型来进行计算分析，这样有利于简化操作。
因