多层钢框架结构设计要点

多层钢框架结构设计要点

陈德赟

陕西省现代建筑设计研究院 陕西 西安710021

摘要：目前钢框架结构广泛应用于民用高层住宅、办公楼、高层(超高层)以及写字楼等大型商业高层建筑物，钢框架结构使用位置灵活，能轻松实现大中小跨度、大户型开间的建筑空间结构，以充分满足商业建筑物大跨度空间的多功能结构需求，钢框架结构主体具有高度轻质、高强抗震性能稳定特点，强度高、延性好，钢结构能对建筑主体具有良好的整体抗震和耐力学性能。通过相关信息技术的运用，钢框架结构的建模能够有效、灵活、及时地进行建筑结构设计验算和设计数据分析，保证建筑结构设计的安全性和可靠性，及时降低结构设计成本，为施工企业和经济社会发展创造良好的社会效益和经济效益。

关键词：钢框架；空间结构；结构计算分析

引言：随着我国科技水平的快速发展，我国现代建筑行业得到了迅猛发展，钢框架结构被广泛应用普及到各种建筑行业，并在建筑结构设计上已经取得了一定的技术进步。人们对这些建筑物的使用安全性和其他功能性问题给予了高度的关注。结构设计从业人员一定要高度重视民用建筑物主体结构设计的技术性能和设计品质，有效率地提升建筑物的设计安全性和设计实用性。

一、多层钢框架结构房屋的结构体系及选用

1、多层钢框架结构房屋的结构体系

多层框架结构作为房屋结构体系的主要构成，按其支撑体系一般来说可以再细分为：框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构，板柱-剪力墙结构、异形柱结构、简中简结构、以及多简体系。框架结构承重作为主要的框架结构性和承重侧力体系组成结构，也是主要的框架结构承重抗挤压承重性和承重系统体系，这些类型框架结构的主要承重抗侧力体系结构特性及其优缺点各不相同，主要的特性优点及其区别主要在于它是根据框架结构的主要承重抗挤压承重性和框架结构主要承重侧力体系的不同。

2、多层钢框架结构房屋的结构体系的选用

建筑物对房屋的高度要求越高，其大型抗震建筑设防保护等级要求越高，受到的巨大地震运动作用和大地风荷所承载的压力影响便可能会越大，所以针对大型抗震建筑设防等级要求相对高的大型建筑物，应该应当优先综合考虑大型框架作为房屋的结构支持体系，因为该框架结构支撑体系内部构造比较简单，并且具有显著的整体抗震和侧力保护效果；针对大型抗震建筑设防等级要求相对低、楼层也较低的大型建筑物，可以优先选用大型框架结构支撑体系。

结构调整体系的类型选择还和整个建筑物的整体功能和使用要求确定有很大的直接关系，如结构框架—内部剪力墙设计体系和结构框架—内部核心筒力墙体系等都可以同时做出适当的结构调整以达到符合整个建筑物整体内部空间的使用需求。

结构构件体系的如何选用还和需要施工车间条件要求有一定的直接关系，因为侧力结构体系构件的安装加工一般上都是在建筑工厂进行完成，现场通过安装进行拼接，可以因此使需要施工的车间周期得以缩短；而在钢筋抗弹性侧力养护结构构件体系中则需要现场进行浇筑和施工养护钢筋混凝土，使需要施工的车间周期得以延长，因此如果需要施工的车间工期比较紧张，可以考虑选用优质纯钢的侧力结构构件体系。

二、多层钢框架的结构的节点设计

1、采用新型的节点构造形式

(1)梁端加强式节点

①经过改进的新型加盖式钢板连接节点，整个连接的整体设计方案思想主要是为了加强整个连接的整体承载力，是汶川地震后最早有人提出的连接方案。在一些试验室采用进行大型小尺寸焊接试件对该盖板连接条件进行实验研究时，获得的是外延性连接较好，但是容易直接发生脆性连接破坏，并且直接加大了上层盖板和梁翼缘之间的盖板焊接与焊缝修补的工作难度。

②加腋节点是指在翼缘节点处梁下加三角形梁腋，大大增加了翼缘节点段的有效高度，同时减小了下翼缘电弧焊缝脆性应力梁的面积，但也增加了接头法兰脆性断裂的可能性，因为塑性焊接是在边部进行。

(二)梁端削弱式节点

①狗骨式削弱节点，狗骨式节点是将梁柱三个节点附近的钢梁的翼缘削弱，使类似的塑性铰移出。根据钢梁弱化程度的不同，其形状可分为锥形、线形和三角形弧形，也可起到类似塑料熔断器的保护作用。各节点的翼缘可通过切断削弱的钢梁进行保护。狗骨式焊缝连接主要用途是用于考虑梁端和柱的焊缝连接，但焊缝间隙可能存在较大的连接缺陷，会直接导致梁的连接抗弯承载的能力比梁的抗弯承载力低，所以需要采取一种削弱梁截面桥梁抗弯承载能力的连接方法，使桥梁连接的整体抗弯承载能力得以提高，使桥梁两者之间的连接强弱受力关系从而得以发生改变，使梁的框架结构不会在各种水平波和地震波的作用下首先在连接处受到破坏。因此在设计的过程中应该通过综合分析考虑刚度的变化对整体设计分析结果造成的巨大影响，在实际加工这些构件时，对需要加工的构件工艺精度要求相对较高，处理一些圆弧面被削弱的构件时候要求它具有精确的翼缘加工角度尺寸，使方形切割机表面光滑而且无任何尖角。

②槽型焊接节点，该焊接形式节点是梁腹板柱在靠近柱翼缘切口处沿着梁柱轴线的反向运动切出上下不同方向的两个槽，其中在柱腹板上槽对梁柱的弹性焊接阶段铰链载荷影响不会对柱造成明显的反向影响，并且由于使用了塑性阶段铰链向外移，节点进行焊缝切割处理的集中破坏应力大大减小，从而可以使槽型节点的焊接破坏应力模式大大缩小。

2、优化建筑结构的布置

在多层建筑中科学合理地布置框架结构，有利于充分发挥多层钢框架的结构性能，使其结构更美观、更安全、更稳定。结构设计工作人员首先必须要明确不同框架的承重建筑结构形体，确保各个框架层面的结构规则性以及框架具有良好的耐压以及抗震冲击能力，再根据不同框架结构整体平面布置的高度差异以及不同框架承重建筑方式的结构特点，选择最符合适宜的框架承重结构方案。纵向结构框架梁承重设计方案、横向结构框架梁承重设计方案和各种纵横向梁框架承重混合结构承重设计方案均同属于建筑结构设计，技术人员自身可以自由选择和综合考虑的三种承重设计方案。除此之外，结构设计从业人员还需要特别重视设计结构材料构件这一关键环节，根据结构材料的使用强度以及每个构件的垂直截面积和尺寸等来选择最适宜的具体应用设计方案。自然灾害因素作为不可抗力，是现代建筑工程结构设计中需要重点关注的一个问题，结构设计人员需要将自然灾害因素设计纳入主要考虑因素范围内，设计出相应的钢框架结构。

结语：多层建筑物从结构设计开始到施工建成往往需要同时涉及多个设计环节，多层建筑钢结构分层设计作为多层建筑物结构设计过程中的关键组成部分，结构设计从业人员在进行设计时往往需要通过综合分析考虑各种多方面影响因素，确保多层建筑物钢结构的设计稳定性和设计实用性。多层结构钢框架结构系统具有设计复杂性和功能多样性，结构设计技术人员同时可以充分借助先进现代化的检测设备技术进行设计数据采集分析，采用科学有效的结构设计管理手段，在准确掌握设计数据的技术指导下不断完善整体结构设计，让住宅建筑整体结构更加美观科学合理，充分考虑实现其整体性能。

参考文献：

[1]马智英, 路平. 钢框架结构设计的相关要点[J]. 工程建设与设计, 2020(1):23-27.

[2]孙楚津、陆新征、程庆乐、许镇. 多层钢框架结构的区域震害模拟多自由度模型[J]. 防灾减灾工程学报, 2020, v.40(05):75-82.