钢结构的优化设计

钢结构的优化设计

随着我国经济的快速增长，钢结构越来越多的被应用在民用及工业建筑中。与钢筋砼结构相比，钢结构具有轻质高强的特点，其强度重量比指数是钢筋砼结构的5倍以上，可显著降低基础的造价，能显著减轻结构自重25%以上。由于钢材轻质高强,其梁柱截面尺寸相对较小, 可节约使用面积;钢结构工厂化程度高，构件均在工厂加工制作，现场安装，一般比钢筋砼结构施工速度约快1.5倍，可为整个项目的安全投产争取了很多宝贵时间。同时钢结构柱网尺寸可以比砼结构大，便于使用。正因为钢结构具有以上的优点,目前钢框架结构才被广泛的应用在主厂房、准车间中。

一、钢框架结构布置

1、布置原则：

对于平面、竖向不规则的要求与钢筋砼结构相同，抗震设计要符合“强节点弱构件、强柱弱梁、强焊缝弱钢材”的原则，对于框架，使节点的承载力高于构件的承载力，防止节点的破坏先干构件的破坏，是确保构件整体性的必要条件，但节点又不可过强，应允许地震时梁、柱节点域的板件能产生一定量的剪切屈服变形，以提高整个框架的延性, “强柱弱梁”的道理与钢筋砼结构一样，有利于提高框架的防倒塌能力;由于构件焊缝的延性，一般低于被连接构件的钢材延性，因此要求焊缝的承载力应高于被连接钢材板件的承载力，可以使构件的屈服截面避开焊缝而位于钢板件之中,从而提高构件以至整个结构的延性，螺栓连接的延性等抗震性能优于焊缝连接，重要的构件和节点

宜采用高

强度螺栓连接。

2、柱、梁布置；

钢框架柱截面形式常用的有箱形截面、H型截面、十字工形截面等。箱形截面的受弯载力较强，截面性能没有强、弱轴之分,截面尺寸可以按照两个方面的刚度强度要求而定，经济、合理，缺点是需要拼装焊接，焊接工艺要求高，加工量大；轧制宽翼缘H型钢优点是加工、杆件连接容易,但有强、弱轴之分，当层高较高时，弱轴的长细比就不容易满足；十字形截面钢柱的两侧刚度都较大，能很好的承受柱侧钢梁传来的弯矩。十字形截面钢柱的两侧刚度一致，长细比容易满足，梁柱节点也制作方便。鉴于主厂房内大型设备多，楼层荷载很重，加上有时候大层高，大跨度，使得钢柱两侧的弯矩均很大，钢柱本身的轴力也很大，这时候采用十字形截面钢柱是比较合适的。I字形截面梁的经济跨度为6〜12m,一般框架梁、次梁均选用I字形梁。次梁是钢结构中数量最多的构件，占结构用钢量的比例较大。布置次梁时应有利于荷载均匀分布和明确传力途径。钢次梁一般宜与主梁铰接相连，连续的组合梁虽可减小梁的跨中弯矩和挠度，但与主梁受弯节点要求采用栓焊法或在钢梁上、下翼缘设置钢盖板法相连时，将增加较多的焊接工作量，实际工程中很少采用。次梁的间距一般为1.5〜2.5m, 在震动设备比较集中，荷载比较大的地方间距还要适量减小。

3、楼板布置

钢结构的楼板宜采用压型钢板现浇钢筋砼组合楼板或非组合楼

板。也可同钢筋砼结构一样采用钢筋砼现浇楼板。在无抗震设防要求时，可采用予制楼板（限于厂房内埋件较多，不适用）。组合楼板在使用阶段压型钢板可作为砼楼板的受拉钢筋。压型钢板镀锌量不多，板厚不应小于0.75mm,在板底需刷防火涂料，目前防火涂料价格还是较高而且量又大，因此采用组合楼板造价一般较高。非组合楼板在使用阶段，压型钢板不代替砼板的受拉钢筋，按普通钢筋砼楼板计算。其承载力在施工阶段,要考虑由压型钢板承担未结硬的湿砼板的重量和施工活荷载。压型钢板宜采用具有防锈功能的镀锌板，板底不需刷防火涂料，板厚不应小于O.5mm,压型钢板仅做为模板使用。组合楼板、非组合楼板及钢筋砼楼板均需在钢梁顶设置圆柱头栓钉，栓钉需穿透钢板焊于钢梁翼缘上，栓钉直径d根据板跨度大

小,13

二、节点设计

多高层钢结构节点的受力状况比较复杂，构造要求相当严格，故节点的设计至关重要。节点设计的基本原则：

1）、节点受力应该力求简捷、明确；

2）、保证节点足够的强度，后于构件破坏；

3）、节点连接应具有良好的延性，故设计中应采用合理的细部构造，不宜采用约束度大的和易产生层状撕裂的连接形式；

4）、构件拼接一般按等强度原则；

5）、尽量简化节点构造，以便于加工、安装。

1、梁柱节点

梁柱节点通常采用刚性连接，并通常采用栓焊混合连接;梁的

上、

下翼缘用坡口全熔透焊缝与柱翼缘连接，腹板用摩擦型高强度螺栓与柱翼缘上的剪力板连接，原则上梁端弯矩由梁翼缘负担,梁端剪力由梁腹板承担，在梁的对应位置设置柱的水平加劲肋。对抗震设防的结构, 水平加劲肋应与梁翼缘等厚，水平加劲肋与柱采用坡口全熔透焊缝焊按，当柱两侧梁高度不等时，每个梁翼缘对应位置均应设置柱的水平加劲肋，加劲肋之间的距离不小于150mm，也可设置坡度小于1:3的加劲肋或将截面高度较小的梁腹板高度局部加大，腋部翼缘的坡度不得大于1:3。

2、柱拼接、梁拼接

当柱、梁长度大于14-15m左右时，不便于运输和装配，需要在工地现场进行拼接。柱接头应位于框架节点塑性区以外，一般宜在框架梁上方1.3m附近，柱接头的设计应满足极限承载力Ma N1.2Mpc的原则（Ma:极限受弯承载力;Mpc:全塑性受弯承载力）,1字形截面柱的工地接头，翼缘采用全熔透坡口焊接，腹板用高强度螺栓连接，也可采用焊接, 在上柱腹板开K形坡口，要求焊透。梁接头应位于框架节点塑性区以外，即从梁端算起的1/10跨长并应大于1.6m,拼接接头由;翼缘承担弯矩,腹板承担剪力。梁的拼接主要用于梁与柱全焊接节点

的柱外悬臂梁段与中间梁段的连接，连接形式有:翼缘为全溶透焊接,腹板为高强度螺栓连接；翼缘、腹板都用高强度螺栓连接；翼缘、腹板都用全溶透焊接。

3、框架梁的侧向隅撑

按抗震设计的框架梁，在梁可能出现塑性铰处（通常距柱轴线1/8〜1/10梁跨处），梁上下翼缘均应设置侧向隅撑。

主梁的侧向隅撑

三、防锈、防火

钢构件制作完毕后进行喷砂除锈处理，除锈等级Sa2.5;钢结构表面防护底漆两道,漆膜总厚度三60 u m,面漆颜色由业主自定;高强螺栓连接范围内的钢构件接触面不得涂刷油漆;需要现场焊接构件的焊接范围内由现场涂刷油漆;埋入式柱脚在混凝土中部分不得涂刷油漆;钢结构在使用过程中应定期进行油漆、维护。需做防火涂层的钢材表面可除锈后只做底漆涂层。主钢结构出厂时涂覆醇酸防锈底漆，干膜厚度不小于60 u m,在结构安装后涂覆与底漆相容的防锈面漆。钢结构宜采