钢框架结构设计流程.pdf

申报论文 （高（高 级）级） 题 目 ：题 目 ： 多层钢框架结构设计 统一技术措施及流程 2014 年年 12 月月 15 日日 单单 位位： 北京维拓时代建筑设计有限公司 姓姓 名名： 徐桀 课题方向：课题方向： 钢框架结构 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-II-页 -II- 摘摘 要要 钢框架结构是钢结构诸多结构形式的一种，对应于混凝土框架结构体系。钢 框架主要适用于多层办公、展厅、仓库、超市、商场、车库等。 钢框架设计控制要点及主要内容包括：计算软件选取、荷载的导算、结构形 式的确定、设计参数的取用、关键节点的计算。 关键词： 钢框架，设计流程，统一技术措施，支撑框架 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-III-页 -III- 目目 录录 摘 要 . 绪 论 .1 一、钢结构总体概况 2 二、结构体系及构件截面形式选择.2 三、荷 载.3 四、设计流程 .3 1.计算软件的选择 .3 2.荷载与作用 .3 3.计算模型及参数选择 . 4 4.设计 . 5 结 论 .10 参考文献 .11 附 录 .12 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-1-页 -1- 绪绪 论论 为帮助钢框架结构设计经验较少的结构工程师尽快撑握钢框架设计的主要 内容及流程特写本文，希望大家能从中得到一些启发。 钢结构有自重轻，延性好，抗震性好、构件以工厂预制为主施工周期短的优 点。钢结构建筑拆除大部分材料仍可再利再，甚至可以异地重建，所以其残值要 远高于混凝土及砌体结构。钢结构的结构形式很多，如空间大跨度结构（空间大 跨结构如体育场场馆、火车站、机场航站楼屋盖等）、工业厂房、多层及高层钢 框架结构、高耸结构。 钢结构也有自身的缺点。 钢结构不象混凝土结构一般不需要另外进行防腐及 防火处理，钢结构必须进行防腐处理，有防火要求的建筑还要求刷涂防火涂料或 包防火板。另外对于纯框架结构结构位移一般较大，对围护结构适应变能力的要 求较高，容易出现连拉部位的开裂。目前加上多结构防腐及防火费用钢结构建筑 相对混凝土建筑费用一般高出 1030。 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-2-页 -2- 一、 钢框架结构总体概况 结构重要性系数按 建筑结构可靠度设计统一标准 确定。 注意 钢 结构设计规范中对设计使用年限为 25 年的结构构件，0不应小于 0.95。 根据建筑物的高度、建筑所在地的抗震设防烈度按建筑抗震设计 规范表 8.1.3 确定钢结构框架的抗震等级。 二、结构体系及构件截面形式选择 钢框架结构又可根据有无支撑可分为支撑框架结构及无支撑纯框 架结构。 对于有条件设支撑的框架结构优先设置支撑， 框架的两个方向宜均 匀布置支撑框架。当支撑结构的侧移刚度满足式钢结构设计规范 5.3.3-1 时，为强支撑框架，此时框架按无侧移框架设计。当支撑结构的 侧移刚度不满足式 5.3.3-1 时， 框架柱的轴压杆稳定系数按式 5.3.3-2 计算。多层建筑采用中心支撑，支撑形式可为“十”字交叉支撑、 “人”字 形支撑、 “八”字形支撑等，支撑杆件的截面形式一般采用 H 钢，H 型 钢腹板所在平面垂直于钢框平面，支撑节点一般采用与钢框架刚接做 法，计算时可接铰接计算。支撑框架结构框架部分按刚度分配计算得到 的地震层剪力应乘以调整系数， 达到不小于结构底部总地震剪力的25 和框架部分计算最大层剪力 1.8 倍二者的较小值。支撑框架柱一般采用 H 型钢柱。 对没有设置支撑条件的框架结构， 如果结构平面是较长矩形可将 H 型钢柱强轴沿矩形短边方向，这时沿矩形长方向侧移刚度较弱，经计算 分析后如果层位移角不满足规范要求可将一部分框架柱转 90 度角直至 两个方向均满足要求层位移角的要求。 对于层数较高的多层建筑建议采 用焊接箱形截面。 对仅一个方向可设支撑的框架结构，将支撑均布置在 H 型钢弱轴方向。当设支 撑方向的层位移角满足高层民用建筑钢结构技术规程第 5.2.11 u/h 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-3-页 -3- 1/1000 条规定时可将该方向框架视为无侧框架。当层位移角不满足此值时应按 能反映二阶效应效应的方法验算结构的整体稳定。 三、 荷载 框架建筑楼面活荷载：按建筑结构荷载规范（GB50009-2012）表 5.1.1 取用，对于隔墙位置可灵活布置时注意附注 6 的相关规定。 钢框架建筑屋面荷载： 对于轻型屋面（采用金属板加冷弯薄壁檩条）：按建筑结构荷载规范 （GB50009-2012）表 5.3.1，注意钢结构规范3.2.1 条附注对荷载取用的说明； 对于非轻质屋面按建筑结构荷载规范表 5.3.1 取屋面活荷载。 楼面及普通屋面（非轻质屋面）永久荷载按结构各部分自重相加即可，注意 对于采用钢压型钢板作为永久模板的混凝土板自得计算时应扣除钢压型钢板波 峰处混凝土自重。对于轻质屋面注意风荷载对角部及端部局部增大影响，具体按 建筑结构荷载规范表 8.3.3 取用。尤其对于局部开敞、半开敞建筑注意风荷 载的放大系数及风荷载可能变号的情况； 对于有积雪的屋面注意高低屋面部位低 屋面积雪分布系数。 荷载组合按建筑结构荷载规范式 3.2.3-1 及 3.2.3-2 进行非抗震承载能力 计算，按建筑结构荷载规范3.2.8 进行正常使用验算。 地震作用组合按建筑抗震设计规范第 5.4.1 条进行。 四、 设计流程 1、计算软件选择计算软件选择 根据建筑复杂程度选用相应的软件。 对典型框架结构采用 PKPM STS或YJK 软件。 对需进行非线性分析、 屈曲分析可选择 MIDAS 或 SAP2000 进行补充计算。 2、荷载与作用、荷载与作用 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-4-页 -4- 收集与荷载相关的文件资料与数据， 包括建筑做法、 工程所在地的基本风压、 基本雪压、温度作用、抗震设防烈度、场地类别、围护墙体材料容重及布置。 将各楼层分区域荷载数值标记于平面图上，不要遗漏梁上线荷载。各挑板、 雨棚荷载按等效荷载方式施加于主结构上。 3、计算模型及参数选择、计算模型及参数选择 （1）计算模型 空间框架体系宜建立空间模型计算。 计算模型要能正确反应实际结构受力情况，各种假定要与实际 做法一致。如模型中按铰接计算的连接实际节点设计时应与之对应 （斜支撑可例外） 。对于改扩建类建筑，如果建筑一侧与侧移刚度很 大的混凝土结构相连且混凝土结构自身层位移角小于u/h 1/1000,此时与混凝土结构毗连的钢框架按无侧移框架计算。对于改 扩建建筑应将原结构一起建在模型中，不可只建增建部分而不建与 增建部分相连的混凝土结构，尤其是在混凝土结构上加层的情况更 应该整体建模。 （2）参数选取 总体信息项：点选有填充墙钢结构，如需对结构自重放大可以 对钢材容重 78 乘以放大系数。材料信息项项：截面净毛面积比值一 般 0.851，可根据具体工程构件截面削弱情况填写比值，如柱开有 洞口可取小值，截面没削弱可取 1。地震信息项中周期折减，可根 据钢框架围护材料刚度强度填写不同系数，如采用轻质金属围护材 料可取 0.9，轻质水泥纤维或类似墙体可取 0.85，其他情况参照高 层建筑混凝土结构技术规程4.3.17 条执行。阻尼比按建筑抗震 设计规范8.2.2 条。钢柱计算长度系数对无支撑框架按有侧移，对 有支撑框架根据支撑侧移刚度按钢结构设计规范5.3.3 条执行。 对支撑框架也可参照高层民用建筑钢结构技术规程5.2.11 条规 定执行。考虑地震作用的建筑需符合建筑抗震设计规范8.2.3、 8.2.5、8.2.6 及 8.2.8 条规定。 对于仅在一个方向设置了支撑的框架结构当支撑框架符合钢 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-5-页 -5- 结构规范式 5.3.3-1 条规定在 PKPM STS 软件中可按下图设定柱计 算长度系数。 当钢框架梁上翼缘采用抗剪连接件与组合楼板连接中梁刚度放 大系数可取 1.5， 边梁可取 1.2 （ 高层民用建筑钢结构技术规程 5.1.3 条） 。 图一 4、设计、设计 （1）计算长度系数与长细比 对于受压构件绝大多数属稳定应力比控制截面。稳定应力与 长细比密切相关，影响受压构件长细比的因素很多，约束条件、 构件自身回转半径、计算长度系数。对于钢框架结构可根据侧向 刚度大小分为有侧移结构和侧移结构，相应的框架柱的计算长度 系数分别按钢结构设计规范附录表 D2 及附录表 D-1 查表。 长细比是钢结构设计中一个很重要的概念。 钢结构设计规范 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-6-页 -6- 表 5.3.8 及表 5.3.9 分别列出了受压及受拉构件最大容许长细比。 建筑抗震设计规范8.3.1、8.4.1 分别规定钢框及钢框架中 心支近长细比限值。 控制受压构件的长细比是保证构件刚度及稳 定的基本措施。 (2)高厚比与宽厚比 高厚比与宽厚比是保证构件局部失稳不先于整体失稳的基 本措施。 钢结构设计规范对受压构件的高厚比与宽厚比的规定在 5.4 节；对受弯构件的高厚比与宽厚比的规定在 4.3 节。抗震设防 建筑构件的高厚比与宽厚比限值见表 8.3.2。 压弯构件腹板高厚比与构件应梯度 0 有关， max minmax 0 ，当6 . 10 0 时； yw ft h235 )255 . 016( 0 0 （5.4.2-2） 当0 . 26 . 1 0 时； yw ft h235 )2 .265 . 048( 0 0 （5.4.2-3） 构件在弯矩作用平面内的长细比；当100 时取100。 H 形、工字形和箱形截面受压构件的腹板，当其高厚比不符 合式 5.4.2-2 或式 5.4.2-3 时可按钢结构设计规范5.4.6 条 在计算强度和稳定性时仅考虑腹板截面计算高度边缘范围内两 侧宽度各为 yw ft/23520的部分。 (3)强柱弱梁 建筑抗震设计规范8.2.5 除符合第 1 条规定外其他等截面梁应 满足 ybpbCycPC fWANfW )/( 端部翼缘变截面的梁 )()/( 1 SVfWANfW pbybpbCycPC 式中：WPC、WPb分别为交汇于节点的柱和梁的塑性截面模量； WPb1梁塑性铰所在截面的梁塑性截面模量 ybyc ff 、分别为柱和梁的钢材屈服强度； 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-7-页 -7- N地震组合的柱轴力； 强柱系数，一级取 1.15，二级取 1.10，三级取 1.05 Vpb梁塑性铰剪力 S塑性铰至柱面的距离，塑性铰可取梁端部变截面翼缘的最小处。 (4)节点域屈服承载力验算 钢结构设计规范7.4.2 v P bb f V MM 3 4 21 VP-节点域腹板的体积（1） 建筑抗震设计规范8.2.5 条公式 8.2.5-3 yvppbpb fVMM)3/4(/ )( 21 VP-节点域腹板的体积(2) VP= wcb thH 11 （工字形截面柱） VP= wcb thH 11 8 . 1 (箱形截面柱) VP= wcb thH 11 )2/( (圆形截面柱) 注意节点域尺寸自梁柱翼缘中心线算起。 折减系数；三、四级取 0.6，一、二级取 0.7； 高层民用建筑钢结构技术规程6.3.5 90 00cb wc hh t （3） 在节点进行抗震验算时需满足（2）及（3）非抗震验算时需满足(1)和（3）。对 于节点域不满足要求的柱节点域，轧制 H 型钢般采用如下加强措施： 图二 对于焊接 H 型钢柱一般采用局部变厚措施。 局部变厚范围同轧制 H 型贴板范围。 塞焊缝构造做法可参见钢结构连接节点设计手册P27 页相关做法。 （5）梁柱刚接节点计算方法 钢结构连接节点的计算及其构造，不是各自独立而是紧密地相互联系着的， 是钢结构整个设计工作中一个重要的环节。连接节点的设计是否得当，对保证钢 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-8-页 -8- 结构的整体性和可靠度，对制造安装的质量，对整个建设周期和成本都有着直接 的影响。 在梁与柱（强轴）刚性连接的常用方法中，考虑梁端内力向柱传递时，原则 上梁端全部由梁翼缘承担， 梁端剪力全部由梁腹板承担； 同时梁腹板与柱的连接， 除对梁端剪力进行计算外，尚应以腹板净截面在积的抗剪承载力设计值的 1/2 或 梁的左右两端作用弯矩的和除以梁净跨长度所得到的剪力来确定。 在进行实际工 程计算时建议按梁翼缘塑性截面模量除以全截面塑性截面模量的比值来确定是 按常用方法计算还是精方法计算。 当梁翼缘塑性截面模量除以全截面塑性截面模 量不小于 0.7 时可以按常用方法计算，当该比值小于 0.7 按精确方法计算。 一般框架结构梁柱节点采用梁翼缘与柱梁缘焊接， 腹板采用高强螺栓连接的 方式连接。当节点受力较大时，按双剪连接计梁腹板螺栓。 （6）节点极限承载力计算（梁柱连接节点抗震加固计算） 见算例 附二 钢结构节点设计 （二）梁柱连接节点抗震加固计算 (7) 梁柱刚接时，节点区应符合建筑抗震设计规范第 8.3.6 条规定（强制 性条文）。 （8）组合梁设计 楼屋面梁符合钢结构设计规范11.1.1 规定时可按组合梁进行计算。组合梁 应分别进行施工阶段验算及使用阶段验算， 当施工阶段设置可靠支撑时可不进行 施工阶段验算。组合梁中钢梁的受压区，其板件的宽厚比应满足本钢结构设计 规范第 9.1.4 条规定。组合梁构造要求见钢结构设计规范11.5 节相关规 定，并可参考高层民用建筑钢结构技术规程7.4.17.4.10 条规定。 （9）主次梁铰接节点 计算螺栓个数时注意应考虑连接偏心所产生的附加弯矩，具体计算参见钢 结构设计手册（下册）（第三版）P231例题 36-136-2。 （10）楼（屋）面 一般钢框架结构楼（屋面）采用压型钢板现浇钢筋混凝土板组合楼（屋）盖 或钢筋桁架组合楼板。组合楼板设计应符合组合楼板设计与施工规范（CECS 273：2010）。 （11）围护墙体 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-9-页 -9- 钢框架墙体应在满足扩热工、耐久性、强度、防水要求的基础上尽可能轻。 常规墙体采用砌体，包括砖、砌块砌体。但常规砌体围护墙自重大、刚度也大， 当墙体嵌砌在柱内时墙体布置不均匀时容易造成结构的扭转对钢框架不利且在 地震作用下墙体容易开裂。 轻质围护墙体在钢框架结构中应用越来越多。玻璃幕墙、金属幕墙、复合水 泥纤维板、钢带陶粒板复合内（外）墙等均为轻质墙体，可根据建筑的功能选择 合适的材料。 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-10-页 -10- 结结 论论 随着我国钢材产量的提升及对保护环境要求的提高我国钢结构建筑必将会 有一个迅速发展的时期。希望该统一技术措施及流程对大家的工作有所帮助。 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-11-页 -11- 参考文献参考文献 1 建筑抗震设计规范 2 钢结构设计规范 3 建筑结构荷载规范 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-12-页 -12- 附附 录录(算例算例) 附一、结构体系附一、结构体系 五层钢结构住宅结构(层高 2.9 米)的工程对有无支撑情况作以比较。计算软 件均采用 PKPM 2010 V2.1 版。 （一）有支撑框 工程概况如下：8 度区抗震设防，场地类别为 III 类，基本风压：0.45KN/m2, 地面粗糙度类别：B 类。基本雪压：0.40KN/m2，楼面可变荷载：2.0 KN/m2。建 筑总高度 14.5 米，屋高 2.9 米。钢结构梁柱采用 H 型钢时，使柱强轴在同一方 向并在弱轴方向加设支撑。 1、框架平面布置图 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-13-页 -13- 附图一 2、框架截面规格表 附图二 3、框架周期 考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数 振型号 周 期 转 角 平动系数 (X+Y) 扭转系数 1 0.8717 180.00 1.00 ( 1.00+0.00 ) 0.00 2 0.4438 90.00 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 3 0.3876 176.72 0.00 ( 0.00+0.00 ) 1.00 4 0.2827 0.00 1.00 ( 1.00+0.00 ) 0.00 5 0.1633 0.00 1.00 ( 1.00+0.00 ) 0.00 6 0.1471 90.00 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 7 0.1277 178.74 0.00 ( 0.00+0.00 ) 1.00 8 0.1158 0.00 1.00 ( 1.00+0.00 ) 0.00 9 0.0949 0.00 1.00 ( 1.00+0.00 ) 0.00 4、位移角 强轴方向最大层间位移角: 1/ 352.(第 2 层第 1 塔)， 有支撑弱轴方向 1/1026.(第 3 层第 1 塔) 5、框架结构用钢量 结构用钢材材质为 Q345-B，结构用钢量 45KG/ m2。 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-14-页 -14- （二）无支撑框架 将上述结构改为无支撑纯框架，其他条件不变。 1、框架平面布置图 附图三 2、框架构截面规格表 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-15-页 -15- 附图四 3、框架周期 考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数 振型号 周 期 转 角 平动系数 (X+Y) 扭转系数 1 1.1669 179.96 1.00 ( 1.00+0.00 ) 0.00 2 1.0482 89.85 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 3 1.0130 155.17 0.01 ( 0.00+0.00 ) 0.99 4 0.3736 179.98 1.00 ( 1.00+0.00 ) 0.00 5 0.3140 89.84 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00 6 0.3091 122.24 0.01 ( 0.00+0.00 ) 0.99 7 0.2155 179.99 1.00 ( 1.00+0.00 ) 0.00 8 0.1628 89.81 0.97 ( 0.00+0.97 ) 0.03 9 0.1617 96.32 0.03 ( 0.00+0.03 ) 0.97 4、框架位移角 层间位移角 X 方向最大层间位移角: 1/ 259.(第 2 层第 1 塔) Y 方向最大层间位移角: 1/ 299.(第 2 层第 1 塔) 5、框架结构用钢量 结构用钢材材质为 Q345-B，结构用钢量 52KG/ m2。 对比以上两种方案，设置支撑的框架位移较小，用钢量较纯框架少，构件截面形 式简单，加工制作方便，结构舒适度（变形小）好，在地震中结构次结构（围护 墙体、吊顶对）破坏较小，设置支撑框架的缺点也是很明显的，对建筑功能有一 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-16-页 -16- 定影响。以上讨论的仅在建筑的一个方向加设支撑的情况，如果建筑许可在两个 方向均加设支撑会进一步提高支撑钢框架的经济性。 附二、钢结构节点设计 建筑抗震设计规范对钢结构关键节点作了规定，现在对一些规定及算法作以 简单的介绍。计算原理及公式参见钢结构连接节点设计手册(第二版)，计算 软件为 Excel 制作小工具。 （一）刚接柱脚计算 公式符号含义见建筑抗震设计规范式 8.2.8-6 其中 见表 8.2.8 附图五 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-17-页 -17- 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-18-页 -18- 附图六 （二）梁柱连接节点抗震加固计算 钢结构强节点弱构件实现方式，通常有以下做法 1、 节点处梁翼缘加盖板。这种做法在 PKPM STS 中常用。 2、 狗骨式节点，在节点域以外削弱钢梁的翼缘，使该部位成为薄弱部位从而实 现强节点弱构件。这种做法在国内很少使用，原因有二，一是加工制作比较 复杂，二是以狗骨节点处强度控制梁构件的截面造成梁截面较大，浪废钢材。 3、 梁下加掖。这种做法在不影响净空的情况下采用，加掖能明显提高节点的承 载力与刚度，在不影响净空的情况下采用常被采用。 4、 节点区梁局部加宽。这种加强方法最近被经常采用。 下面用一个小工具来介绍第 3、第 4 种方法节点加强措施。 梁柱刚性连接节点在 PKPM STS 节经常会以加盖板的加固形式出现，当梁 翼缘厚度与柱翼缘相当且节点极限承载力验算不满足要求时会出现梁翼缘加盖 板总厚度大于柱翼缘厚度的情况，此时 PKPM 将提示无法加强，此节点验算不 通过。此时只能采用上图中梁翼缘加宽或梁下加掖的方案了。 北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-19-页 -19- 附图七