兩層鋼結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計參數(shù)選擇

摘 要：本文簡單介紹了《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于板件寬厚比的設(shè)置要求并比較分析了兩本規(guī)范不同要求的目的，通過簡單的工程實例參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中梁端、柱端加密區(qū)提出了抗震設(shè)防地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中區(qū)分構(gòu)件塑性區(qū)和塑性區(qū)以外分別執(zhí)行不同的規(guī)范構(gòu)造要求，并給出在實際工程中的節(jié)點構(gòu)造處理。比較與常規(guī)設(shè)計下的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在不增加計算工作量的情況下，通過合理的設(shè)計參數(shù)選擇，降低結(jié)構(gòu)的用鋼量。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；框架；設(shè)計參數(shù)

中圖分類號：TU3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）12-0006-01

1 工程概況和設(shè)計資料

某機(jī)械焊接廠房，結(jié)構(gòu)為兩層鋼框架-支撐體系。結(jié)構(gòu)橫向尺寸為48m，四等跨跨距為12m；結(jié)構(gòu)縱向尺寸為84m，采用等柱距，柱距為7m。結(jié)構(gòu)二層層高分別為5.0m、5.3m，總高度為10.3m。

本工程屬于丙類建筑，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.2g，設(shè)計地震分組為第一組。場地土類別為Ⅱ類，地面粗燥度為B類，基本分壓ω=0.45kN/m2，基本雪壓0.3kN/m2。

2 構(gòu)件設(shè)計參數(shù)選擇

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》8.1.3條本工程鋼框架的抗震等級為三級，結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的基本抗震構(gòu)造要求需要滿足《規(guī)范》8.3.2的要求。

需要說明的是，童根樹老師在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法》書中指出，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面根據(jù)截面承載力、塑性轉(zhuǎn)動變形能力的不同，可以分為以下四類：

Ⅳ類截面：允許鋼構(gòu)件的板件發(fā)生局部屈曲，稱為薄壁截面；

Ⅲ類截面：鋼截面的邊緣最大應(yīng)力不超過鋼材的屈服強(qiáng)度（邊緣纖維屈服準(zhǔn)則）；

Ⅱ類截面：截面形成塑性鉸，但是不要求大的轉(zhuǎn)動能力；

Ⅰ類截面：截面形成塑性鉸，但是要求較大的轉(zhuǎn)動能力。

在抗震設(shè)防地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011進(jìn)行抗震驗算，并符合上述抗震構(gòu)造要求。因此，本工程我們可以有下述三種選擇方案：

方案一，框架梁、柱截面寬厚比選擇Ⅱ類截面；

方案二，框架梁、柱截面寬厚比選擇Ⅲ類截面；

方案三，框架梁端、柱端截面寬厚比選擇Ⅱ類截面，梁端、柱端較大應(yīng)力區(qū)域以外截面寬厚比選擇Ⅲ類截面。

方案一是常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計做法，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件滿足抗震設(shè)計的構(gòu)造措施要求；方案二通常用于抗震不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)實際工程的計算分析，采用性能化設(shè)計方法，按“低延性，高彈性承載力”的抗震設(shè)計思路來確定板件寬厚比。對比方案一，方案二雖然板件厚度可以減薄，但是板件截面明顯加大，用于高烈度區(qū)不太合適。方案三根據(jù)桿件受力特點，端部受力大，中間小的特點，端部截面按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，中間截面滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。

結(jié)構(gòu)的抗震三水準(zhǔn)目標(biāo)“小震不壞，中震可修，大震不倒”，水平地震作用下比較理想的結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制應(yīng)該是：次要構(gòu)件先屈服，重要構(gòu)件的次要部位次之，最后是重要構(gòu)件，因此應(yīng)該是水平構(gòu)件受力較大部位首先出現(xiàn)塑性鉸，豎向構(gòu)件原則上不允許出現(xiàn)塑性鉸，這樣才能保證在變形持續(xù)增長的情況下的結(jié)構(gòu)承擔(dān)重力荷載的目的。所以規(guī)范中提出了“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”，合理的設(shè)計應(yīng)該是結(jié)構(gòu)體系中在大震下出現(xiàn)一系列的塑性屈服區(qū)，通過塑性屈服區(qū)的形成降低結(jié)構(gòu)剛度，達(dá)到耗能、減震的目的。根據(jù)結(jié)構(gòu)的這種受力特點，我們知道框架梁端、柱端會首先達(dá)到結(jié)構(gòu)的極限承載能力，但為了實現(xiàn)大震不倒的目標(biāo)，要求這些部位可以通過變形調(diào)整進(jìn)行內(nèi)力的重分布達(dá)到結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載的目的，所以《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中板件寬厚比的要求主要是針對大震下結(jié)構(gòu)要求較大變形區(qū)域，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》主要考慮的是構(gòu)件彈性狀態(tài)下按邊緣屈服準(zhǔn)則保證構(gòu)件達(dá)到承載能力極限時的板件的局部屈曲問題。因此，我們知道實際上對于框架梁、框架柱，只要在塑性鉸區(qū)域內(nèi)滿足抗震設(shè)計要求即可，塑性鉸以外區(qū)域可以放低要求。所以，本工程在設(shè)計時從上述思路考慮，參考混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時梁、柱端加密區(qū)概念，在框架梁、柱端部按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求控制，加密區(qū)以外按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。具體的加密區(qū)長度考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作及節(jié)點設(shè)計，框架梁按跨度的1/10、框架柱取為框架梁上下500mm及柱截面高度的較大值。因此，本工程綜合上述三種方案特點，實際設(shè)計時選擇方案三，并簡單比較了方案三與方案一的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)的結(jié)構(gòu)布置詳下圖1，方案三與方案一的用鋼量詳見表1。

通過上表比較可以知道方案二較方案一約降低5.5kg/m2的用鋼梁，結(jié)構(gòu)計算是采用PKPM軟件的STS模塊，由于腹板厚度改變對構(gòu)件剛度的影響較小，因此，結(jié)構(gòu)計算時不需要按變截面模型進(jìn)行考慮，施工圖繪制時考慮其中區(qū)別。

3 設(shè)計與構(gòu)造

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第8.2.5條規(guī)定，框架梁端節(jié)點應(yīng)達(dá)到“強(qiáng)節(jié)點，弱構(gòu)件”的要求，但由于現(xiàn)場焊接工程質(zhì)量不容易保證，因此，采用本圖中柱上焊接短鋼梁的做法施工可以從根本上避免現(xiàn)場在結(jié)構(gòu)受力較大區(qū)域焊接，更容易保證工程質(zhì)量。同時，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第8.3.5條規(guī)定，節(jié)點域的腹板厚度通常不能滿足本規(guī)范第8.2.5條第2、3款的規(guī)定，同樣需要在此區(qū)域采取加厚柱腹板或才具貼焊補(bǔ)強(qiáng)板的措施。因此，“鋼柱與鋼梁剛結(jié)節(jié)點腹板加強(qiáng)”并沒有額外增加施工難度。

綜上所述，本工程采取方案三進(jìn)行施工圖設(shè)計是較為合理和經(jīng)濟(jì)的。

4 結(jié)論與建議

通過對上述方案的比較分析，特別是方案三的分析結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施應(yīng)結(jié)合構(gòu)件受力特點合理選擇。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)參照混凝土結(jié)構(gòu)提出梁端、柱端塑性鉸的概念以區(qū)分抗震耗能區(qū)與非耗能區(qū)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)依循性能化設(shè)計思路，合理的在結(jié)構(gòu)的延性與彈性之間做出選擇。

參考文獻(xiàn)

[1] 童根樹.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.