多層框架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

劉曉光

九易莊宸科技（集團(tuán)）股份有限公司，河北 石家莊 050000

多層框架鋼結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于工業(yè)建筑與民用建筑施工，在工業(yè)建筑中常見于多層工業(yè)廠房以及石化項(xiàng)目設(shè)備框架和倉庫施工，在民用建筑中則常見于商場、賓館和辦公大樓等建筑物。因?yàn)槎鄬涌蚣茕摻Y(jié)構(gòu)本身擁有非常好的延展性以及抗震性能，所以在實(shí)際施工中被廣泛應(yīng)用。筆者基于鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)多層框架鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)與探討。

1 多層框架鋼結(jié)構(gòu)體系

1.1 純框架體系

純框架體系是指在構(gòu)建框架的過程中，主要由橫梁和立柱以及用剛接的形式將構(gòu)件連接在一起。在純框架結(jié)構(gòu)當(dāng)中，主梁之間按照樓板或者承受荷載的位置要求布置次梁，而鋼結(jié)構(gòu)的豎向荷載大多數(shù)都是通過螺桿及主梁和次梁以及柱子傳遞給基礎(chǔ)。側(cè)向荷載是通過梁及柱的撓曲來承受的，因此在水平力的作用下，梁和柱都會(huì)出現(xiàn)剪力及彎曲變形。

1.2 框架支撐體系

在框架當(dāng)中增加一些支撐可以形成擁有支撐的框架體系，而且框架體系中的支撐桿件會(huì)承擔(dān)非常多的水平側(cè)力，增加框架自身的抗側(cè)剛度。對(duì)于框架支撐體系而言，支撐的構(gòu)件會(huì)承受軸向拉力或壓力，因此軸向的變形剛度與框架梁柱桿件之間的抗彎剛度相比會(huì)更大。在水平力的作用下框架本身出現(xiàn)的變形是剪切變形，因而底層間位移會(huì)變大，但是對(duì)于支撐體系來說，出現(xiàn)的變形是彎曲變形，底部產(chǎn)生的位移比較小，在兩者的共同作用下建筑物下方出現(xiàn)的層間位移會(huì)變得非常小。

2 多層框架鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件

2.1 框架梁構(gòu)件

在多層框架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，框架梁大多是按照受彎構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定度和高度計(jì)算分析的，因此型鋼梁的截面在選擇的過程中主要依靠內(nèi)力分析計(jì)算所得結(jié)果，確定型鋼梁的危險(xiǎn)截面最不利彎矩，然后根據(jù)型鋼梁的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值得到框架梁的凈截面抵抗矩，再在型鋼規(guī)格表當(dāng)中選擇型鋼的型號(hào)。如果型鋼本身的強(qiáng)度不滿足要求，實(shí)際設(shè)計(jì)中需要選取截面板件厚度級(jí)別更大的型鋼；如果型鋼本身的抗彎性能不滿足要求，則需要增加型鋼的翼緣厚度；如果型鋼本身的抗剪性能不滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需要，則需要增加腹板厚度。除此之外，若變形性能不滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需要，那么需要通過增加構(gòu)件的截面高度來提高變形性能。多層鋼結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 多層鋼結(jié)構(gòu)框架

2.2 框架柱構(gòu)件

對(duì)于框架柱結(jié)構(gòu)，如果其自身所受彎矩比較小，那么可以認(rèn)為框架柱是軸壓柱，因?yàn)榭蚣苤皇仟?dú)立存在的，是整個(gè)框架結(jié)構(gòu)當(dāng)中的一部分，所以框架柱兩端會(huì)受到和框架柱相鄰的構(gòu)件所產(chǎn)生的約束。在對(duì)多層框架柱進(jìn)行穩(wěn)定數(shù)據(jù)驗(yàn)算的過程中，最規(guī)范的驗(yàn)算方法是長度系數(shù)法。又因?yàn)榭蚣苤旧韺儆趬簭潣?gòu)件，所以在確定長細(xì)比之后，可以依靠內(nèi)力分析結(jié)果并配合一些簡單的計(jì)算公式對(duì)截面尺寸進(jìn)行初步估算。估算結(jié)束之后，通過多次強(qiáng)度驗(yàn)算以及剛度驗(yàn)算和整體穩(wěn)定驗(yàn)算得到最終框架柱的合理截面。

2.3 支撐構(gòu)件

在多層框架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于支撐構(gòu)件，大多都選擇雙軸對(duì)稱截面，如H型鋼以及工字鋼和雙槽鋼組合截面等都屬于雙軸對(duì)稱截面。在一些特殊情況下，也可以選擇使用單軸對(duì)稱截面，如雙角鋼組合形成的T形截面，但在實(shí)際應(yīng)用過程中為了避免支撐構(gòu)件繞對(duì)稱軸失去穩(wěn)定性，需要采取合理的措施來保障其穩(wěn)定性。針對(duì)支撐構(gòu)件開展計(jì)算工作時(shí)，通常是按照軸向受力構(gòu)件開展計(jì)算工作，對(duì)于一些地震效應(yīng)比較多的地區(qū)采用支撐構(gòu)件時(shí)，還需要對(duì)支撐斜桿的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。支撐構(gòu)件本身的形心線需要通過梁和柱軸線的交點(diǎn)，而且要盡可能保證不會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)附加力矩，同時(shí)支撐構(gòu)件的端部節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)成剛接，或設(shè)計(jì)成鉸接。

3 多層框架鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在多層框架鋼結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)的連接主要是為了保障鋼結(jié)構(gòu)本身的安全性，故節(jié)點(diǎn)連接是結(jié)構(gòu)安全性保障的最關(guān)鍵內(nèi)容，這也就對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性提出了更高的要求。節(jié)點(diǎn)是多層框架鋼結(jié)構(gòu)中構(gòu)件和構(gòu)件之間的連接部位，其本身的受力情況非常復(fù)雜，尤其是在一些結(jié)構(gòu)當(dāng)中節(jié)點(diǎn)處容易出現(xiàn)局部變形或者應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種情況下的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)算工作都具有非常大的難度。對(duì)于多層框架鋼結(jié)構(gòu)而言，最基本的組成構(gòu)件是梁柱和支撐，故在整個(gè)框架結(jié)構(gòu)體系中出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)主要包括梁柱節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)、主次梁節(jié)點(diǎn)，以及柱柱和梁梁拼接節(jié)點(diǎn)、支撐與柱節(jié)點(diǎn)。若以構(gòu)造形式和力學(xué)特性來分類，那么節(jié)點(diǎn)又可以分為鉸接節(jié)點(diǎn)以及半剛和剛性節(jié)點(diǎn)。如果根據(jù)連接形式及方法進(jìn)行區(qū)分，又可以將節(jié)點(diǎn)分成焊接和高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)兩種。高強(qiáng)螺栓連接和全焊連接如圖2、圖3所示。

圖2 高強(qiáng)螺栓連接

圖3 全焊連接

在對(duì)多層框架鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照以下原則開展設(shè)計(jì)工作。首先，要保證節(jié)點(diǎn)的受力情況簡單且明確，最終計(jì)算分析出的節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)和多層框架鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況保持一致。其次，在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的過程中，應(yīng)當(dāng)確保節(jié)點(diǎn)連接處有足夠的強(qiáng)度，而且節(jié)點(diǎn)被破壞不能夠比構(gòu)件被破壞更早，這主要是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的主要作用是連接各構(gòu)件，如果節(jié)點(diǎn)早于構(gòu)件被破壞，那么整個(gè)框架穩(wěn)定性都會(huì)受到影響。再次，應(yīng)當(dāng)確保節(jié)點(diǎn)有較好的延性，這是為了使連接處有良好的靈活性以及延展性，保證各構(gòu)件在動(dòng)作的過程中不會(huì)被破壞。最后，在拼接構(gòu)件的過程中，要根據(jù)強(qiáng)度原則進(jìn)行設(shè)計(jì)并拼接。

4 多層框架鋼結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)

多層框架鋼結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)主要按照如下幾個(gè)方面來完成。首先，在設(shè)計(jì)的過程中所選擇的方案應(yīng)當(dāng)具有更好的延性，也就是說要選擇延性比較好的全鋼接框架以及部分鋼接框架，嚴(yán)格禁止使用全鉸接框架和支撐結(jié)構(gòu)形式。其次，應(yīng)當(dāng)組建多道結(jié)構(gòu)防線。在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，要全方位落實(shí)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件理念，即節(jié)點(diǎn)的極限承載力要比構(gòu)件的極限承載力更大，這樣才能保證在地震的作用下節(jié)點(diǎn)本身不會(huì)比構(gòu)件更早被破壞，使框架整體的穩(wěn)定性與安全性得到保障。再次，要貫徹落實(shí)強(qiáng)柱弱梁的理念。最后，是設(shè)計(jì)的過程中，為了應(yīng)對(duì)罕見的地震作用，需要增設(shè)偏心支撐。

5 結(jié)束語

多層框架鋼結(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)是在實(shí)際施工過程中更加靈活且更加方便，具備更好的抗震性及抗剪性能，因而被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的工業(yè)領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域。在開展相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，要保證多層框架鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而保障施工質(zhì)量及工程質(zhì)量。相關(guān)的設(shè)計(jì)工作人員要不斷研究并掌握多層框架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的規(guī)范及要點(diǎn)，這樣才能更好地提升鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。