多層鋼框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gòu)造和性能進(jìn)行了比較，并提出了兩種結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題分析。

關(guān)鍵詞:

鋼框架結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；要點(diǎn)

1工程概況

本工程長為56m，寬為25m，共兩層，層高均為4.5m?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，地震加速度為0.10g，場地類別為Ⅳ類。風(fēng)荷載為0.55KN/m2。底層為辦公和商業(yè)，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(gòu)件均采用國標(biāo)型鋼。在最初確定結(jié)構(gòu)體系時，并不是憑經(jīng)驗(yàn)確定的，而是在鋼框架和鋼框架－中心支撐兩種結(jié)構(gòu)體系兩個結(jié)構(gòu)體系的比較結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了進(jìn)一步的分析探討，又結(jié)合了建筑物本身的特點(diǎn)和要求，最后工程確定采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，這個結(jié)構(gòu)體系詳見圖1、圖2。本工程的基礎(chǔ)采用的是樁基礎(chǔ)，并且基礎(chǔ)之間是設(shè)置了基礎(chǔ)拉梁的，可以保證本工程的基礎(chǔ)是非常牢固的。

2鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼框架－中心支撐結(jié)構(gòu)的布置

采用鋼框架結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)置為鉸接，以減少與此相連的框架柱在X方向的長細(xì)比過大，避免造成用鋼量的加大。整個建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)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(diǎn)在X方向上做設(shè)計(jì)，需要在X方向設(shè)置一定數(shù)量的中心支撐，保證建筑物的質(zhì)量。而本工程就是在A軸和E軸設(shè)置了中心支撐，分別設(shè)置在了這兩個軸的兩個端跨和中間跨，并且是自下而上設(shè)計(jì)的支撐。除了在A軸和E軸上面設(shè)置支撐外，在一層的兩個端跨和中間跨也是設(shè)置了支撐，這樣就能充分保證該建筑的穩(wěn)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(shè)置鋼框架。鋼框架—中心支撐系統(tǒng)的抗震等級為四級，一般來說在屋面是不設(shè)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(shí)際建筑中，鋼框架柱和鋼框架的結(jié)構(gòu)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(guān)規(guī)范的。

3鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼框架－中心支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較

鋼框架結(jié)構(gòu)體系和鋼框架—中心支撐結(jié)構(gòu)體系是兩個完全不同的體系，其結(jié)構(gòu)、適用面都不相同，在運(yùn)用時不可以混用，而是要根據(jù)建筑物設(shè)計(jì)和需求來確定的。以下主要闡述了鋼框架結(jié)構(gòu)體系和鋼框架—中心支撐結(jié)構(gòu)體系的一些特點(diǎn)，并將這兩個結(jié)構(gòu)體系做了一定的對比。鋼框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)比較適合柱距較大但又無法設(shè)置支撐的建筑物，在設(shè)計(jì)時節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是比較復(fù)雜的，但是結(jié)構(gòu)使用的空間也更大。在設(shè)計(jì)時，需要考慮到的因素很多，主要是柱網(wǎng)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(gòu)件的傳力是否明確、類型統(tǒng)一，還有就是節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是否簡化。而通常設(shè)計(jì)出來的都是要偏向于合理、可靠、明確、統(tǒng)一、簡化的，這樣的設(shè)計(jì)能夠在施工中減少很多程序。同時，與框架結(jié)構(gòu)體系相應(yīng)的各層樓(屋)蓋均應(yīng)采用平面剛性樓蓋，以保證整體空間剛度及空間協(xié)調(diào)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(shè)置柱－支撐體系，一般情況下是在縱向上設(shè)計(jì)，在另一個方向上設(shè)置純框架體系，一般是在橫向上設(shè)置的。這種結(jié)構(gòu)體系是在一個方向上沒有設(shè)置支撐，這樣子的設(shè)計(jì)調(diào)整性非常強(qiáng)，其設(shè)計(jì)較鋼框架結(jié)構(gòu)體系簡單，施工也在一定程度上簡易了一點(diǎn)。在實(shí)際工程中，運(yùn)用這種結(jié)構(gòu)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(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論經(jīng)驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系的話，就需要認(rèn)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?yàn)閮煞N結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)是不相同的，所以在水平力作用下其出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)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(tǒng)的側(cè)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(jì)算，兩種結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)。由表1可知，兩個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系的剛度存在明顯差異，是不可忽視的。上述兩種現(xiàn)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(fù)雜，因?yàn)閮煞N結(jié)構(gòu)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(jù)計(jì)算地震影響系數(shù)的公式a=T8[]TYη2amax來看，所得結(jié)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(jié)構(gòu)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(jù)以上的計(jì)算指標(biāo)來分析的話，可以得出一個結(jié)論，如果是做帶大跨度屋面的兩層鋼結(jié)構(gòu)建筑物，那么采用鋼框架結(jié)構(gòu)來做是比較適合的，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)體系相對而言是非常經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)概念的角度來分析，這種結(jié)構(gòu)體系的抗震效果是比較好的，而且還可以根據(jù)抗震性能設(shè)計(jì)來做出相應(yīng)的調(diào)整，讓整體結(jié)構(gòu)變得更好。

4結(jié)語

根據(jù)上述具體的闡述、計(jì)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(jié)論，以期為同類項(xiàng)目提供一定的參考。

(1)如果是做帶大跨度屋面的兩層鋼結(jié)構(gòu)的建筑物，上下結(jié)構(gòu)的統(tǒng)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(jì)算、分析時候就傾向于把這種建筑物的結(jié)構(gòu)簡單粗暴地理解為鋼框架和門式剛架結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)上下結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一的，所以需要進(jìn)一步的探索。

(2)在對帶大跨度屋面的兩層鋼結(jié)構(gòu)的建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)前，需要做足準(zhǔn)備工作，要充分了解整個建筑的特點(diǎn)，用處，還有各方面的需求，然后在掌握這些信息的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行分析，最后選擇某種結(jié)構(gòu)體系。本工程在進(jìn)行了具體計(jì)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(jié)構(gòu)體系之后，并不是就要立即施工，還需要掌握設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)檫@些關(guān)鍵技術(shù)在很大程度上影響著該建筑物質(zhì)量的優(yōu)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(xì)比進(jìn)行了綜合分析，這可以幫助該建筑在后續(xù)階段的施工。

(4)在對帶大跨度屋面的兩層鋼結(jié)構(gòu)的建筑物設(shè)計(jì)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(jù)建筑物具體的情況，將這些性能的設(shè)計(jì)結(jié)合進(jìn)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(fèi)。

參考文獻(xiàn)：

［1］GB50011－2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范．

［2］CECS102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程．

［3］GB50017－2003門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.

作者:童公明 單位:廈門晉博建筑科技有限公司