浅析多层钢框架结构设计要点

浅析多层钢框架结构设计要点

杜飞

乌鲁木齐建筑设计研究院有限责任公司 830000

摘要：近些年，随着我国经济和城市的不断发展，建筑结构类型也更加多样化，其中钢结构发展较快，因此人们对于钢结构的设计越来越重视。与传统的混凝土结构相比，钢结构房屋建筑具有质量轻、抗震延性好、工业化程度高以及施工周期短等优点，是典型的绿色建筑材料，广泛应用于土木工程各领域。本文主要针对多层钢框架结构设计要点进行分析，以供同行参考。

关键词：结构设计；钢框架；受力载荷

钢结构在建筑工程中的使用越来越多，这与我国钢铁材料的不断发展密不可分。现代我国建筑用钢结构材料的产能以及力学性能已经得到了显著的改善，钢结构具有施工周期短、高强度、质量轻以及易于加工等诸多优点，同时钢结构亦具有造型独特和轻盈灵巧的美学特征和建筑表现力，深受建筑师青睐，在大型建筑、商业建筑和标志性建筑中广泛应用^[1]。但是钢结构具有刚度小、侧移变形量较大的缺点，因此，对于钢结构的设计是至关重要的。

1.多层钢结构房屋的结构体系与选择

对于建筑形式而言，对不同的房屋应当根据业主要求结合设计选择不同的钢结构体系。多层钢结构框架体系主要有框架体系、框架-中心支撑体系、框架-偏心支撑体系、筒体和巨型框架体系等。其中框架主要是作为承重结构，承载房屋主要的受力，框架同时也是抗侧力体系，具有抗侧力的作用。上述各种体系主要是根据其抗侧力不同进行分类的，按抗抗侧力由大到小进行排序应当是筒体和巨型框架体系＞框架支撑体系＞框架体系，可以发现其中框架体系是抗侧能力最小的钢结构体系^[2]。

在进行房屋建设时钢结构体系的选择是非常重要的，若选择的钢结构体系不合适，则会对整个房屋的使用寿命及安全性产生严重影响。因此，在进行多层钢框架结构选择时，应当遵循以下几个方面。

一是，在进行多层钢框架结构选择时，首选要考虑的建筑设计要求以及建筑的高度等等。例如，建筑要求具有较高的抗震等级，应当选用框架与支撑结构相结合的体系，这种结构体系不仅构造简单，而且其抗侧能力也比较强，若房屋建筑较高，则其受到风力与地震的影响较为明显，因此，也可以选用上述的钢结构；若对于抗震等级要求不高，房屋楼层不是很高的一般建筑物就可以选用最简单的框架结构体系；若房屋建筑高度较高，中部安装有电梯以及各种比较大的管线结构，这时就应当选用框架与核心筒相结合的钢结构体系。

二是，考虑设计与使用要求。在进行钢结构选择时还需要充分考虑客户的需求，例如，对于有的客户而言，要求建筑物要具有较大的使用空间，因此，这种房屋结构就应当选用框架与支撑相结合的钢结构体系或者框架-筒体钢结构体系，这两种体系既能够满足客户对空间的要求，也能满足结构抗震性能要求。

三是，实际施工条件的制约。根据实际的施工情况可选择不同的钢框架结构体系，若施工工期比较紧张，则可在符合设计要求的条件下应用较多的钢结构体系。因钢结构一般只需要在施工现场进行拼装，能够在短时间内完成钢结构的施工，从而保证施工工期不会被延长。而混凝土结构的施工周期较长，需要对混凝土进行浇筑、捣鼓以及后期的养护等。

四是，工程造价预算。应当根据工程造价选择合理的多层钢框架结构体系。一般而言，抗侧能力越高工程造价越贵，若采用混凝土的抗侧结构体系，需要充分考虑混凝土的自重对整体结构带来的影响，这势必会增加成本。相反，若对抗侧能力要求不高，则可采用纯钢结构框架体系，这样施工成本较低。

2.多层钢框架的结构中节点设计分析

有文献指出^[3]多层钢框架结构在地震灾害中易受损的部位在梁柱节点，而在钢梁以及柱构件很少出现损伤，由此可以发现对于钢结构房屋建筑而言，在钢结构的连接节点处抗震能力不足，易出现安全事故。根据有关调研了解到，在地震中钢框架梁柱刚性连接点的下翼边缘最容易被破坏，上翼边缘节点相对损坏不严重，针对这种节点易受损的问题进行详细分析。

根据钢框架结构的特点，新型的节点构造设计方式主要有两种，一种是梁端削弱式节点，另一种是梁端加强式节点。下面对两种节点分别进行分析。

对于梁端削弱式节点，主要是将节点附近的梁柱进行削弱，从而使节点与梁柱之间的强弱差减小。因在地震中梁柱的力学性能较好，由于节点是依靠焊接将其连接起来点，焊接节点可能会存在焊接缺陷，即便不存在焊接缺陷，连接点的力学性能也远不如梁柱的力学性能，因此需要将这两部分的进行协调处理。对于这种削弱式节点主要应用的有狗骨式节点与槽型节点，前者对加工工艺要求较高，圆弧削弱尺寸要求非常精确，并且切割面需要进行磨光处理，这是为了避免产生应力集中；槽型节点的特点是能够降低焊接点的应力集中，使塑性铰外移，从而改变了节点的破坏方式。

对于梁端加强式节点，主要是通过增加梁柱与钢柱之间的焊接面积，从而使梁端及节点附近的力学性能高于其他部位。因此，在地震中正常钢梁由于截面较小先产生塑性变形，而梁端及节点处还未发生塑性变形，便开始产生塑性铰，进而保护了梁端与节点。这种梁端加强式节点设计通常两种方式，一种是加盖板节点，另一种是加腋节点。前者是最早提出的一种加强式节点处理办法，通过盖板式连接可以增加连接处的承载能力，从而获得更好的延展性，但这种加强方式不易对焊接点进行检查，只能进行破坏性检查，因此对于焊接的质量要求比较高，现在有改进的盖板加强方法，主要是使梁翼边缘不直接与梁柱连接，从而消除了盖板与梁翼边缘的缝隙。另外加腋节点主要是在节点下方加固三角梁腋，从而增加节点处的横截面积。

3.多层钢框架结构焊接工艺设计

对于多层钢结构框架而言，对钢结构进行焊接设计是十分重要的。应当由专业的焊接工程师根据实际的施工情况来制定合理的焊接工艺。例如，在进行钢结构拼接焊接时，需要注意拼接的顺序，尽可能地降低焊接后的内应力，通过合理的焊接顺利可以将焊接内应力降低至最小，减少应力集中。

结束语

综上所述，多层钢框架结构是我国新型的一种结构模式，对这种结构的利用仍存在较多问题。因此，对于建筑施工单位应当注意在钢结构设计方面一定要选择科学合理的结构，在实践中不断总结、不断探索、大胆借鉴，促进我国多层钢结构设计的不断发展。

参考文献：

[1] 张鹏飞, 张锡治, 刘佳迪,等. 多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析[J]. 建筑结构, 2016, v.46;No.430(10):95-100.

[2] 赵斌. 多层钢框架结构设计探讨[J]. 建材发展导向, 2018, 016(002):77-77.

[3] 陈鹏. 多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析[J]. 中国房地产业, 2018, 000(008):179-180.