多層框架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

劉曉光

九易莊宸科技（集團）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。因為多層框架鋼結(jié)構(gòu)本身擁有非常好的延展性以及抗震性能，所以在實際施工中被廣泛應(yīng)用。筆者基于鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計工作經(jīng)驗，對多層框架鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點進行總結(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。對于框架支撐體系而言，支撐的構(gòu)件會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，因而底層間位移會變大，但是對于支撐體系來說，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)計過程中，框架梁大多是按照受彎構(gòu)件進行強度及穩(wěn)定度和高度計算分析的，因此型鋼梁的截面在選擇的過程中主要依靠內(nèi)力分析計算所得結(jié)果，確定型鋼梁的危險截面最不利彎矩，然后根據(jù)型鋼梁的抗拉強度設(shè)計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。如果型鋼本身的強度不滿足要求，實際設(shè)計中需要選取截面板件厚度級別更大的型鋼；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際設(shè)計需要，則需要增加腹板厚度。除此之外，若變形性能不滿足實際設(shè)計需要，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，那么可以認為框架柱是軸壓柱，因為框架柱不是獨立存在的，是整個框架結(jié)構(gòu)當(dāng)中的一部分，所以框架柱兩端會受到和框架柱相鄰的構(gòu)件所產(chǎn)生的約束。在對多層框架柱進行穩(wěn)定數(shù)據(jù)驗算的過程中，最規(guī)范的驗算方法是長度系數(shù)法。又因為框架柱本身屬于壓彎構(gòu)件，所以在確定長細比之后，可以依靠內(nèi)力分析結(jié)果并配合一些簡單的計算公式對截面尺寸進行初步估算。估算結(jié)束之后，通過多次強度驗算以及剛度驗算和整體穩(wěn)定驗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)計過程中，對于支撐構(gòu)件，大多都選擇雙軸對稱截面，如H型鋼以及工字鋼和雙槽鋼組合截面等都屬于雙軸對稱截面。在一些特殊情況下，也可以選擇使用單軸對稱截面，如雙角鋼組合形成的T形截面，但在實際應(yīng)用過程中為了避免支撐構(gòu)件繞對稱軸失去穩(wěn)定性，需要采取合理的措施來保障其穩(wěn)定性。針對支撐構(gòu)件開展計算工作時，通常是按照軸向受力構(gòu)件開展計算工作，對于一些地震效應(yīng)比較多的地區(qū)采用支撐構(gòu)件時，還需要對支撐斜桿的穩(wěn)定性進行驗算。支撐構(gòu)件本身的形心線需要通過梁和柱軸線的交點，而且要盡可能保證不會出現(xiàn)節(jié)點附加力矩，同時支撐構(gòu)件的端部節(jié)點可以根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計成剛接，或設(shè)計成鉸接。

3 多層框架鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計

在多層框架鋼結(jié)構(gòu)中，節(jié)點的連接主要是為了保障鋼結(jié)構(gòu)本身的安全性，故節(jié)點連接是結(jié)構(gòu)安全性保障的最關(guān)鍵內(nèi)容，這也就對結(jié)構(gòu)的受力性提出了更高的要求。節(jié)點是多層框架鋼結(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)點設(shè)計及驗算工作都具有非常大的難度。對于多層框架鋼結(jié)構(gòu)而言，最基本的組成構(gòu)件是梁柱和支撐，故在整個框架結(jié)構(gòu)體系中出現(xiàn)的節(jié)點主要包括梁柱節(jié)點、柱腳節(jié)點、主次梁節(jié)點，以及柱柱和梁梁拼接節(jié)點、支撐與柱節(jié)點。若以構(gòu)造形式和力學(xué)特性來分類，那么節(jié)點又可以分為鉸接節(jié)點以及半剛和剛性節(jié)點。如果根據(jù)連接形式及方法進行區(qū)分，又可以將節(jié)點分成焊接和高強螺栓節(jié)點兩種。高強螺栓連接和全焊連接如圖2、圖3所示。

圖2 高強螺栓連接

圖3 全焊連接

在對多層框架鋼結(jié)構(gòu)進行節(jié)點設(shè)計時，需要按照以下原則開展設(shè)計工作。首先，要保證節(jié)點的受力情況簡單且明確，最終計算分析出的節(jié)點應(yīng)當(dāng)和多層框架鋼結(jié)構(gòu)的實際情況保持一致。其次，在設(shè)計節(jié)點的過程中，應(yīng)當(dāng)確保節(jié)點連接處有足夠的強度，而且節(jié)點被破壞不能夠比構(gòu)件被破壞更早，這主要是因為節(jié)點的主要作用是連接各構(gòu)件，如果節(jié)點早于構(gòu)件被破壞，那么整個框架穩(wěn)定性都會受到影響。再次，應(yīng)當(dāng)確保節(jié)點有較好的延性，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)件在動作的過程中不會被破壞。最后，在拼接構(gòu)件的過程中，要根據(jù)強度原則進行設(shè)計并拼接。

4 多層框架鋼結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計

多層框架鋼結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計主要按照如下幾個方面來完成。首先，在設(shè)計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)計的過程中，要全方位落實強節(jié)點弱構(gòu)件理念，即節(jié)點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)點本身不會比構(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，要貫徹落實強柱弱梁的理念。最后，是設(shè)計的過程中，為了應(yīng)對罕見的地震作用，需要增設(shè)偏心支撐。

5 結(jié)束語

多層框架鋼結(jié)構(gòu)最主要的特點是在實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)計工作時，要保證多層框架鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量，從而保障施工質(zhì)量及工程質(zhì)量。相關(guān)的設(shè)計工作人員要不斷研究并掌握多層框架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的規(guī)范及要點，這樣才能更好地提升鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。