多层钢框架的结构设计要点分析

多层钢框架的结构设计要点分析

发表时间：2010-10-22T13:23:44.780Z 来源：《魅力中国》2010年9月第3期供稿作者：裴雪君[导读] 钢结构具有强度高、加工简便、施工周期短、质量轻等优点，已成为建筑行业的“朝阳产业”。

裴雪君合肥水泥研究设计院，安徽合肥 230051 摘要：钢框架结构具有受力明确、具有很好的抗震延性、生态环保、建筑平面布置灵活、使用空间大等诸多优点，但同时也存在侧向刚度较小的缺点。文章简要探讨了多层钢框架结构的设计要点，主要包括结构体系的选择和刚性节点的设计措施。关键词：钢框架；结构设计；荷载一、引言钢结构具有强度高、加工简便、施工周期短、质量轻等优点，已成为建筑行业的“朝阳产业”。但由于钢结构同时也存在着刚度变小、侧移变大、对抗侧力体系、墙体和楼板的要求较高等问题，这就对钢结构建筑的设计提出了非常高的要求。下面笔者简要探讨多层钢框架的结构设计要点。

二、多层钢结构房屋的结构体系及选用多层钢结构房屋的结构体系通常有框架体系、框架-剪力墙体系、框架-核心筒体系、框架-支撑体系、框架-墙板体系，以及它们的混合体系。框架不仅是主要承重结构，同时也是抗侧力体系。这些结构体系各有优缺点，其主要区别在于结构的抗侧力体系不同，故它们具有不同的抗侧能力，抗侧刚度由弱到强依次为框架体系、框架-支撑体系、框架-剪力墙体系和框架-核心筒体系。多层钢结构房屋的结构体系的选用主要应考虑以下几个方面：1.建筑物的抗震设防等级以及房屋高度越高，其受到风荷载、地震作用等的影响也越大，所以对于抗震设防要求较高的建筑物，框架-支撑结构体系宜优先考虑，因为其不仅构造相对简单，而且抗侧力效果也显著；而对于抗震设防要求不高、楼层低的建筑物，可采取框架结构体系；建筑设计中含有电梯、管道井等结构时，可用框架-核心筒结构。

2.结构体系的选择还受到建筑功能与要求的制约，如框架-剪力墙体系和框架-核心筒体系能够充分满足建筑物内部的空间要求。

3.结构体系的选择也受到施工条件的制约。由于钢结构的构件在工厂加工，现场拼接安装，可有效缩短施工周期；而混凝土的抗侧力结构体系需对混凝土进行现场浇筑和养护，会延长施工周期，所以如果施工工期紧，则可采用纯钢的结构体系。

4.结构体系的选择还应考虑工程造价方面的因素。结构的抗侧能力越高，工程造价也会相应的越高。若采用混凝土的抗侧力体系，就应充分考虑其自重对结构基础的负面影响，必然会增加基础处理的费用。故在地质条件较差的地区，可采用纯钢框架结构体系，以降低对抗侧力的要求，同时降低基础造价。

三、多层钢框架的结构的节点设计据多次震害表明：钢框架结构在地震中容易受到破坏的是刚性梁柱节点，而发生钢梁、柱构件破坏的情况很少，可见目前的梁柱刚性连接方式存在抗震能力不足的问题。而地震中的钢框架梁柱刚性连接节点的破坏集中在节点下翼缘焊缝处，而上翼缘的破坏要相对少得多，下面笔者简要分析如何加强钢框架结构梁柱的刚性节点设计。

1.采用新型的节点构造形式（1）梁端削弱式节点，即对靠近梁柱节点的钢梁进行削弱，使得地震中削弱处先于梁柱节点出现塑性铰，从而起到保护梁柱刚性连接节点的作用。通常有这两种形式：①狗骨式节点。它是对靠近梁柱节点的钢梁翼缘进行削弱，实现塑性铰外移，根据削弱形状不同分为直线形、锥形、圆弧形，它可起到保险丝效果，通过削弱梁来保护节点。狗骨式连接主要是考虑到梁端与柱的连接焊缝难免存在缺陷，可能导致连接承载力低于梁的承载力，不得已采取削弱梁截面抗弯能力的措施，也相当于提高了连接的抗弯能力，改变了两者之间的强弱关系，使得水平地震作用下框架在不会首先在连接处破坏。实验表明，当梁翼缘被削弱40%时，结构刚度降低4%～5%，被削弱50%时降低6%～7%左右，所以设计时需考虑刚度变化对整体分析的影响。此方法符合“强连接弱杆件”设计思路，故不会影响到梁柱连接处节点设计、安装。在加工构件时，对加工工艺有较高要求，处理圆弧削弱要求加工尺寸准确，切割面光滑无尖角，磨平时应顺翼缘长度方向加工，避免应力集中。

②槽型节点。它是将在梁腹板靠近柱翼缘处沿梁轴线方向切出上下两个槽，其中腹板上槽的存在不会明显地影响梁弹性阶段载荷——位移特性，并具有如下特点：减小节点焊缝处的应力集中；塑性铰外移；改变了节点的破坏模式。（2）梁端加强式节点，即增大梁端及其与钢柱焊接的截面，使得梁端及节点承载能力比其他截面的高，在地震作用下，接近梁端的正常钢梁截面因截面较小，使加强的梁端及梁柱节点尚未进入塑性受力状态时，便先形成塑性铰，从而保护了梁柱刚性连接节点。加强的形式有这两种：①改进的加盖板节点。盖板式连接的设计思想就是加强连接承载力，它是地震后最先提出的一种方案。这种连接在试验室进行大尺寸试件研究时，可获得比以往的连接更好的延性，但有时易出现一些脆性破坏。并且这种连接会使得盖板与梁翼缘的焊接及其检测比较困难，尤其是采用厚盖板时将使坡口焊很大，更容易在梁翼缘和盖板交接处产生残余应力，并且致使焊缝的收缩、复原等更加困难。改进的方法是使梁翼缘不直接与柱连接，消除了盖板与梁翼缘间的人工缝，所以其性能要优于盖板连接。

②加腋节点。即在节点部位梁的下面加上三角形的梁腋，以增加节点处截面的有效高度，迫使塑性铰在梁腋区域外形成，降低了梁下翼缘处焊缝的应力。但由于增加了节点区域的焊缝，从而增大了该处发生脆性断裂的可能性。

2.改变焊接工艺柱在梁翼缘上下各500 mm的节点范围内，腹板与翼缘间的连接焊缝应采用坡口全熔透焊缝。为保证梁上下翼缘与柱焊接采用的垫板和柱翼缘之间充分焊透，可在焊接时采用去掉焊接垫板的做法，同时采取其他减少焊接缺陷的焊接工艺，这样还可减少应力集中。此外，还应采取限制梁平面外的长细比、受压构件的长细比、构件组成板件的宽厚比，并采取措施增强连接节点的承载能力，使钢框架结构能承受较大的往复塑性变形，提高抗震能力。

四、结语

钢结构工程在我国还是比较新兴的一种结构形式，其设计与施工的技术水平还远未像混凝土结构那样成熟，因此，我们广大设计人员应在工程实践中不断探索和总结，并大胆学习和借鉴国外先进技术，努力提高我们钢结构的设计水平。参考文献：

[1] 陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:科学出版社，2005.

[2] 郭兵，纪伟东等.多层民用钢结构房屋设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.