高层建筑钢框架结构设计要点探讨

高层建筑钢框架结构设计要点探讨

陆咏彬

广东建筑艺术设计院有限公司佛山分公司

摘要：钢结构具有节约能源、施工迅速、抗震性能好，符合环保及适应产业化生产等优势，在现代高层建筑施工中得到了广泛应用。本文阐述了高层建筑钢结构钢框架结构体系及选用，并对高层建筑钢框架的结构的节点设计要点进行了探讨，以供同仁参考。

关键词：高层建筑；钢框架结构体系；选用；设计要点

一、前言

高层建筑钢结构是以工厂化生产的H型钢梁、钢柱（包括H型钢柱、钢管柱、箱形柱、钢骨混凝土柱或圆、方或矩形钢管混凝土柱）为承重骨架。同传统的砖混和混凝土结构建筑相比，钢结构建筑是一种更符合“绿色生态建筑”特征的结构形式。它具自重轻、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等优势，具有较好的综合经济效益。本文阐述了高层建筑钢结构钢框架结构体系及选用，并对高层建筑钢框架的结构的节点设计要点进行了探讨，以供同仁参考。

二、高层建筑钢框架结构体系及选用

高层钢结构房屋的结构体系通常有框架体系、框架-剪力墙体系、框架-核心筒体系、框架-支撑体系、框架-墙板体系，以及它们的混合体系。框架不仅是主要承重结构，同时也是抗侧力体系。这些结构体系各有优缺点，其主要区别在于结构的抗侧力体系不同，故它们具有不同的抗侧能力，抗侧刚度由弱到强依次为框架体系、框架-支撑体系、框架-剪力墙体系和框架-核心筒体系。

高层钢结构房屋的结构体系的选用主要应考虑以下几个方面：

（1）建筑物的抗震设防等级以及房屋高度越高，其受到风荷载、地震作用等的影响也越大，所以对于抗震设防要求较高的建筑物，框架-支撑结构体系宜优先考虑，因为其不仅构造相对简单，而且抗侧力效果也显著；而对于抗震设防要求不高、楼层低的建筑物，可采取框架结构体系；建筑设计中含有电梯、管道井等结构时，可用框架-核心筒结构。

（2）结构体系的选择还受到建筑功能与要求的制约，如框架-剪力墙体系和框架-核心筒体系能够充分满足建筑物内部的空间要求。

（3）结构体系的选择也受到施工条件的制约。由于钢结构的构件在工厂加工，现场拼接安装，可有效缩短施工周期；而混凝土的抗侧力结构体系需对混凝土进行现场浇筑和养护，会延长施工周期，所以如果施工工期紧，则可采用纯钢的结构体系。

（4）结构体系的选择还应考虑工程造价方面的因素。结构的抗侧能力越高，工程造价也会相应的越高。若采用混凝土的抗侧力体系，就应充分考虑其自重对结构基础的负面影响，必然会增加基础处理的费用。故在地质条件较差的地区，可采用纯钢框架结构体系，以降低对抗侧力的要求，同时降低基础造价。

三、高层建筑钢框架的结构的节点设计要点

根据相关资料表明，在地震自然灾害中：钢框架结构在地震中容易受到破坏的是刚性梁柱节点，而发生钢梁、柱构件破坏的情况很少，可见目前的梁柱刚性连接方式存在抗震能力不足的问题。而地震中的钢框架梁柱刚性连接节点的破坏集中在节点下翼缘焊缝处，而上翼缘的破坏要相对少得多，下面笔者简要分析如何加强钢框架结构梁柱的刚性节点设计。

（1）采用新型的节点构造形式

1）梁端削弱式节点，即对靠近梁柱节点的钢梁进行削弱，使得地震中削弱处先于梁柱节点出现塑性铰，从而起到保护梁柱刚性连接节点的作用。

通常有这两种形式：①狗骨式节点。它是对靠近梁柱节点的钢梁翼缘进行削弱，实现塑性铰外移，根据削弱形状不同分为直线形、锥形、圆弧形，它可起到保险丝效果，通过削弱梁来保护节点。狗骨式连接主要是考虑到梁端与柱的连接焊缝难免存在缺陷，可能导致连接承载力低于梁的承载力，不得已采取削弱梁截面抗弯能力的措施，也相当于提高了连接的抗弯能力，改变了两者之间的强弱关系，使得水平地震作用下框架在不会首先在连接处破坏。实验表明，当梁翼缘被削弱40%时，结构刚度降低4%～5%，被削弱50%时降低6%～7%左右，所以设计时需考虑刚度变化对整体分析的影响。此方法符合“强连接弱杆件”设计思路，故不会影响到梁柱连接处节点设计、安装。在加工构件时，对加工工艺有较高要求，处理圆弧削弱要求加工尺寸准确，切割面光滑无尖角，磨平时应顺翼缘长度方向加工，避免应力集中。②槽型节点。它是将在梁腹板靠近柱翼缘处沿梁轴线方向切出上下两个槽，其中腹板上槽的存在不会明显地影响梁弹性阶段载荷——位移特性，并具有如下特点：减小节点焊缝处的应力集中；塑性铰外移；改变了节点的破坏模式。

2）梁端加强式节点，即增大梁端及其与钢柱焊接的截面，使得梁端及节点承载能力比其他截面的高，在地震作用下，接近梁端的正常钢梁截面因截面较小，使加强的梁端及梁柱节点尚未进入塑性受力状态时，便先形成塑性铰，从而保护了梁柱刚性连接节点。加强的形式有这两种：①改进的加盖板节点。盖板式连接的设计思想就是加强连接承载力，它是地震后最先提出的一种方案。这种连接在试验室进行大尺寸试件研究时，可获得比以往的连接更好的延性，但有时易出现一些脆性破坏。并且这种连接会使得盖板与梁翼缘的焊接及其检测比较困难，尤其是采用厚盖板时将使坡口焊很大，更容易在梁翼缘和盖板交接处产生残余应力，并且致使焊缝的收缩、复原等更加困难。改进的方法是使梁翼缘不直接与柱连接，消除了盖板与梁翼缘间的人工缝，所以其性能要优于盖板连接。②加腋节点。即在节点部位梁的下面加上三角形的梁腋，以增加节点处截面的有效高度，迫使塑性铰在梁腋区域外形成，降低了梁下翼缘处焊缝的应力。但由于增加了节点区域的焊缝，从而增大了该处发生脆性断裂的可能性。

（2）改变焊接工艺

柱在梁翼缘上下各500mm的节点范围内，腹板与翼缘间的连接焊缝应采用坡口全熔透焊缝。为保证梁上下翼缘与柱焊接采用的垫板和柱翼缘之间充分焊透，可在焊接时采用去掉焊接垫板的做法，同时采取其他减少焊接缺陷的焊接工艺，这样还可减少应力集中。

此外，还应采取限制梁平面外的长细比、受压构件的长细比、构件组成板件的宽厚比，并采取措施增强连接节点的承载能力，使钢框架结构能承受较大的往复塑性变形，提高抗震能力。

四、结语

总之，随着社会经济的发展，我国高层建筑事业也随之发展迅速，设计思想也在不断更新。结构体系日趋多样化，建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂，这就给高层建筑钢结构分析和设计提出了更高的要求。这就要求我们广大钢结构设计人员在工程实践中应不断探索和总结，并大胆学习和借鉴国外先进技术，努力提高我们钢结构的设计水平，才能满足新型建筑结构需要。

参考文献：

[1]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京：科学出版社，2005.

[2]GB50017-2003.钢结构设计规范

[3]JGJ99-98.高层民用建筑钢结构技术规程

[4]郭兵，纪伟东等.多层民用钢结构房屋设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.