多层钢框架结构设计要点

多层钢框架结构设计要点

谢静

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃，兰州，730000）

【摘要】钢结构在建筑行业使用越来越广泛。对于结构设计人员，如何运用钢结构的受力特性结合规范计算是关键，笔者根据自己的设计经验总结多层钢框架结构设计要点，供参考。

【关键词】平面；竖向布置高承载力；低延性长细比；钢框架结构节点连接

钢结构具有强度高、受力明确、具有很好的抗震延性、建筑平面布置灵活、使用空间大、加工简便、施工周期短、生态环保等优点，已在建筑行业广泛使用。但钢结构同时也存在着刚度小、侧移大、对抗侧力体系和墙体楼板要求较高等问题，这就对钢结构设计提出了非常高的要求。我结合近几年的钢框架设计体会及《钢结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》并且对比多层混凝土结构设计来探讨多层钢框架结构的设计要点。

一、建模计算

建筑设计应重视平面、立面和竖向剖面的规则性，抗侧力构件的平面布置宜规则对称、侧向刚度沿竖向宜均匀变化、竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小、避免侧向刚度和承载力突变。1995年阪神地震中，大阪和神户市不少建筑产生中部楼层严重破坏，其中一个原因是结构刚度在中部楼层产生突变。同钢砼结构一样，多层钢框架结构的规则性判断和处理措施可按《抗规》3.4节有关规定执行。设计时还应控制以扭转为主的第三周期与第一周期的周期比应小于0.9。

抗震设计时，当建筑物平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置使之成为较规则的结构时，宜设置防震缝将其划分为较简单的几个结构单元来减少地震时由于扭转产生震害。钢结构刚度小位移大，钢结构防震缝宽不应小于相应钢筋混凝土结构房屋1.5倍。钢结构也存在最大适用高度和高宽比的限制要求，具体要求应按《抗规》8.1.1条和8.1.2条执行。

二、抗震等级

多层钢结构房屋抗震等级应按《抗规》8.1.3条规定采用并符合相应的计算和构造措施要求。不同抗震等级，体现不同延性要求。按抗震设计等能量的概念，钢结构当构件承载力提高，能满足烈度提高一度地震作用要求时延性可适当降低，允许降低其抗震等级。故《抗规》8.1.3注2：通常构件抗震等级与结构相同，当某个部位各构件承载力均满足2倍地震作用组合下内力要求时，7~9度构件抗震等级应允许按降低一度确定。这是钢结构设计中“高承载力，低延性”概念。其在钢结构设计中十分有用，特别在高烈度大空间钢框架结构中，由于钢结构构件一般强度高截面小，为满足设防烈度下对应抗震等级长细比和板件宽厚比要求，往往在计算满足要求并且有富余情况下加厚板件，加大截面，使用钢量增加，但这种情况下，采用《抗规》8.1.3注2，某个部位构件用2倍地震作用力组合验算，如承载力满足要求时，7~9度构件抗震等级应允许按降低一度确定。这样便降低了构件长细比和板件宽厚比要求，不再要求加大构件，加厚板件，大大减少用钢量，经济安全。

三、抗震计算

钢砼结构的阻尼比取0.05，多层钢框架在多遇地震下阻尼比高度不大于50m取0.04；高度大于50m且小于200m时，可取0.03；高度不小于200m时，宜取0.02。多层钢框架在罕遇地震下弹塑性分析，阻尼比可取0.05。

钢结构刚度小、侧移大，应按《抗规》3.6.3计及重力二阶效应进行二阶效应弹性分析时，按照《钢规》3.2.8的规定，在每层柱顶附加考虑假想水平力Hni，框架柱计算长度系数μ=1.0。某些长度宽度尺寸大、高度尺寸小的多层、单层钢框架可不计及重力二阶效应不进行二阶效应的弹性分析，这时柱的计算长度应按《钢规》附录D表D-2有侧移框架柱的计算长度系数确定。钢结构构件承载力抗震调整系数rRE对于柱、梁、支撑、节点板件、螺栓和焊强度计算取0.75，对于柱、支撑的稳定计算取0.80。

钢框架结构的水平侧移容许值，在风荷载标准值作用下，按《钢规》附录A.2执行；在多遇地震标准值作用下，多高层钢结构柱顶位移H/250。对于砌体墙多层钢框架结构，层间相对位移宜适当减小，使钢结构和砌体墙变形协调，或采取措施使砌体墙和钢结构分别单独位移。

钢结构设计和钢砼结构设计一样，有‘强柱弱梁’、‘强节点弱构件’概念。钢框架结构的‘强柱弱梁’可按《抗规》中式8.2.5-1、式8.2.5-2执行，在多层钢框架结构中，当柱子所在楼层受剪承载力比相邻上一层受剪承载力高出25%或者柱子轴压比不超过0.4或者2倍地震作用下柱子组合轴力设计值满足柱子稳定性要求，则可不满足‘强柱弱梁’限制。钢框架结构‘强节点弱构件’可按《抗规》8.2.5.2条和8.2.5.3条执行。

四、长细比。

钢材高强度决定钢构件净截面都比较小，形成长细截面在偶然变形或者偶然位移下极其发生致命性破坏—失稳。失稳可以依据构件长细比、钢材的屈服强度和钢构件截面分类按照《钢规》附录C选取稳定系数，再按照《钢规》中式5.1.2-1来定量计算。无论对于a、b、c类截面，钢构件计算长度λ越大，稳定系数ψ越小，钢构件稳定破坏便越容易。钢构件计算长度取值可按《钢规》中5.3节有关规定执行。非抗震情况下，多层框架柱受压构件容许长细比为150，在抗震设防地区，钢框架柱长细比，钢材都为Q235情况下，四级时不应大于120，三级时不应大于100，二级时不应大于80，一级时不应大于60。失稳破坏在是急速的、坍塌式破坏，控制长细比在《抗规》中属于强条。长细比是钢结构特有的设计限制要求。

五、钢框架结构节点连接设计。

在钢砼结构中，钢筋的抗拉破坏属于延性破坏；混凝土的受压、受剪破坏属于脆性破坏。而钢结构中所有钢构件的受拉、受压和受剪都属于延性破坏。但在钢构件节点连接中，以梁柱节点为例，梁柱连接方式有梁全截面焊接在柱子上，也有梁腹板和翼缘都用高强螺栓连接在柱子上，还有梁腹板栓接翼缘焊接在柱子上的。焊缝和高强螺栓连接的破坏都属于脆性破坏。因此和钢砼结构设计中采取‘强剪弱弯’及限制梁端混凝土受压区高度等措施在中震、大震下将脆性破坏放在延性破坏之后、脆性承载力大于延性承载力的概念一样，多层钢结构设计中，要求钢结构抗侧力构件连接（即螺栓和焊缝）的承载力设计值不应小于相连构件的承载力设计值，钢结构抗侧力构件连接的极限承载力应大于相连构件的屈服承载力，具体的体现方式和系数取值可按《抗规》8.2.8-3、8.2.8-5实现。

梁柱连接节点的一些构造措施可按《抗规》8.3.4条进行。梁柱连接方式一般为了便于安装，采用梁腹板栓接翼缘焊接的连接方式，可参考下图：

五、宽厚比。

长细比的限制要求决定了构件截面所需的回转半径比较大，钢材的高强度又决定了截面所需的净截面比较小。所以，钢构件都是由比较薄的钢板件组合而成。控制板件的宽厚比主要是为了保证由薄的钢板件组合而成的钢构件在发生构件失稳之前不发生板件的局部稳定破坏，非抗震构件的板件的宽厚比可按《钢规》5.4条有关规定执行，不同抗震等级的梁、柱构件的板件宽厚比要求可见《抗规》8.3.2条。

六、结束语：

以上是我做多层钢框架结构时的一些设计体会。做一栋优秀的结构设计是件不容易的事情，希望以后与各结构设计人多多交流心得、体会，以求共同进步。

参考文献：

[1]钢结构设计规范（GB50017-2003）.中国计划出版社，2003。

[2]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）.中国建筑工业出版社，2010。

[3]钢结构设计手册（上册、下册）.中国建筑工业出版社，2004。