多层钢框架的结构设计分析范文

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摘要:

本文以模工程为例，主要了介绍了中心支撑和钢框架—支撑体系的构造和性能进行了比较，并提出了两种结构体系在设计中应注意的问题分析。

关键词:

钢框架结构；结构设计；要点

1工程概况

本工程长为56m，宽为25m，共两层，层高均为4.5m。抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，地震加速度为0.10g，场地类别为Ⅳ类。风荷载为0.55KN/m2。底层为办公和商业，二层为仓库，中间的钢柱均不能升至屋面，活荷载为5.0KN/m2。由于需要缩短施工工期，故除屋面大跨度梁采用工厂加工制作，其余构件均采用国标型钢。在最初确定结构体系时，并不是凭经验确定的，而是在钢框架和钢框架－中心支撑两种结构体系两个结构体系的比较结果的基础上，进行了进一步的分析探讨，又结合了建筑物本身的特点和要求，最后工程确定采用钢框架结构体系，这个结构体系详见图1、图2。本工程的基础采用的是桩基础，并且基础之间是设置了基础拉梁的，可以保证本工程的基础是非常牢固的。

2钢框架结构和钢框架－中心支撑结构的布置

采用钢框架结构体系时(见图1)，在1轴和10轴的钢柱通高采用方管400×12，在A轴和E轴的2至9轴的钢柱通高采用方管300×12，一层其余钢柱采用方管250×12;GKL1采用了400×200×8×13的H型钢，GKL2和GL1均采用了346×174×6×9的H型钢，屋面GJ1采用了变截面的H钢(型号为500～700×180×6×8，每隔3m设置角隅撑);屋面GXG采用了圆管89×4;屋面水平支撑采用了带花篮螺栓的20圆钢。在屋面B、C、D轴的端跨处，仍然采用钢框架梁，与相邻跨的屋面梁GJ1处设置为铰接，以减少与此相连的框架柱在X方向的长细比过大，避免造成用钢量的加大。整个建筑物的结构构件均采用Q235B钢材，最终的主钢材用量为103吨，平均用钢量约为40Kg/m2。在采用钢框架－中心支撑体系的时候，需要重点在X方向上做设计，需要在X方向设置一定数量的中心支撑，保证建筑物的质量。而本工程就是在A轴和E轴设置了中心支撑，分别设置在了这两个轴的两个端跨和中间跨，并且是自下而上设计的支撑。除了在A轴和E轴上面设置支撑外，在一层的两个端跨和中间跨也是设置了支撑，这样就能充分保证该建筑的稳定性了。在X方向上，和钢框架柱相连的梁均采用铰接连接，在Y方向上，设置钢框架。钢框架—中心支撑系统的抗震等级为四级，一般来说在屋面是不设置框架梁的，所以在X方向上采用的是圆管89×4的刚性系杆。在实际建筑中，钢框架柱和钢框架的结构是相同的，而中心支撑则是采用的十字交叉支撑，中心支撑用的钢材和X方向上的钢材是不一样的，是250×250×9×14的H型钢，这种钢材是符合中心支撑的要求额。在体系中所有的钢材都用的是Q235B，是符合相关规范的。

3钢框架结构和钢框架－中心支撑结构的设计比较

钢框架结构体系和钢框架—中心支撑结构体系是两个完全不同的体系，其结构、适用面都不相同，在运用时不可以混用，而是要根据建筑物设计和需求来确定的。以下主要阐述了钢框架结构体系和钢框架—中心支撑结构体系的一些特点，并将这两个结构体系做了一定的对比。钢框架结构在纵、横两个方向上都是钢接框架，它的承载能力和空间刚度都是钢接框架提供的;钢框架—中心支撑结构体系其承载能力和空间刚度主要是由中心的钢材和X方向上的钢材提供的。钢框架结构比较适合柱距较大但又无法设置支撑的建筑物，在设计时节点构造是比较复杂的，但是结构使用的空间也更大。在设计时，需要考虑到的因素很多，主要是柱网和梁系的布置是否合理，纵向和横向的刚度是否可靠、均匀，构件的传力是否明确、类型统一，还有就是节点构造是否简化。而通常设计出来的都是要偏向于合理、可靠、明确、统一、简化的，这样的设计能够在施工中减少很多程序。同时，与框架结构体系相应的各层楼(屋)盖均应采用平面刚性楼盖，以保证整体空间刚度及空间协调工作。钢框架－中心支撑是一个混合体系，具体情况是一个方向上设置柱－支撑体系，一般情况下是在纵向上设计，在另一个方向上设置纯框架体系，一般是在横向上设置的。这种结构体系是在一个方向上没有设置支撑，这样子的设计调整性非常强，其设计较钢框架结构体系简单，施工也在一定程度上简易了一点。在实际工程中，运用这种结构体系比较多的建筑物是平面纵向较长、横向较短的建筑物。根据实践经验和理论经验可以得出，对于和本工程比较相似的平面布置，如果选择的是钢框架结构体系，就必须要掌握到X、Y两个方向上的刚度，相差是比较小的，几乎可以忽略，而且两个方向上平动周期和位移也是比较接近的。但是，如果建筑物采用的是钢框架－中心支撑结构体系的话，就需要认识到，X、Y方向上的刚度是差得比较大的，不仅如此，两个方向的平动周期和位移的差异也是比较大的。因为两种结构体系的结构是不相同的，所以在水平力作用下其出现的结构也是不相同的。前者的变形主要是钢框架的剪切变形，而后者的变形主要是支撑系统的侧向变形，剪切变形是比较少的;前者的框架整体弯曲变形较是比较少的，而后者是整体弯曲变形比较多的。通过分析计算，两种结构体系的周期和层间最大位移角已通过表1反映出来了。下面将具体分析这些数据。由表1可知，两个结构体系的刚度在Y方向上是基本趋于一致的，尽管存在一些差异，但这个差异并不显著，但是在X方向上，这两个结构体系的刚度存在明显差异，是不可忽视的。上述两种现象表明，在Y方向上的地震力、层地震剪力和地震倾覆弯矩等是基本接近的。而在X方向上的情况就比较复杂，因为两种结构体系的刚度存在显著差异，加上其周期也是不同的，然后根据计算地震影响系数的公式a=T8[]TYη2amax来看，所得结果也是存在非常大的差异，在上述各种情况都不相同或趋于相同的情况下，这两个结构体系在X方向上的地震力、层地震剪力和地震倾覆弯矩是各有差异的，具体情况详见图3。根据以上的计算指标来分析的话，可以得出一个结论，如果是做带大跨度屋面的两层钢结构建筑物，那么采用钢框架结构来做是比较适合的，因为这种结构体系相对而言是非常经济的，而且也是非常适合这种建筑物。从另一个角度来，也就是结构概念的角度来分析，这种结构体系的抗震效果是比较好的，而且还可以根据抗震性能设计来做出相应的调整，让整体结构变得更好。

4结语

根据上述具体的阐述、计算、分析，可以对带大跨度屋面的两层钢的建筑物得出以下四个结论，以期为同类项目提供一定的参考。

(1)如果是做带大跨度屋面的两层钢结构的建筑物，上下结构的统一是非常重要的，在具体分析的时候，很多人在没有通过具体深入的计算、分析时候就倾向于把这种建筑物的结构简单粗暴地理解为钢框架和门式刚架结构的组合，但这样的理解往往是非常片面的，在很大程度上是不能实现上下结构的统一的，所以需要进一步的探索。

(2)在对带大跨度屋面的两层钢结构的建筑物进行设计前，需要做足准备工作，要充分了解整个建筑的特点，用处，还有各方面的需求，然后在掌握这些信息的基础上，再进行分析，最后选择某种结构体系。本工程在进行了具体计算、比较、分析之后，选择的是钢框架。

(3)通过分析、探讨确定整个建筑物的结构体系之后，并不是就要立即施工，还需要掌握设计中的一些关键技术，因为这些关键技术在很大程度上影响着该建筑物质量的优劣。在本工程中就对刚性要求和水平力的传递、钢框柱在两X、Y两个方向上长细比进行了综合分析，这可以帮助该建筑在后续阶段的施工。

(4)在对带大跨度屋面的两层钢结构的建筑物设计时，不能仅仅考虑到该建筑物是否能够建出来，还要考虑该建筑物需要的一些性能，并根据建筑物具体的情况，将这些性能的设计结合进去，还要尽最大努力控制成本，这样最后建造出来的建筑物既能满足要求，又不会造成成本的浪费。

参考文献：

［1］GB50011－2010建筑抗震设计规范．

［2］CECS102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程．

［3］GB50017－2003门式刚架轻型房屋钢结构技术规程.

作者:童公明 单位:厦门晋博建筑科技有限公司