多層鋼框架的結構設計分析范文

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摘要:

本文以模工程為例，主要了介紹了中心支撐和鋼框架—支撐體系的構造和性能進行了比較，并提出了兩種結構體系在設計中應注意的問題分析。

關鍵詞:

鋼框架結構；結構設計；要點

1工程概況

本工程長為56m，寬為25m，共兩層，層高均為4.5m。抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第一組，地震加速度為0.10g，場地類別為Ⅳ類。風荷載為0.55KN/m2。底層為辦公和商業，二層為倉庫，中間的鋼柱均不能升至屋面，活荷載為5.0KN/m2。由于需要縮短施工工期，故除屋面大跨度梁采用工廠加工制作，其余構件均采用國標型鋼。在最初確定結構體系時，并不是憑經驗確定的，而是在鋼框架和鋼框架－中心支撐兩種結構體系兩個結構體系的比較結果的基礎上，進行了進一步的分析探討，又結合了建筑物本身的特點和要求，最后工程確定采用鋼框架結構體系，這個結構體系詳見圖1、圖2。本工程的基礎采用的是樁基礎，并且基礎之間是設置了基礎拉梁的，可以保證本工程的基礎是非常牢固的。

2鋼框架結構和鋼框架－中心支撐結構的布置

采用鋼框架結構體系時(見圖1)，在1軸和10軸的鋼柱通高采用方管400×12，在A軸和E軸的2至9軸的鋼柱通高采用方管300×12，一層其余鋼柱采用方管250×12;GKL1采用了400×200×8×13的H型鋼，GKL2和GL1均采用了346×174×6×9的H型鋼，屋面GJ1采用了變截面的H鋼(型號為500～700×180×6×8，每隔3m設置角隅撐);屋面GXG采用了圓管89×4;屋面水平支撐采用了帶花籃螺栓的20圓鋼。在屋面B、C、D軸的端跨處，仍然采用鋼框架梁，與相鄰跨的屋面梁GJ1處設置為鉸接，以減少與此相連的框架柱在X方向的長細比過大，避免造成用鋼量的加大。整個建筑物的結構構件均采用Q235B鋼材，最終的主鋼材用量為103噸，平均用鋼量約為40Kg/m2。在采用鋼框架－中心支撐體系的時候，需要重點在X方向上做設計，需要在X方向設置一定數量的中心支撐，保證建筑物的質量。而本工程就是在A軸和E軸設置了中心支撐，分別設置在了這兩個軸的兩個端跨和中間跨，并且是自下而上設計的支撐。除了在A軸和E軸上面設置支撐外，在一層的兩個端跨和中間跨也是設置了支撐，這樣就能充分保證該建筑的穩定性了。在X方向上，和鋼框架柱相連的梁均采用鉸接連接，在Y方向上，設置鋼框架。鋼框架—中心支撐系統的抗震等級為四級，一般來說在屋面是不設置框架梁的，所以在X方向上采用的是圓管89×4的剛性系桿。在實際建筑中，鋼框架柱和鋼框架的結構是相同的，而中心支撐則是采用的十字交叉支撐，中心支撐用的鋼材和X方向上的鋼材是不一樣的，是250×250×9×14的H型鋼，這種鋼材是符合中心支撐的要求額。在體系中所有的鋼材都用的是Q235B，是符合相關規范的。

3鋼框架結構和鋼框架－中心支撐結構的設計比較

鋼框架結構體系和鋼框架—中心支撐結構體系是兩個完全不同的體系，其結構、適用面都不相同，在運用時不可以混用，而是要根據建筑物設計和需求來確定的。以下主要闡述了鋼框架結構體系和鋼框架—中心支撐結構體系的一些特點，并將這兩個結構體系做了一定的對比。鋼框架結構在縱、橫兩個方向上都是鋼接框架，它的承載能力和空間剛度都是鋼接框架提供的;鋼框架—中心支撐結構體系其承載能力和空間剛度主要是由中心的鋼材和X方向上的鋼材提供的。鋼框架結構比較適合柱距較大但又無法設置支撐的建筑物，在設計時節點構造是比較復雜的，但是結構使用的空間也更大。在設計時，需要考慮到的因素很多，主要是柱網和梁系的布置是否合理，縱向和橫向的剛度是否可靠、均勻，構件的傳力是否明確、類型統一，還有就是節點構造是否簡化。而通常設計出來的都是要偏向于合理、可靠、明確、統一、簡化的，這樣的設計能夠在施工中減少很多程序。同時，與框架結構體系相應的各層樓(屋)蓋均應采用平面剛性樓蓋，以保證整體空間剛度及空間協調工作。鋼框架－中心支撐是一個混合體系，具體情況是一個方向上設置柱－支撐體系，一般情況下是在縱向上設計，在另一個方向上設置純框架體系，一般是在橫向上設置的。這種結構體系是在一個方向上沒有設置支撐，這樣子的設計調整性非常強，其設計較鋼框架結構體系簡單，施工也在一定程度上簡易了一點。在實際工程中，運用這種結構體系比較多的建筑物是平面縱向較長、橫向較短的建筑物。根據實踐經驗和理論經驗可以得出，對于和本工程比較相似的平面布置，如果選擇的是鋼框架結構體系，就必須要掌握到X、Y兩個方向上的剛度，相差是比較小的，幾乎可以忽略，而且兩個方向上平動周期和位移也是比較接近的。但是，如果建筑物采用的是鋼框架－中心支撐結構體系的話，就需要認識到，X、Y方向上的剛度是差得比較大的，不僅如此，兩個方向的平動周期和位移的差異也是比較大的。因為兩種結構體系的結構是不相同的，所以在水平力作用下其出現的結構也是不相同的。前者的變形主要是鋼框架的剪切變形，而后者的變形主要是支撐系統的側向變形，剪切變形是比較少的;前者的框架整體彎曲變形較是比較少的，而后者是整體彎曲變形比較多的。通過分析計算，兩種結構體系的周期和層間最大位移角已通過表1反映出來了。下面將具體分析這些數據。由表1可知，兩個結構體系的剛度在Y方向上是基本趨于一致的，盡管存在一些差異，但這個差異并不顯著，但是在X方向上，這兩個結構體系的剛度存在明顯差異，是不可忽視的。上述兩種現象表明，在Y方向上的地震力、層地震剪力和地震傾覆彎矩等是基本接近的。而在X方向上的情況就比較復雜，因為兩種結構體系的剛度存在顯著差異，加上其周期也是不同的，然后根據計算地震影響系數的公式a=T8[]TYη2amax來看，所得結果也是存在非常大的差異，在上述各種情況都不相同或趨于相同的情況下，這兩個結構體系在X方向上的地震力、層地震剪力和地震傾覆彎矩是各有差異的，具體情況詳見圖3。根據以上的計算指標來分析的話，可以得出一個結論，如果是做帶大跨度屋面的兩層鋼結構建筑物，那么采用鋼框架結構來做是比較適合的，因為這種結構體系相對而言是非常經濟的，而且也是非常適合這種建筑物。從另一個角度來，也就是結構概念的角度來分析，這種結構體系的抗震效果是比較好的，而且還可以根據抗震性能設計來做出相應的調整，讓整體結構變得更好。

4結語

根據上述具體的闡述、計算、分析，可以對帶大跨度屋面的兩層鋼的建筑物得出以下四個結論，以期為同類項目提供一定的參考。

(1)如果是做帶大跨度屋面的兩層鋼結構的建筑物，上下結構的統一是非常重要的，在具體分析的時候，很多人在沒有通過具體深入的計算、分析時候就傾向于把這種建筑物的結構簡單粗暴地理解為鋼框架和門式剛架結構的組合，但這樣的理解往往是非常片面的，在很大程度上是不能實現上下結構的統一的，所以需要進一步的探索。

(2)在對帶大跨度屋面的兩層鋼結構的建筑物進行設計前，需要做足準備工作，要充分了解整個建筑的特點，用處，還有各方面的需求，然后在掌握這些信息的基礎上，再進行分析，最后選擇某種結構體系。本工程在進行了具體計算、比較、分析之后，選擇的是鋼框架。

(3)通過分析、探討確定整個建筑物的結構體系之后，并不是就要立即施工，還需要掌握設計中的一些關鍵技術，因為這些關鍵技術在很大程度上影響著該建筑物質量的優劣。在本工程中就對剛性要求和水平力的傳遞、鋼框柱在兩X、Y兩個方向上長細比進行了綜合分析，這可以幫助該建筑在后續階段的施工。

(4)在對帶大跨度屋面的兩層鋼結構的建筑物設計時，不能僅僅考慮到該建筑物是否能夠建出來，還要考慮該建筑物需要的一些性能，并根據建筑物具體的情況，將這些性能的設計結合進去，還要盡最大努力控制成本，這樣最后建造出來的建筑物既能滿足要求，又不會造成成本的浪費。

參考文獻：

［1］GB50011－2010建筑抗震設計規范．

［2］CECS102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程．

［3］GB50017－2003門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程.

作者:童公明 單位:廈門晉博建筑科技有限公司