基于結(jié)構(gòu)體系可靠度的鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探究

摘 要：鋼框架結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、施工方便、工期比較短以及良好的抗震性等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)和民用建筑中利用的比較多。鋼框架結(jié)構(gòu)是一種比較常見(jiàn)也是利用率比較高的一種鋼結(jié)構(gòu)，隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，鋼框架結(jié)構(gòu)得到了人們的關(guān)注。加強(qiáng)鋼框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性設(shè)計(jì)也成為了人們研究的熱點(diǎn)，本文將圍繞鋼框架結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：鋼框架；結(jié)構(gòu)；可靠性；應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）07-0014-02

鋼框架是利用鋼材作為材料，利用鋼梁和鋼柱來(lái)承受建筑物的垂直和水平應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，在一些大跨度或者需要承擔(dān)較大荷載的工業(yè)廠房以及部分民用建筑中用的比較多，在國(guó)外的影響高層建筑中，鋼框架結(jié)構(gòu)得到比較廣泛的利用，例如美國(guó)的芝加哥西爾斯大廈和著名的紐約帝國(guó)大廈，都利用了這種結(jié)構(gòu)。在工業(yè)廠房中主要是在影響有重型吊車和跨度較大的結(jié)構(gòu)在用的比較廣泛，其中鋼框架可以分為單階和雙階柱，鋼框架主要用來(lái)承受樓板或者屋面的荷載、地震荷載以及水平方向上的風(fēng)荷載等，鋼桿件一般利用焊接的方法進(jìn)行連接，鉚接和高強(qiáng)度螺栓也用的比較多。

1 鋼框架的特點(diǎn)

利用鋼框架結(jié)構(gòu)可以充分的利用和擴(kuò)展建筑的空間，由于其主截面相對(duì)比較小，可以有效的增加建筑面積，形成比較大的利用空間，而且其結(jié)構(gòu)之間的剛度分布比較均勻，施工布置上比較靈活，構(gòu)造相對(duì)比較簡(jiǎn)單，施工容易實(shí)現(xiàn)而且速度快，工期相對(duì)比較短。具有比較好的抗震性能，由于鋼材具有非常好的強(qiáng)度和剪切性能，以及拉伸和扭轉(zhuǎn)等機(jī)械性能，可以很好的抵抗地震的破壞外力，使鋼框架具有比較突出的抵抗地震的變形能力。而且鋼框架結(jié)構(gòu)和其它的建筑結(jié)構(gòu)相比，自主比較輕，可以有效的減少建筑結(jié)構(gòu)的自重對(duì)于基礎(chǔ)的荷載和應(yīng)力，增強(qiáng)基礎(chǔ)的抗地震能力。

2 加強(qiáng)鋼框架結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)的意義

鋼框架結(jié)構(gòu)是指沿房屋的橫向和縱向用鋼柱或者鋼梁組成的框架結(jié)構(gòu)，這種框架結(jié)構(gòu)主要用來(lái)作為承重和抵抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)體系。鋼框架在工業(yè)廠房的建設(shè)中應(yīng)用的比較多，是一種比較常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)體系，在建筑領(lǐng)域中也得到了快速的發(fā)展，在生活和生產(chǎn)中得到了比較廣泛的應(yīng)用。鋼框架梁柱連接的形式直接的影響到了框架的受力，也影響到了鋼框架的剛度和可靠性。由于鋼框架本身的側(cè)向剛度比較小，在水平荷載的作用下容易產(chǎn)生二階效應(yīng)，在地震時(shí)，二階效應(yīng)更加明顯，容易引起結(jié)構(gòu)中非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件的破壞。鋼框架結(jié)構(gòu)在豎直應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致鋼框架主的軸向應(yīng)力隨著層數(shù)的增多自上而下逐漸的表達(dá)，特別是位于地層的鋼框架柱的應(yīng)力相對(duì)比較大，鋼框架梁和框架柱上的其他應(yīng)力如剪力和彎矩則沒(méi)有隨著空間位置的變動(dòng)而又顯著的增加。在水平應(yīng)力的作用下，框架柱和框架梁中的能力，如彎矩、剪力和軸向力都隨著層數(shù)自上而下而逐漸的增大，常常在底層的框架梁的梁端的內(nèi)力最大，這些因素都影響了鋼框架結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性。

3 鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定，鋼框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力應(yīng)當(dāng)滿足以下兩個(gè)條件：

3.1 框結(jié)構(gòu)可以用一階彈性分析的方法

3.2 對(duì)于的框架結(jié)構(gòu)，通常采用二階彈性分析的方法

其中，式子中的∑N表示樓層中軸心應(yīng)力總和設(shè)計(jì)的數(shù)值；∑H表示產(chǎn)生層間側(cè)位移△μ的樓層和各個(gè)樓層的水平應(yīng)力的和；[△μ]表示按照一階彈性分析時(shí)所得到的樓層間的側(cè)位移，如果需要用二階彈性分析時(shí)，[△μ]可以取 [△μ]來(lái)進(jìn)行計(jì)算，h表示需要計(jì)算的樓層的層高。在研究鋼框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性時(shí)，就需要對(duì)鋼框架的內(nèi)力、位移以及位移對(duì)內(nèi)力的影響，然后根據(jù)變形后的結(jié)構(gòu)體系建立平衡條件，即考慮P-△的影響影響。所以在鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中通常采用二階分析的方法，對(duì)于沒(méi)有側(cè)位移的鋼框架，由于沒(méi)有P-△的影響，只有P-δ的影響效應(yīng)，在這種情況下可以使用長(zhǎng)度計(jì)算的方法。

長(zhǎng)度計(jì)算法就是通過(guò)結(jié)構(gòu)體系中的系數(shù)μ來(lái)計(jì)算框架中柱子的穩(wěn)定性，進(jìn)而來(lái)考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的可靠性和穩(wěn)定性，這種方法看似是只是對(duì)柱子進(jìn)行計(jì)算，但是由于長(zhǎng)度系數(shù)μ，所以其計(jì)算結(jié)果就是整個(gè)鋼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，就是對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性的計(jì)算。為了計(jì)算無(wú)測(cè)位移鋼框架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，可以根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，做以下假設(shè)：在發(fā)生失穩(wěn)時(shí)橫梁的兩端的角度的變形情況相同；鋼框架只承受到了對(duì)于節(jié)點(diǎn)的豎向應(yīng)力，可以忽略水平應(yīng)力和橫梁內(nèi)力對(duì)鋼框架端口處彎矩的影響；當(dāng)鋼框架所有的柱子發(fā)生失穩(wěn)時(shí)，也就是表明鋼框架所有的柱子達(dá)到了臨界應(yīng)力條件。按照規(guī)范給出的計(jì)算柱子長(zhǎng)度系數(shù)的表格中的數(shù)據(jù)，其中變量K1、K2分別表示在柱子上下端口節(jié)點(diǎn)的橫梁線剛度的和與柱線剛度和的比值，當(dāng)橫梁和柱子鉸接時(shí)，橫梁線的剛度為零，當(dāng)柱子和基礎(chǔ)剛連接時(shí)，可以取K2=10。結(jié)果整理和計(jì)算可以得到長(zhǎng)度系數(shù)μ的近似計(jì)算公式，可以得到梁柱線剛度的比值在不同情況下的規(guī)律。

沒(méi)有側(cè)位移情況的單層或者多層鋼框架的底層柱的長(zhǎng)度系數(shù)的計(jì)算方法，當(dāng)?shù)讓又M(jìn)行剛度固定時(shí)，可以取K2=10進(jìn)行計(jì)算，得到長(zhǎng)度系數(shù)，關(guān)系線如圖1所示。

圖 1

當(dāng)柱腳采用鉸支固定時(shí)，取K2=0，可以得到，其關(guān)系線如圖2所示。

圖 2

有側(cè)位移的單層或者多層鋼框架底層柱的長(zhǎng)度系數(shù)的計(jì)算方法，當(dāng)柱子采用剛度固定時(shí)，取K2=10進(jìn)行計(jì)算，得到，其關(guān)系變化曲線如圖3所示。

圖 3

當(dāng)柱腳采用鉸支固定時(shí)， 取K2=0， 可以得到，其關(guān)系線如圖4所示。

圖 4

通過(guò)上面的公式可以看到，隨著K1、K2的增大，長(zhǎng)度系數(shù)μ會(huì)逐漸的減小。

在運(yùn)用二階彈性分析時(shí)，按照規(guī)范的要求，要在每層柱頂加上一個(gè)假想的水平力Hni，Hni的計(jì)算方法如下式所示：

式中，Qi表示第i層樓層的全部重力荷載的設(shè)計(jì)值，ns表示鋼框架在全部層數(shù)，當(dāng)時(shí)，取值為1，αr表示鋼框架材料的強(qiáng)度影響系數(shù)，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Q235鋼材為1.0，Q390鋼材為1.0，Q345為1.1。

對(duì)于有側(cè)位移的鋼框架結(jié)構(gòu)在利用二階彈性方法分析時(shí)，其中各個(gè)桿桿端的彎矩可以按照下式進(jìn)行近似計(jì)算：

式中，Mivb表示鋼框架在沒(méi)有側(cè)位移時(shí)按照一階彈性分析的方法得到的各個(gè)桿端的彎矩，Mivs表示其中各桿節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行側(cè)位移時(shí)按照一階彈性分析的方法得到各個(gè)桿端的彎矩，表示二階效應(yīng)時(shí)第i層的側(cè)位移彎矩增大的系數(shù)。對(duì)于具有側(cè)位移的鋼框架，在利用一階彈性分析的方法計(jì)算鋼框架的內(nèi)力時(shí)，柱子的長(zhǎng)度系數(shù)按照有側(cè)位移的鋼框架的有關(guān)規(guī)定來(lái)選擇。如果要利用二階彈性分析的方法來(lái)計(jì)算鋼框架的內(nèi)力時(shí)，需要在每層柱頂加上一個(gè)假想的水平應(yīng)力Hni，還要考慮P-△的影響，柱子的計(jì)算長(zhǎng)度可以選擇幾何長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算。穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)值可以按照下式進(jìn)行驗(yàn)證：

式中，φx表示截面系數(shù)，可以查表得到；，μ′表示為長(zhǎng)度系數(shù)，是在原來(lái)的長(zhǎng)度系數(shù)的基礎(chǔ)上乘以放大系數(shù)得到的。

鋼框架的穩(wěn)定性和可靠性和橫梁和柱腳的連接方式有很大的關(guān)系，也和柱子本身的截面特點(diǎn)有關(guān)，隨著橫梁剛度的不斷變大，鋼框架的穩(wěn)定性也會(huì)不斷的提高。在針對(duì)鋼框架穩(wěn)定性和可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于有側(cè)位移的鋼架，需要考慮在應(yīng)力作用下鋼框架的二階效應(yīng)，如果≤0.01，這個(gè)時(shí)候可以不考慮鋼框架的二階效應(yīng)，可以直接利用計(jì)算長(zhǎng)度的方法；如果>0.1時(shí)，在用計(jì)算長(zhǎng)度方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)存在不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，需要進(jìn)一步的考慮到鋼框架的二階效應(yīng)。

對(duì)于鋼框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性的設(shè)計(jì)主要是分析和驗(yàn)證各個(gè)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，使它們能夠達(dá)到穩(wěn)定性的要求。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行整體的一階分析，然后確定其中各個(gè)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力或者失穩(wěn)應(yīng)力；然后利用具體的公式對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。在利用計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的方法來(lái)確定鋼框架結(jié)構(gòu)整體和部分構(gòu)建的相互作用方面，具有比較突出的優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)力的計(jì)算和分析相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而且還可以利用疊加的方法計(jì)算總應(yīng)力。在工程實(shí)踐中，這種方法具有非常好的可靠性，所以得到了設(shè)計(jì)人員的廣泛的利用。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元分析技術(shù)的發(fā)展，一些具有更加可靠性的設(shè)計(jì)方法也得到了人們的重視，比較突出的是高等分析的方法，有可能成為將來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方法。

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作者簡(jiǎn)介：謝復(fù)久（1981-），男，甘肅省武威市人，中級(jí)工程師，本科。研究方向：工業(yè)與民用建筑。