刚架结构设计论文范文

刚架结构设计论文篇1

关键词：异形框架结构 异形框架柱 异形框架梁 边缘壁柱 边缘壁梁 结构设计

1、问题的提出

高层建筑结构设计中，经常遇到平面狭长且横向跨数较少的高层框架或框剪类建筑，其地下室或底部楼层为停车场、餐厅或商场超市等，使用功能的限制不允许有过多剪力墙落地。按常规梁柱截面设计时地震作用下其y 向位移常不能满足要求（为讨论方便，设定y 向为短方向），主要原因是结构整体在y 向的刚度不足。通常有以下几种解决方法：1）调整y 向剪力墙数量、厚度及混凝土强度等级；2）将楼电梯间做成封闭型,形成闭合的筒体；3）调整y向框柱截面为矩形,增加y 向框梁截面高度；4）少数多高层框架类型的结构,采用增设混凝土斜撑的方式提高侧向刚度[1 ] 。

这几种方法中，前三种是比较常用的，与建筑协调以争取足够数量的落地剪力墙，但落地剪力墙较少时将导致有限的剪力墙吸收过大的地震力，地震作用下剪力墙首先发生破坏。斜撑更多应用在钢结构中，在混凝土结构中的应用尚未普及，且给梁柱节点施工带来一定难度，节点区施工质量不能得到保证。若考虑采用底部大空间带转换层的结构类型，在地下室顶板处进行梁托墙转换时，框梁截面往往很大，内力计算及构造措施等与普通框剪结构相比有更严格的要求，显然在结构y 向位移略有不足的情况，设计为带转换层或转换构件的框支剪力墙结构不尽合理。本文讨论的异形框架结构就是试图从新的角度解决高层建筑结构弱向刚度不足、位移不满足要求的问题。

2、异形框架结构定义及结构体系

2．1 异形框柱与异形框梁截面形式

异形框柱从截面形状上看与剪力墙带端柱约束边缘构件相似，本文称其为带边缘壁柱的异形框架柱，主框柱承担竖向力和水平剪力，边缘壁柱辅助框柱承担水平剪力，承担少量竖向力。这点是与异形柱在受力机制上的主要区别。边缘壁柱的设置根据需要可以分为以下几种情况：1）在框柱一侧设置；2）在中间框柱两侧设置，形成“一”或“L”型；3）在框柱三个方向设置，形成“T” 型；4）在框柱四周同时设置，如图1 所示。设计过程中根据实际情况，在不同位置的柱采用不同截面形式，如图1c 可以用于角柱,图1d 用于边框架中柱等。框柱与边缘壁柱根据需要采用弱连接或者强连接的方式。

图1 异形框架柱截面示意

异形框梁为在主框梁上边(下边,或者上下边)加设边缘壁梁的框架梁，如图2 所示。框梁承担大部分剪力和弯矩，边缘壁梁提高框梁的抗弯刚度，承担部分竖向荷载引起的弯矩和水平荷载引起的剪力。根据计算和平面布置要求可以布置在框梁上边、下边，或上下边同时设置。框梁与边缘壁梁根据需要采用弱连接或者强连接的方式。边缘壁柱和边缘壁梁暂统称为异形框架结构的边缘构件。

图2 异形框架梁截面示意

2．2 异形框架结构体系及其特点

异形框架结构由普通框架结构发展而来，定义为由异形框柱和异形框梁组成的现浇钢筋混凝土结构，与框架结构、框剪结构结合起来形成异形框架-框架结构、异形框架- 框剪结构等。异形框架结构本质上属于JGJ 3 ―2002《高层混凝土结构技术规程》[2 ] 中规定的框架结构，但在地下室顶板处有内力转换的特点，地下室顶板视为不完全转换层，但整体并没有明确的承担不落地框柱或剪力墙的转换梁，全部竖向构件均为连续传递至基础，因此异形框架结构从转换角度来说与通常的带转换层结构有较大的区别。典型的异形框架结构立面示意如图3 所示。

图3 异形框架结构立面示意

异形框架结构与异形柱结构、壁式框架结构及短肢剪力墙结构有着明显的区别。JGJ 149 ―2006《混凝土异形柱结构技术规程》和有关文献讨论的是异形柱结构的设计与应用，选用异形柱结构的出发点主要是建筑的使用功能要求，应用地区和最大高度都有限制；异形柱结构不论采用何种截面，均按全截面整体受力考虑，一般不允许地震作用下异形柱任何部分出现破坏[3 - 4 ] ；壁式框架结构是介于框架与剪力墙之间的一种结构形式，截面形式、受力和变形特征同异形柱结构基本一致。异形框架结构则是从改善结构受力、增强结构侧向刚度的角度出发设置边缘构件，适用地震烈度区和最大高度要求与普通框剪或框剪结构一致，整体受力机制和地震作用下构件破坏机制是其与异形柱结构和壁式框架等结构的主要区别。

异形框架结构内力传递机理分为两种情况，根据附加的边缘构件长度不同相似于普通框架结构或框支剪力墙结构：1) 当边缘构件长度较小时，边缘构件仅起到加强框柱与框梁刚度的作用，承担少量内力，与之相连的地下室顶板框梁的转换功能不明显，结构整体在水平力作用下的变形特征与普通框架结构相似，均为竖向荷载由框柱直接向基础传递，不存在通过转换梁向下传递的情况；在水平地震力(或风荷载) 作用下，主框梁与主框柱组成的框架结构体系主要承担水平剪力与倾覆弯矩，边缘壁柱和边缘壁梁分别增大了框柱和框梁的抗弯刚度和抗剪承载力，整体结构的抗侧刚度得到加强。

2) 当边缘构件长度较长时，边缘构件的刚度大大增加，其受力机制发生转变,框架梁柱与边缘构件组成的平面可视为开洞的带边框剪力墙,而结构整体将趋向于框支剪力墙结构，其转换层在地下室顶板处，计算和构造措施需按框支剪力墙结构取用。就本文中所讨论的情况，仅希望边缘构件起到对结构整体的加强和调整作用，故此应控制边缘构件截面长度，本文所讨论的异形框架结构也仅指第1 类结构。

边缘构件的设置位置比较自由，原则上只要有填充墙或隔墙的梁柱部位均可以进行设置，这种设置方法决定了可以任意调整结构不同部位的抗侧刚度。比如，当剪力墙比较集中且在平面不对称布置时，可以设置边缘构件来调整另一侧结构抗侧刚度，减小剪力墙不对称布置所带来的不利影响，使结构平面刚度分布更加合理。由于平面布置上的要求，楼电梯间处的剪力墙分布在两端，或者集中在中部，,由于楼板面内变形，没有布置剪力墙的部位其框柱所需要承担的剪力相对较大，而计算时通常假定楼板为无限刚性，不存在面内剪切变形，与实际结果有一定差异，如能在该结构中的特定部位，采用一定数量的异形框柱将起到改善整体受力的作用，使结构平面受力更合理。

异形框架结构边缘构件在地震作用下可以首先发生延性破坏，设计异形框架- 框架结构在地震作用下的屈服部位依次是边缘壁梁- 边缘壁柱- 框架主梁塑性铰；同理，异形框架- 框剪结构的屈服部位依次是边缘壁梁- 边缘壁柱- 连梁- 墙肢- 框架。多遇地震时，边缘构件处于弹性阶段或弹塑性界限区；罕遇地震时，边缘构件首先达到塑性阶段而产生屈曲，刚度降低,变形增大，起到抗震耗能作用。边缘构件的纵筋和箍筋配筋率需根据试验或严格计算进行确定，保证其在地震作用下首先发生破坏。正常使用情况下，按照框梁处于弹性阶段时的平截面假定，边缘壁梁下缘应变最大，最下排钢筋应力也将首先达到屈服应力，边缘构件将不再承担弯矩，框梁开始承担大部分弯矩，边缘构件的裂缝宽度应控制在规范允许范围内。根据异形框柱（梁）的截面特点，边缘构件外边缘达到极限应变而发生破坏时，与柱（梁）连接处由于两者的相互约束作用而仍使柱（梁）处于弹性阶段,起到保护框柱（梁）的作用。梁柱节点的刚域因边缘构件的存在将增大，框梁的计算长度减小，楼层层间侧向刚度增大。通过设置边缘构件，可以很容易地实现“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”的概念设计原则。

在工程应用中，可以单独应用边缘壁柱、边缘壁梁或将两者结合应用。由于框架梁的刚度对结构整体抗侧刚度影响很大，单独利用边缘壁柱得到的效果小于单独利用边缘壁梁的效果。在单独利用边缘壁梁时，宜设置边缘壁柱，实际上是将两者结合起来应用。可以采用设置边缘壁柱对结构进行微调，以保证位移角达到规范要求或减弱结构的扭转反应。

3 异形框架结构计算方案

异形框架结构在地震作用下的变形特点与普通框架结构类似，各榀框架的变形曲线基本相同，由于控制边缘壁柱的截面长度，使框柱的反弯点在柱中部，结构整体变形特点仍呈剪切型，楼层剪力同样可按异形框柱的的抗推刚度D 值比例进行分配。根据边缘构件所起的作用，可以采用刚度等效的方法，将边缘构件按刚度相等原则叠加到框架梁柱上。由于希望地震作用下边缘构件先于框柱发生开裂或屈服以消耗地震能量，因此对等效后的刚度进行折减，然后再修改框柱和框梁的截面抗弯刚度。

K′= βK(1)

式中：K 为框柱（梁）主体截面线刚度； K′为异形框柱（梁）等效线刚度；β为等效线刚度系数。β有两种计算方法：其一是对边缘构件本身的刚度进行折减后，叠加到主框柱（梁），再与其进行比较确定β值；其二是将两者刚度叠加后再对异形框柱（梁）刚度进行整体折减。

常用的几种电算程序可以进行异形截面梁柱的计算与设计，但此处的异形梁柱构件各部分共同承担弯矩、剪力和扭矩作用，不分主次,整体参与计算，无疑结构的刚度会大于预期的异形框架结构计算结果，不利于控制梁柱的相对强弱程度，且结构失效机制不符合异形框架结构的特点。如程序提供的梁柱线刚度系数可以修改，则调整相关参数，以实现预期目的。地下室顶板梁柱节点设计是难点之一，电算程序一般无法反应梁柱节点的具体处理方式，而这将直接影响该处梁柱内力计算及配筋设计。

设计时通过初步计算的层间位移角与规范规定进行比较，简单估算边缘构件的需要量，再均分到可以加设边缘构件的框架上。采用二次配筋法给出结构整体配筋图。在异形框柱配筋设计时，异形框梁的刚度不折减或小幅折减，两次配筋计算结果取较大值设计异形框柱。

4 异形框架结构构造要求

JGJ 149 ―2006 中规定异形柱“各肢最小截面宽度不小于200 mm”，而异形框柱（梁）的边缘构件截面宽度则可根据填充墙或隔墙的宽度确定，固定隔墙下均可以设置，以保证不影响外观及建筑使用功能。

边缘构件的设置原则是可以采用在少数梁柱上加设截面较大的边缘构件，也可以采用在多数梁柱上加设截面较小的边缘构件，具体应根据计算结果及建筑平面隔墙布置进行确定。边缘构件的长度需要根据计算仔细调整，一般为2 倍～5 倍截面宽度，边缘构件过长时会改变边缘构件的受力机制和对梁柱刚度的作用。边缘构件受力钢筋可采用单排布置，钢筋直径不宜过大, 承受剪力的箍筋配筋率可稍大。高规、抗规及异形柱规范等设计规范对框架结构的构造规定适用于异形框架结构。边缘构件的截面要求、配筋设计和梁柱节点设计是异形框架结构设计的重点。

根据计算结果逐层减小边缘构件的截面高度，使得自下而上框柱和框梁刚度均匀变化，强化结构下部刚度，弱化上部刚度。边缘构件的设置尽量上下对齐。边缘壁柱的刚度及配筋可适当大于边缘壁梁，以实现“强柱弱梁”的原则。

边缘壁柱通常从地下室顶板或底部大空间楼层的顶板起设置，直接作用在框架梁上，由于边缘壁柱在此处不连续设置，且地下室顶板处的框梁截面设计为普通矩形梁,因此框梁为不完全转换梁，承担较大的内力作用，宜按转换梁的构造要求进行考虑。地下室顶板处梁柱节点区采取的连接方式，可根据建筑使用要求和计算结果考虑采用加大下部框柱截面、加设牛腿、加设柱帽，或将框梁加强等方式，以承担边缘壁柱的内力传递,如图4 所示。

图4 地下室顶板处梁柱节点形式

一般情况下，上部框梁支座处在强震下发生塑性屈服时，地下室顶板处的梁支座处不屈服，且很多情况下地下室顶板视为上部嵌固端，顶板较厚配筋较大，因此如此考虑是切实可行的。

5 结语

1) 本文提出的异形框架结构体系，可以有效解决纯框架结构位移不满足规范要求，框剪结构中剪力墙数量偏少时位移不满足规范要求，或者结构扭转情况比较严重等问题，丰富了建筑结构体系的类型。

2) 本文提出了异形框架结构延性破坏的顺序，增加了框架结构的抗震防线,即边缘构件（边缘壁梁、边缘壁柱）和框架主梁塑性铰的双重防线，符合抗震概念设计原则。文中主要以异形框架- 框架结构为例对异形框架进行说明，设计思路同样适用于异形框架- 框剪结构、异形框架- 核心筒结构等结构体系。

3) 本文概要提出了异形框架结构概念和设计方法，在具体计算问题如边缘构件刚度折减程度,边缘壁柱与框柱、边缘壁梁与框梁的强弱连接方式，边缘构件长短与内力传递方式之间的关系、地震作用下异形框架结构耗能机理等问题上将进行深入的理论分析和试验研究，在此也期与各位学者共同探讨。目前通用的电算程序尚不能对本文提出的异形框柱和异形框梁进行精确模拟,相信随着人们进一步了解和研究异形框架结构体系，其将会被应用于工程实践，带来可观的经济效益。

刚架结构设计论文篇2

【关键字】钢框架，工业厂房，设计

中图分类号：TU398+.2文献标识码： A 文章编号：

一．多层钢框架工业厂房的设计理念

1、钢框架体系概念

框架体系是指沿纵横方向均由框架作为承重和抵抗水平抗侧力的主要构成所组成的结构体系。框架的梁柱宜采用刚性连接。钢框架结构一般可分为无支撑框架和有支撑框架两种形式。无支撑的纯框架体系，有钢柱和钢梁组成，在地震区框架的纵、横梁与柱一般采用刚性连接，纵横两方向形成空间体系，有一定的整体的空间作用功能，有较强的侧向刚度和延性，承担两个主轴方向的地震作用。

2、纯框架体系的主要特点是：

（1）可以形成较大使用空间，平面布置灵活，适用多种类型适用功能，结构各部分刚度比较均匀，构件易于标准化和定型化，构造简单，易于施工。对于层数不多的房屋而言，框架体系是一种比较经济合理的结构体系。

（2）重力二阶效应影响

钢框架的侧向刚度较柔，在风荷载或水平地震作用下将产生较大的水平位移,由于结构上的竖向荷载P的作用，使结构又进一步增加侧移值且因其结构的各构件产生附加内力。这使框架产生几何非线性的效应，称之为重力二阶效应。

由于重力二阶效应的影响，将降低结构的承载力和结构的整体稳定。

（3）由于框架结构体系中柱与各层梁为刚性连接，改变了悬臂柱的受力状态，从而使柱所承受的弯矩大幅度减小，使结构具有较大延性，自振周期长。自重较轻，对地震作用敏感小，是一种较好的抗震结构形式。但由于地震时侧向位移大，容易引起非结构性构件的破坏。

（4）框架结构体系的抗侧能力主要决定于梁和柱的受弯能力，若房屋层数过多，侧力增大，而要提高抗侧刚度，只有加大梁、柱截面。

三．工程概况

河南洛阳某选厂精矿过滤车间为多层钢结构厂房，总建筑面积为1852.2m2。首层层高4.5m，局部二层层高2.9m，三层层高7.6m，建筑高度17.1m。为满足工艺要求，纵向柱距为6m,9m；横向柱距为6mX5。框架柱与框架梁均为工字型截面，柱与独立基础刚性连接，框架柱与框架梁也是刚性连接。屋面采用薄壁C型钢双拼檩条，墙面采用外挂压型钢板。楼面采用6mm厚花纹钢板以节约造价。

四．钢框架工业厂房建筑设计

1. 维护结构的选用

钢结构厂房主要采用压型钢板围护结构。压型钢板具有自重轻、强度大、刚度较大、抗震性能较好、施工安装方便，易于维护更新，便于商品化、工业化生产的特点。而且压型钢板具有简洁、美观的外观，丰富多彩的色调一级灵活的组合方式，是一种较为理想维护结构用材。

压型钢板按波高分高波板、中波板和地波板三种板型。屋面宜采用波高和波距较大的压型钢板，墙角宜选用波高和波距较小的压型冈本。上述工程中压型钢板维护结构均选在国标01925-1，其中外墙面压型钢板选用YX28-150-750，屋面压型钢板屋面板选用YX130-300-600，屋面底板选用YX15-225-900。

2.屋面排水设计

屋面排水设计主要考虑屋面坡度、天沟形式、单坡屋面长度这些因素。

根据《屋面工程技术规范》的规定，屋面坡度最小为5％。然而在实际的操作中，屋面坡度远远低于这个标准。但是，考虑到很多企业的钢构的技术力量、节点的处理以及材料性能等方面的原因，我们通常会将屋面坡度保持在5%内。对于雨雪比较多的地区，屋面坡度可以适当的加大。如下图所示就是屋面设计示意图。

五．钢框架工业厂房结构设计

1、计算的一般规定

计算时对平面布置较规则的多层框架，其横向框架的计算宜采用平面计算模型，当平面不规则且楼盖为刚性楼盖时，宜采用空间计算模型。多层框架的纵向计算，一般可按柱列法计算，当个柱列纵向刚度差别较大且楼盖为刚性楼盖时，宜采用空间整体计算模型。多层框架在风荷载作用下，顶点的横向水平位移（标准值）不宜大于H/500(H为框架柱总高)，层间相对位移（标准值）不宜大于h/400(h为层高)，对隔墙的多层框架，可不验算其层间位移。

2、荷载

(1）恒载（永久荷载）

A、建筑物自重，按实际情况计算取值，分享系数r取为1.2；

B、楼（屋）盖上工艺设备荷载.包括永久性设备荷载及管线等，应按工艺提供的数据取值，其荷载分项系数r取为1.2；当恒荷载在荷载组合中为有利作用时，其分项系数r取为1.0.

（2）活荷载（可变荷载）

楼层活荷载（包括运输或起重设备荷载），按工艺提供的资料确定，荷载分项系数一般取r=1.4,但当楼面活荷载Q>4KN/M2时，r可取1.3.

3.多层框架的节点构造与计算

（1）梁、柱刚接连接节点

多层框架梁最常用的截面为轧制或焊接的H型钢截面，当为组合楼盖时，因优化截面，降低钢耗、可采用上下翼缘不对称的焊接工字型截面。多层框架柱最常用的截面亦为轧制或焊接的H型钢截面，当荷载及柱高均较大时，亦可采用方管截面，但其用钢量较大且制作亦较困难，当有外观等特别要求时亦矿用圆管截面。

在多层框架中框架与柱的连接节点一般都是刚性连接，这样可以增加框架的抗侧移刚度，减少框架横梁的跨中弯矩。梁与柱的刚性连接可以保证将梁端的弯矩和剪力可以有效地传给柱子，刚接节点的连接（焊接或高强度螺栓连接）应能保证所连接部分内力能可靠的传递，对与母材等强的熔透焊（加引弧板）焊缝可不再验算其强度。

本工程中框架柱与框架梁均为工字型截面，均为刚性连接。

（2）柱脚节点

柱脚的作用是将柱的下端固定于基础，并将柱身所受的内力传给基础。基础一般由钢筋混凝土做成，其强度远比钢材低。为此，需要将柱身的底端放大，以增加其与基础顶面的接触面积，使接触面上的压应力小于或等于基础混凝土的抗压强度设计值。

柱脚按其与基础的连接方式不同，可分为铰接和刚接两种型式。上述工程中柱脚采用刚性柱脚，柱脚通过预埋在基础上的锚栓来固定，在弯矩作用下，刚接柱脚底板中拉力由锚栓来承受，所以锚栓的数量和直接需要通过计算确定。

（3）屋盖支撑

屋盖支撑作用：

1）保证屋盖结构的空间几何不变性和稳定性

2）承受和传递水平荷载

支撑体系可有效地承受和传递风荷载、吊车的制动荷载及地震作用等水平荷载

本工程屋面设有5t电动葫芦，为保证承重结构在安装和使用过程中的整体稳定性，提高结构的空间作用，减少屋架杆件在平面外的计算长度，根据结构的形式、跨度、吊车吨位和所在地区的抗震设防烈度等设置支撑系统，在屋面2-3轴及5-6轴之间设水平支撑。

六．结束语

工业厂房的设计的好坏是由工艺、项目管理所决定的，而衡量一个设计院的水平则是通过对该设计院的综合管线的管理来评定的，因为对于综合管线的管理将会直接影响到设计的顺利进行。各专业协调的能力最直接、最表面的体现就是综合管线的布置。各专业协调的好，综合管线的布置就合理，厂房就会整齐、干净，否则就显得零乱。当然设计人员的素质也是厂房设计好坏的决定因素，因此，应该加强设计人员的素质建设。

参考文献：

[1]崔芃 浅谈钢结构工业厂房设计[期刊论文] 《山西建筑》 -2007年24期

[2]沙昱楠 康乐 对钢结构工业厂房设计及施工问题的探讨 [期刊论文] 《城市建设理论研究（电子版）》 -2012年14期

[3]梁中力 黄文明 齐立军 浅谈钢结构工业厂房设计与安装施工 [期刊论文] 《中小企业管理与科技》 -2010年27期

[4]张海玲 多层钢结构工业厂房设计问题分析 [期刊论文] 《科技致富向导》 -2011年20期

[5]张兴玉 多层钢结构工业厂房设计与实例 [期刊论文] 《科技与生活》 -2010年9期

[6]张波 王霞 吴林璟 钢结构工业厂房设计及施工问题分析 [期刊论文] 《城市建设理论研究（电子版）》 -2012年8期

刚架结构设计论文篇3

关键字：计算模型；抗风柱；施工

前言

轻钢结构因其有轻质高强、施工方便、施工周期短、节约造价等优点已被广泛应用于民用和工业建筑。特别是城市经济开发区内，轻钢厂房结构非常普遍。由于大批量钢结构建筑的建设，使得钢结构设计、施工单位的数量也大幅增长，有的设计单位在没有设计经验的情况下也也参与其中，由此造成了一些钢结构建筑物在使用或施工阶段就发生坍塌或失衡。文章从钢结构的设计和施工角度分析了钢结构建筑中易被忽视的问题。

1.屋面水平支撑计算模型

屋面水平支撑和柱间支撑共同构成了空间几何不变体系，除了传递纵向水平力和承受压力之外，在安装中可以增加刚架的侧向刚度，这对稳定刚架起着关键作用。很多刚架发生失衡大都源于此。在屋面刚性系杆和水平交叉撑一起构成的水平桁架中，交叉紧张的圆钢常用作交叉撑杆，按柔性拉杆设计，而刚性系杆主要承受压力保持桁架的稳定。 当山墙的布置规则、刚架柱距和抗风柱间距相差很小时，一般设计可以依据建筑的跨度、柱间距按照刚度控制条确定刚性系杆。但是由于水平支撑桁架体系是由水平交叉撑和刚性系撑共同组成的，刚性系杆受力不仅受到水平交叉撑布局的影响，同时还受到抗风柱布置的影响，所以，刚性系杆除了长细比满足要求外，还应该根据实际情况考虑其稳定性和强度。

图1 山墙抗风柱布置

图2 屋面水平支撑计算模型

图1a为某实际工程的山墙结构布置，考虑到有较大机械设备出入，该厂房两侧山墙抗风柱仅布置在屋脊处，屋面水平支撑布置见图2。根据山墙的结构布置图，抗风柱承担的风荷载受荷宽度为13.5 m，因此屋面水平支撑体系的正确计算模型应为图2a。如果按图2b选取刚性系杆截面，造成系杆内力相差高达1倍，在台风来临时，刚性系杆内力因超过极限承载力而失稳，屋面支撑系统因此失效，引发连锁反应，厂房顷刻间整体倒塌。

2. 檩条的支撑作用

门式刚架作为超静定结构，梁的弯矩包络图上存在反弯点，所以刚架梁的上下翼有可能均受压。如果梁下翼受到挤压时，隅撑通过檩条连接有弹性侧移的刚架梁下翼缘上，这样梁下翼缘侧弯则会得到有效的阻止，梁下翼缘平面外计算长度应取隅撑间距上；当梁上翼受到压力时，如果檩条不在通长刚性系杆的支点上，所有檩条都可能会随着梁的上翼侧弯，因此，隅撑设置处的檩条不能够作为刚架梁上翼受压的侧向支点。若屋面刚度好且与檩条有可靠连接时，考虑屋面实际存在的蒙皮作用，取2个檩距，在实践中也是可行的。当檩条与刚架梁之间不设隅撑时，刚架梁平面外计算长度可取侧向支撑间距，或根据一般情况下梁端为负弯矩、跨中为正弯矩的弯矩包络图，取平面外计算长度为0.4 L，L为侧向支承点间的距离。因此设计人员在考虑檩条对刚架梁平面外计算长度的影响时，对上下翼缘应当区别对待，做到概念清楚。值得注意的是，对兼作支撑体系中的刚性系杆的檩条，设计人员一般均能按压弯构件对檩条进行设计，檩条在承受屋面均布荷载的同时，还承担由山墙传递来的风荷载；但是当梁下翼缘侧向支撑点间距取隅撑间距时，檩条除承担屋面均布荷载外，还应按式(1)计算梁的侧向力对檩条产生的轴向压力。

(1)

3. 施工因素的影响

轻钢结构体中H型组合截面的高后比和宽厚比一般相对较大，板件也比较单薄，往往在安装的过程中构件实力和设计不尽相同，所以对平面布置不规则、柱距较大或者有高差的门式刚架体系，工程设计人员应该主动积极参与施工组织设计。除了安装顺序符合门规第8.2.5条之外，应根据工程的具体进度进行有效调整，及时安装隅撑、檩条、支撑或临时支撑，确保安装的部分钢结构体系的形成，维持整个钢结构建筑的稳定。当有檩条兼作刚性系杆时，在工程的设计和施工阶段都应该受到特别的关注。在平面刚架安装到位后施工人员应该立即在此处安装檩条。另外，由于螺栓连接对安装有严格的要求，在安装的过程中有些施工单位遇到螺栓安装不上时，没有和设计单位商量，直接将其改为了焊接，造成了计算的计算模型和实际受力不符，给工程安全留下了隐患。

4. 结论

本文从设计和施工的角度，结合工程实例轻钢结构的对影响轻钢结构安全性的几个因素进行分析，以期引起从业人员的重视，促进轻型房屋设计产品质量的提高和施工水平的成熟,避免不必要的经济损失。

参考文献：

[1] 杨立文. 试述钢结构设计施工的技术措施[J]. 黑龙江科技信息, 2010, (23)

[2] 徐伟良,何余良. 多高层钢结构住宅的建筑技术与工程应用[J]建筑技术, 2009,(07)

刚架结构设计论文篇4

关键词：门式刚架 复杂结构 计算模型 变形 节点设计

1.概述

随着经济的快速发展，门式刚架房屋因其加工制做灵活、安装简便、快捷，在我国快速涌现。但由于我国在轻型钢结构研究方面起步较晚，有关的的设计规范《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》也相对滞后。在此之前，只能参考《钢结构设计规范》（GBJ17-88）和《冷弯薄壁型钢结构技术规程》（GBJ18-87）以及国外相关规范进行设计。因此，无论是在设计水平、设计经验和合理性等方面都与西方发达国家存在较大的差距。近年来，国内的学者对门式刚架的设计进行了不少的探索和研究，取得了丰硕的成果，随着《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）颁布实施了，相应的实用设计软件也不断地被开发出来，诸如门式刚架轻型房屋设计系统PFCAD、刚架轻型房屋设计CAD系统PS2000、PKPM及同济大学开发的3D3S等软件均可对门式刚架轻型房屋钢结构进行分析计算。由于设计规范与国外不尽相同，使得我们设计时又不能照搬国外的设计规范，套用国外相关设计软件。因此，探索符合国内的门式刚架截面优化设计计算方法，降低门式刚架房屋钢结构的建造成本就显得尤为重要。

笔者近年的厂房设计实践中大量采用门式刚架结构，；通过这些项目的实践与探索，也积累了一定的经验和认识。本文就门式刚架设计过程中遇到的诸多问题进行一些探讨。

2.现行门刚厂房设计中存在的主要问题和解决方案

2.1结构模型中存在的问题和解决方案

在轻型门式刚架设计中，常把中间柱设计为上下节点均为铰接的摇摆柱形式，此时中柱对横梁仅起中间支座作用，不分担弯矩，计算长度系数为1，截面较刚接大为减小，同时柱与横梁铰接连接构造较刚接连接构造大为简化，也节省了大量钢材。若柱高较高时，为控制风荷载作用下的柱顶位移，柱脚宜作成刚接，中柱与横梁的连接也宜采用刚接。当梁的跨度较大时，宜采用变断面梁，梁端高不宜小于跨度的1/35～1/40，梁的中段截面高度不宜小于全跨度的1/60，自梁端计算的变截面长度一般可取为跨度的1/5～1/6，并且应与檩距相协调。

抗风柱是门式刚架中支撑山墙且抵抗水平风荷载作用的主要构件，抗风柱的上端与刚架梁相连，下端单独设置基础。抗风柱的设计方法和构造措施不但影响到抗风柱本身的受力特点，而且影响到与之相连的刚架和基础的设计和受力。抗风柱与基础的连接形式有刚接和铰接两种方式，铰接时，基础只承受很小的轴力和水平剪力，其设计和构造都非常简单，工程量也少；如果是刚接，柱底传递给基础的轴力和弯矩都要大很多，偏心距也非常大，不利于基础设计；因此抗风柱宜采用铰接柱脚。

2.2对于不规则建筑所带来的问题和处理

建筑尺寸主要包括刚架的跨度、柱距、檐口高度和屋面坡度。对门式刚架房屋钢结构来说，不合理的建筑尺寸往往会导致用钢量的急剧上升和成本的增加。另外由于钢结构构件生产的任意性和轻质屋（墙）面材料施工的灵活性，门式刚架房屋的生产和施工基本可以做到量体裁衣。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）（以下简称“门刚规程”）中建议刚架的柱距宜采用6~9m。竖向荷载（如屋面荷载、吊挂荷载、吊车荷载等）是影响经济柱距的主要因素，荷载大时经济柱距会减小，荷载小时经济柱距将增大。当荷载条件相同时，经济柱距受跨度大小的影响不明显，即各种跨度刚架体系的经济柱距基本相同，但跨度越大时，总用钢量对柱距越敏感，波动范围也加大，采用经济柱距所呈现的良好经济效益就越显著。

门式刚架体系也存在经济跨度，因此不宜盲目追求大跨度。影响经济跨度的主要因素是荷载，荷载越大时，总用钢量对跨度越敏感，越应注意采用合理跨度。这是因为荷载大则柱截面大；门式刚架的经济跨度常规范围在18～30m，吊车吨位较大时经济跨度在24～30m，无吊车或吊车吨位较小时，经济跨度在18～21m的区间。因此，采用合理跨度也可以节省钢材，降低总造价，经济效益亦很可观。

2.3变形问题的解决

由“门刚规程”中表3.4.2-1可查得刚架柱顶位移设计值的限值，对照《钢结构设计规范》（GB50017-2003）附录A可知，门式刚架柱顶允许位移范围大了不少，这是轻钢结构与普通钢结构很大区别之处。但在有吊车厂房中，尤其是有超过20t的大吨位吊车厂房中，在规定柱顶允许变形时，宜考虑柱高影响这个因素。控制其水平位移的绝对值在合理范围内，以保证厂房的正常使用。

2.4节点设计相关问题探讨

门式刚架梁与刚架柱的连接节点，按“门刚规程”可分为端板竖放、端板横放和端板斜放三种方式，而每种形式又可分为端板平齐式及端板外伸式两种方法。为减少端板厚度，应在端板连接螺栓之间设置加劲肋，使端板的支承边界形式为两边或三边支承，从而提高连接节点的强度与刚度。在有吊车的门式刚架中，其构造应符合使用过程中梁柱交角不变的原则，即所谓的刚性连结节点，如果施工条件许可，梁、柱节点最好选用栓―焊刚接连接节点，即翼缘部分采用对接焊缝连结，腹板用高强螺栓连接。

需要特别注意的是：柱子与横梁处虽设想为刚接，但实际上会由于各种因素，导致计算假定可能与实际情况不符，譬如有吊车厂房的阶形上柱与屋面梁的连接，阶形上柱与梁端截面相比较，其截面高度往往较小，尽管采用高强螺栓按刚接计算进行连接节点设计，看似刚接，但由于梁端截面远大于与之相连柱截面高度，二者刚度比相差很大，柱子刚度小，对梁起不了或者说不能很好起到嵌固作用，就无法具有理想刚度，使这个节点近似于固接与铰接之间的状态，柱顶处梁端的嵌固必须以柱子本身足够的刚度来保证。

除刚架梁与刚架柱连接节点外，刚架梁的拼接节点位置多选在弯矩包络图的较小部位，制造和运输单元常取8～12m，实践和专家的研究结果表明，采用外伸式加肋端板的连接方式比较合理。为减少端板设计时螺栓排列的困难，宜优先选用10.9级摩擦型高强螺栓，螺栓的钢号也可选用20MnTiB，或者选用40号钢、35VB钢。

3.结语

门式刚架房屋以其跨度大、重量轻、施工速度快、综合经济指标低和适用范围广等特点，在各类建筑中得到广泛应用，随着应用的广泛，有了一定的经验积累，但是还有许多问题值得讨论，如焊接形式对构件承载性能的影响；这些问题都需要工程技术人员和研究人员来共同努力解决，以上是笔者在设计过程中一些设计经验的总结，希望能得到各位专家的批评和指正。

参考文献：

[1]《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）

[2]《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

[3]汪一骏等编著《钢结构设计手册》

刚架结构设计论文篇5

关键词：抗震性能化设计，格构柱剪切变形，折减系数，性能指标

中图分类号：S611文献标识码： A

1、前言

山东某重型数控压力机制造联合厂房钢结构工程，为重钢结构厂房，最大吊车起重吨位为200t。其中A、B、C轴线为H型钢柱，D、E、F轴线为双圆管钢混结构柱。本工程建筑面积35474.9，主厂房纵向长度264.580米，横向长度132米，共5跨，各跨跨度由南至北依次为24m、24m、27m、27m、30m。 南四跨的最大吊车吨位由南至北依次为10t、32t、50t、75t。北一跨， 1～13轴为100t,13～23轴线间为200t（吊车使用过程中，200t吊车严禁运行到使用范围外）。厂房内景照片见图1。

图1 厂房内实物图

75t门式刚架厂房设计已超过《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的适用范围，设计主刚架、吊车梁及制动桁架时，可通过《钢结构设计规范》来控制刚架柱侧移及吊车梁变形，刚架梁和围护结构变形仍可按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》进行设计[1]。

2、优化思路

2.1 主构件基于性能设计的优化

风荷载标准值作用下,主刚架为“有桥式吊车的单层框架”，柱顶位移按照h/400控制；屋面无吊顶、吊挂等，则屋架挠度按照L/250控制；对于吊车梁 [2]，竖向挠度限值取其跨度的1/1000，水平挠度取其跨度的1/2200。

基于刚架柱抗弯性能较高，刚架柱为双肢钢管混凝土格构柱，而钢管混凝土时经典的钢-砼组合构件，其刚度大、变形能力强，受力性能以及性能如抗火性能等均优于纯钢或钢筋混凝土构件。然而原设计没有使材料承载力得到很好发挥，经优化后，柱的应力控制在0.85以内。

根据钢梁弯矩包络图，将钢梁采用变截面形式，可充分发挥材料力学性能，以及基于腹板的屈曲后拉力场效应，采用薄腹截面焊接H形钢。钢梁的稳定可由檩条-拉条系统作为钢梁平面外的侧向约束，整体稳定可不用考虑，优化后钢梁应力控制0.9以内。

吊车梁吨位较大，其所用的用钢量不少，因此需精心设计，实现经济目标。经优化后主刚架减省用钢量情况见表1所示。

表1 主刚架优化结果

2.2 次构件基于性能设计的优化

围护结构下列指标进行截面优化设计：参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002），檩条挠度≤L/150，墙梁挠度≤L/100，其他受压杆长细比≤180，吊车梁以下柱间支撑长细比≤300，其他受拉杆长细比≤350~400。

2.3、抗震性能化设计

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）条文说明9.2.14规定，当构件的强度和稳定的承载力均满足高承载力――2倍多遇地震作用下的要求时，可采用现行《钢结构设计规范》GB 50017弹性设计阶段的板件宽厚比限值，即C类；C类是指现行《钢结构设计规范》GB 50017按弹性准则设计时腹板不发生局部屈曲的情况，如双轴对称H形截面翼缘需满足，受弯构件腹板需满足，压弯构件腹板应符合《钢结构设计规范》GB50017―2003式(5.4.2)的要求。本工程进行了2倍多遇地震作用验算，各指标满足规范要求，因此板件宽厚比及高厚比要求限值放宽，降低用钢量。

3、格构柱剪切变形影响

格构柱属于压弯构件，多用于厂房框架柱和独立柱，优点在于很好的节约材料；截面一般为型钢或钢板设计成双轴对称或单轴对称的截面。格构柱的突出力学性能优势使得其不仅作为承压构件还作为主要抗侧移构件被广泛应用于工程中[3]。本工程优化设计对于设有格构柱的厂房，目前设计手册建议对于格构柱的建模采用对惯性矩乘以0.9来考虑剪切变形的影响，具体格构柱的剪切变形影响有多大，已有少量报道论述过这个问题。童根树从稳定的角度研究格构柱的剪切变形影响，详见《格构柱的剪切变形对超重型厂房框架稳定性的影响分析》[4]，提出了格构柱惯性矩的折减系数公式，

（1）

陈绍蕃在对上述论文进行了讨论，提出了自己的折减系数公式[5]，。本文从强度的角度对格构柱剪切变形影响进行分析。

3.1、理论分析

对于轴心受压构格柱，当格构柱处于临界的微弯状态时，柱子的横截面将产生剪力；对于压弯格构柱，由弯矩产生剪力。横截面上的剪力将引起格构柱分肢之间的剪切变形，从而降低构件的承载力。因此，格构柱分肢之间的缀材用来抵抗这种横向变形，而缀条或缀板的截面尺寸主要按横向剪力来设计的[6]。

格构柱节间单元的抗侧刚度计算[7]，计算简图见图2所示，在单位荷载下节间单元的变形为，

图2 节间抗侧刚度计算简图

，则抗剪刚度为，抗推刚度为；格构柱抗弯刚度，其中分肢截面面积都为，分肢形心间距，斜缀条截面面积，缀条间距，缀条与分肢夹角，钢材弹性模量，格构柱高度，绕虚轴长细比为（计算长度系数取1.0，为回转半径），缀条长度，缀条轴向力，分肢绕自身形心轴惯性矩为。下面按悬臂格构柱的不同荷载状态下计算剪切变形对强度的影响。

1）柱顶集中荷载情况

柱顶作用集中荷载，则变形为，若按三维建模格构柱，则可真实计算变形；若按单杆建模，则计算变形时需考虑等效抗弯刚度，变形为，使

，则，得到

，即格构柱惯性矩折减系数为 （2）

2）柱身均布荷载情况

柱身作用均布荷载，则变形[8]为，若按三维建模格构柱，则可真实计算变形；若按单杆建模，则计算变形时需考虑等效抗弯刚度，变形为，使，则，得到

，即格构柱惯性矩折减系数为（3）

3.2、算例验证

现对集中荷载作用下悬臂格构柱进行三维建模计算，与简化计算进行比较，分析折减系数情况与本文公式（2）的折减系数进行对比分析，某格构柱，分肢截面面积都为，分肢形心间距，缀条间距，缀条与分肢夹角，钢材弹性模量，格构柱高度，绕虚轴长细比为，分肢绕自身形心轴惯性矩为。经计算得到下列表格2所示。

缀条面积 SAP2000三维计算顶点位移 不考虑剪切变形顶点位移 软件计算得折减系数 本文公式（2）

表2 集中荷载作用格构柱在变化缀条面积条件下折减系数对比情况

现对悬臂格构柱受均布荷载作用下进行三维建模计算，与简化计算进行比较，得到折减系数与本文公式（3）、童根树提出的公式（1）的折减系数进行对比分析，经计算得到下列图3所示。

图3 均布荷载作用格构柱在变化缀条面积条件下折减系数对比情况

由表2、图3可知，本文提出的折减系数更加接近三维模型计算值。

3.3 考虑剪切变形对结构侧移的影响

图4 计算简图

结构按二维平面模型计算，计算简图见图4所示，风荷载作用下顶层相对侧移为1/941，若考虑其中三根格构柱的剪切变形，结果将发生变化。在风荷载作用下，前三根钢柱为实腹式柱，无需折减，第4、5根格构柱惯性矩折减系数按式（2）计算（因柱身没有受风荷载，通过顶点集中传力），第6根根构柱惯性矩折减系数按式（3）计算（因风荷载沿柱身分布），求得系数分别为0.656，0.701，0.71，由软件三维建模计算得顶点相对侧移为1/683，即格构柱剪切变形对整榀刚架侧移影响折减系数为683/941=0.726，可见格构柱的剪切变形不可忽略，本工程在考虑剪切变形影响下相对侧移仍满足规范（1/400）要求。

4、小结

1）本文从性能指标和构件受力特性对重钢厂房构件截面进行优化设计，降低了用钢量。

2）本文从强度的角度分析格构柱剪切变形的影响，与童根树教授得出的折减系数稍有区别，原因是分析角度不同。通过对悬臂格构柱在不同荷载状态下的分析，得知不同荷载状态下折减系数公式不同，即折减系数随荷载状态而变化，且稳定分析与强度分析的折减系数又不同。

3）本文折减系数公式（2）、（3）看起来与童根树老师从稳定性得出的式（1）不同，确实不同，因为本文从强度条件出发，式（2）、（3）中的长细比，即相当于计算长度系数取1.0，而式（1）中计算长度系数由梁、柱线刚度比值确定，对于悬臂柱取2.0。由此可见，稳定计算与强度计算格构柱的惯性矩折减系数是不同的，但作者认为，构件抗弯刚度与自身构造有关，不应该与考虑钢梁、钢柱线刚度比得到的计算长度系数有关，因此推荐采用强度推导得到的折减系数。

4）本工程刚架在风荷载作用下考虑格构柱剪切变形的侧移计算，得知格构柱的剪切变形不容忽视，值得工程设计重视。

参考文献

[1]GB50017-2003，钢结构设计规范[S]，北京：中国计划出版社，2003。

[2]CECS102:2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]，北京：中国计划出版社，2003。

[3]施刚，范浩等，某重型门式钢架钢结构厂房的优化设计[J]，工业建筑2010增刊，1200-1205。

[4]童根树，王素俭等，格构柱的剪切变形对超重型厂房框架稳定性的影响分析[J]，建筑钢结构进展，2008.10，10（5）：1-4。

[5]陈绍蕃，《格构柱的剪切变形对超重型厂房框架稳定性的影响分析》一文的讨论[J]，建筑钢结构进展。

[6]张宇力，对《钢结构》教材中格构柱问题之商榷[J]，华南建设学院西院学报，1997.6，5（1）：76-78。

[7]沈祖炎，陈杨骥等，钢结构基本原理（第二版）[M]，北京：中国建筑工业出版社，2006.2。

刚架结构设计论文篇6

【关键词】钢结构 厂房 设计

中图分类号： TU391 文献标识码： A

前言

轻钢厂房在不降低结构安全性的前提下，如何设计得更合理、更经济，是钢结构设计师，也是建设单位最关注的问题，因为它直接关系到工程的造价和施工单位的中标与否。据有关统计分析，在前期规划阶段，影响工程造价的可能性为75％～95％；在初步设计阶段，影响工程造价的可能性为35％～75％；在施工图设计阶段，影响工程造价的可能性为5％～35％。因此，设计质量的好坏、设计方案是否最优化，对工程造价将会产生直接影响。如果能在前期决策阶段和设计阶段就事先主动参与，进行优化设计，特别是设计阶段的主体结构方案优化，则可能会产生较大的经济效益，从而使工程项目既安全可靠，又经济实用，当然这需要工程各方特别是建设单位的大力支持和设计施工各方的协助、配合。

一、轻钢结构的特点及适用范围

1、结构特点

轻钢结构与普通( 传统) 钢结构相比, 除具有普通钢结构的自重较轻、材质均匀、应力计算准确可靠、加工制造简单、工业化程度高、运输安装方便外, 还有以下特点:

( 1) 用钢更省, 主框架钢材可省40% ~ 50%。

( 2) 轻钢结构的设计制作和安装已形成工业产品化、系列化、标准化的运行模式, 效率更高, 质量也更有保证。

( 3) 设计程序化, 生产联网自动化。现在有许多比较成熟的轻钢结构设计程序, 如同济大学研制出的3D3S 程序、中冶集团建筑研究总院开发的PS2000及阿依艾公司的SSDD 等。

2、适用范围

轻钢门式刚架通常用于跨度9~ 36 m, 柱距6 m( 7. 5 m 或9 m) , 柱高4. 5~ 12 m、设有吊车起重量较小的单层工业厂房或公共建筑( 超市、娱乐体育设施、车站候车室、码头建筑)

二、轻钢结构厂房优化设计要点

1、合理选择柱网尺寸

在门式刚架的设计中, 从综合经济分析的角度, 合理的柱网布置对整个结构的优化设计至关重要。门式刚架房屋由多榀刚架组成, 形式通常为“门”字形, 端部设抗风柱, 各榀刚架间通过支撑和系杆连成整体。这种结构竖向荷载由刚架梁传至刚架柱, 横向作用由各榀刚架承担, 纵向作用则由柱间支撑承担。刚架的跨度和柱间距是影响结构用钢量的主要因素, 另外, 结构高度、材料强度、荷载大小、有无吊车、单跨多跨等都对结构用钢量变化有明显的综合影响。根据设计经验, 在确定柱网尺寸时可综合考虑下列因素影响:

（1) 不论是否设有吊车, 门式刚架的跨度宜为12. 0 m ~36. 0 m, 较经济的跨度建议在18. 0 m~ 24. 0 m 范围内采用, 其合理的最大跨度不宜大于36. 0 m。

（2) 不论是否有吊车, 门式刚架的合理柱距宜为6. 0 m ~9. 0 m, 建议采用7. 5 m 左右的较大柱距, 对无吊车刚架采用较大柱距经济性更为明显。

（3) 门式刚架的跨度及荷载较大, 或设有吊车时, 建议刚架及吊车梁宜采用强度较高的Q345 钢。

（4) 门式刚架结构的柱距直接影响次结构构件( 包括吊车梁)的经济性, 次结构构件的用钢量有时可达总钢量的50 %, 并起到重要的调节平衡作用, 故应当重视而且合理做好次结构构件的设计工作。

（5) 屋盖荷载增加( 跨度敏感) 或柱高增加( 风荷载敏感) 均会引起用钢量较明显的增加, 设计时应注意正确的计算荷载取值。

2、节点设计

单层刚架厂房, 柱子与基础连接处往往设计成铰接, 柱子与横梁处为刚接, 但由于种种原因, 计算假定可能与实际情况不符, 譬如吊车厂房的上柱与屋面梁的连接, 或多层刚架厂房上柱与屋面梁的连接处, 与梁端截面相比较, 上柱截面高度往往较小, 柱顶节点往往如图1 形式。尽管采用高强螺栓按固接计算进行连接节点设计, 看似固接, 但由于梁端截面远远大于柱顶截面高, 二者刚度比相差很大, 柱子刚度小, 对梁起不了或不能很好产生嵌固作用, 就形不成理想刚性, 使这个节点近似于固接与铰接之间的状态, 产生的结果将是梁的挠度增大, 跨中实际弯矩值增加, 对正常使用状态与承载能力极限状态均是不利的, 严重时甚至影响刚架的几何不可变性。看似是节点处理问题, 实质是对刚架整体受力状态的把握有偏差。柱顶处梁端的嵌固必须以柱子本身刚度来保证。譬如, 图1 节点梁、柱和翼缘的厚、宽均相同。腹板等厚, 梁截面高600 mm, 柱截面高400 mm, 其刚度比为31375B1, 刚度小几倍的柱顶肯定无法对刚度大的梁端形成有效嵌固。

图1 不同刚度梁柱端部示意

3、作用效应计算

变截面门式刚架应采用弹性分析方法确定各种内力。等截面门式刚架允许采用塑性分析方法, 并按现行国家标准的规定进行设计。轻钢结构允许采用塑性设计, 但仅适用于不直接承受动力荷载的固定梁、连续梁以及由实腹构件组成的单层和二层框架结构。采用塑性设计的结构或构件, 按承载能力极限状态设计时, 应采用荷载设计值,考虑构件截面内塑性的发展及由此引起的内力重分布, 用简单的塑性铰理论进行内力分析。按塑性设计时, 钢材和连接的强度设计值应按规程的有关条款规定的数值乘以折减系数0. 9。塑性设计截面板件的宽厚比也应符合有关规定。

4、采用变截面构件或塑性设计

在门式刚架这种结构形式中, 刚架梁的内力以弯矩为主, 刚架柱虽然是压弯构件, 通常也是弯矩的效应大于压力。在竖向荷载作用下, 刚架各截面弯矩图并不相等。为了充分发挥各截面的作用, 在弯矩大的地方采用较大的截面, 弯矩小的地方采用较小的截面是一个减小用钢量十分有效的办法。根据荷载与支座情况, 钢梁可选择变截面焊接H 型钢, 其截面高度通常在跨度的1/ 20~ 1/ 50 之间选择。柱截面按长细比并考虑与梁的连接等构造问题选择。长细比通常取50

5、应力蒙皮效应

压型钢板在作为轻钢结构体系围护结构的同时,还可以承受围护结构平面内的载荷, 即具有平面内的抗剪能力, 称为应力蒙皮效应。压型钢板能够参与整体结构体系的共同工作, 增强结构的整体刚度, 减少结构的侧移, 为与它相连的构件( 如梁柱、檩条等) 提供有效的侧向约束作用, 从而可以减少或取消一部分支撑构件, 甚至还能够减小构件的截面面积。可见,考虑压型钢板的应力蒙皮效应有着明显的经济意义。

6、隅撑的设置

在轻钢厂房设计中, 通常通过设置隅撑来减小钢梁的平面外计算长度, 保证钢梁的整体稳定; 减小檩条的支承长度和内力。在施工中, 通过设置隅撑, 确保钢梁的施工安装精度。而在实际设计中, 主要考虑把隅撑作为钢梁平面外的支点。从理论上讲,隅撑只要设置在钢梁的受压翼缘处就可以确保钢梁的整体稳定。一些手册和文献上都建议将隅撑布置在钢梁的跨中或屋脊的弯折处。根据以往的经验, 为了减小钢梁的平面外计算长度, 一般每隔一根檩条设置一道隅撑。隅撑间隔约为3 m。在进行隅撑设计时应当注意以下三点:

（1) 钢梁截面较大时( 钢梁跨度较大或钢梁上荷载较大) , 应按规程要求验算隅撑的强度。

（2) 与隅撑相连的檩条厚度不宜太薄, 不宜小于2. 0 mm, 以保证隅撑对钢梁的支承效果。必要时应验算檩条与隅撑相连处檩条的局部承压能力。

（3) 关于设有隅撑的钢梁或钢柱的平面外计算长度是否可以按隅撑的间距的问题尚存争议。在没有经验的情况下, 可适当放大, 建议取隅撑间距的1. 1 倍~ 1. 2 倍。

7、围护及其他构造的优化

围护系统是指彩钢板、保温层、天沟等。彩钢板由于板型、基板厚度、镀（铝）锌层厚度、厂家的不同，价格会有较大的差别；保温层有超细玻璃丝棉、岩棉等之分；天沟材料分为不锈钢、彩板、钢板。以上围护材料选择的差异，都会影响厂房的总造价。在不改变原建筑风格的前提下，采用市场常用的围护材料，也节省了一部分投资，避免了一些不必要的浪费

结论

在轻钢厂房结构设计中, 要明确判别轻钢厂房的适用范围, 在计算过程中选用正确的规范及相应的参数; 其次, 从摇摆柱、隅撑的布置方面, 解决上述文章所提出应注意的问题; 同时合理设置支撑, 保证结构的整体性。这样才能使设计出的轻钢厂房达到安全、经济、合理的水平。

【参考文献】

[ 1] 裴红梅. 谈轻型钢结构的应用[ J] . 山西建筑, 2004( 18) : 61􀀁62.

刚架结构设计论文篇7

关键词：空间网架 边界条件 整体模型

1 引言

工业制造工艺的迅猛发展，对工业厂房的结构性能提出了更高的要求，随着柱距的增大，工艺吊载的不断增加和复杂化，传统的门式刚架结构已无法完全满足刚度和强度的要求。与之相比较，网架结构因其具有受跨度限制小、荷载布置自由等特点，很好的契合了这些需求，在工业厂房中应用越来越广泛。相对于门式刚架结构，网架结构属于空间结构体系，自重轻、整体性好、空间刚度大是其主要特点。由于其结构布置灵活，能适用于各种形状的建筑物及大跨度、大柱距的屋盖结构。通过网架受力分析，优化杆件截面的选取，达到了充分发挥材料性能，提高经济效益的目的，网架结构同时还兼具建设周期短等优点。

2 工程背景

上海大众某汽车厂房为上部网架-下部钢框架结构，建筑平面呈“L”型，结构总长度131.55m，宽度119.5m，如图2.1所示。下部钢框架为两层，一层层高10.4m，柱距为12m×12m。二层层高8.3m，由于工艺设备要求，柱距增大为24m×24m。钢框架柱截面尺寸为900m×900m。屋面采用网架结构，网格尺寸为4m×4m。网架最小结构高度3m，网架支座采用板式橡胶支座。楼面活荷载1.5t/m2，屋面工艺吊载为250kg/m2，局部悬挂公用设备平台500kg/m2。

3 网架计算模型

工程中多数是将网架和下部支承结构分开来计算，本文选用设计中常用的3种边界条件处理方法来建立网架有限元模型，如图3.1所示，分析比较各水平荷载工况下网架结构的内力差异。

模型一：边界切向固定，法向自由，即简支模型。网架边界模拟时将边柱位置切向固定，法向自由；角柱位置切向、法向均固定；中柱位置切向、法向均自由，各柱竖向均固定。采用该种边界处理方法的原因在于，对于较大跨度空间网架来说，边界切向柱间距要比法向密，切向刚度将远大于法向刚度，故设计中会采用此种简化的边界模型方法。

模型二：边界切向、法向均固定，即固定铰接模型。网架边界模拟时将各框架柱处切向、法向、竖向均固定，如图3.1。采用该种边界处理方法的原因在于，对于中小规模或者平面异形空间网架来说，切向与法向柱间距差别不是特别大（本文的工程案例为2倍），切向刚度尚未达到远大于法向刚度的地步，故设计时采用此种边界模拟方法。

模型三：边界各向弹性模型。网架边界模拟时将各框架柱处切向、法向均输入等效弹簧刚度系数，竖向固定，如图3.2。该种边界处理方法比较接近实际结构，但等效弹簧刚度系数的正确选取是一个关键因素。

由于该网架设计中采用了板式橡胶支座，因此柱顶水平等效弹簧刚度需考虑支座和框架柱的组合刚度。

橡胶支座的抗剪刚度可按下式计算[1]：

对于多层框架结构，框架柱柱顶的水平刚度目前尚无具体公式可用于直接计算。本文采用的方法是在建立下部钢框架模型（图3.2）后，在框架柱顶两个方向各自施加水平单位力F，计算对应方向柱顶位移d，则F/d即该框架柱在对应方向的抗侧刚度Kz。

求得橡胶支座和框架柱柱顶刚度后，两者的组合刚度即柱顶水平等效弹簧刚度可按下式计算[2]：

为了与不同边界条件的网架独立模型进行比较，本文利用SAP2000有限元计算软件建立了上部网架-下部钢框架的整体模型，如图3.3。上部网架采用Frame单元，对杆端弯矩进行释放以模拟杆件受力，共计7955根杆件。板式橡胶支座采用Link单元模拟，并输入各方向的支座剪切刚度，共计58个支座。下部钢框架采用Frame单元模拟，楼板采用shell单元模拟，框架柱与基础固结。

作为整体模型，更加接近结构的实际受力状况，在以下各模型的分析比较中，将作为基准模型。

4计算结果比较

本文讨论不同边界条件对网架结构的影响，各个模型的竖向均为刚性固定，区别在于水平方向的约束方式，故本文着重关注水平荷载工况（风荷载）和温度作用下结构的内力。

图4.2、图4.3为温度作用下（升温30℃）支座水平向和竖向反力。计算结果表明，弹性模型与整体模型的计算结果比较接近，但固定铰接和简支模型的计算结果与整体模型偏离较大，个别节点甚至出现了大几十倍的情况。

选取网架上、下弦杆和腹杆各2根，比较其在风荷载和温度作用下杆件轴力，如图4.4、图4.5所示。

计算结果表明，在风荷载作用下，各边界条件的网架模型与整体模型基本吻合。但在温度作用下，依旧是弹性模型与整体模型吻合较好，简支模型有所偏离，但结果尚可，固定铰接模型则与整体模型偏离较大。

5 结论

① 实际情况中网架与支承结构的传力关系复杂，边界受力难以采用传统铰接假定来处理，其力学模式应与施工图设计的支座构造保持一致。

② 分离式设计时，网架边界条件的选取需结合实际情况，计算结果表明弹性边界模型更接近整体模型。简单的采用固定铰接或简支将对杆件受力影响较大，设计时造成不必要地浪费或者存在安全隐患。

③ 对于网架下部为多层框架结构的情况，宜利用实际框架模型，计算框架柱柱顶等效弹簧刚度系数，并考虑支座型式对最终刚度的影响。

参考文献

[1]JGJ7-2010 空间网格结构技术规程[S].

刚架结构设计论文篇8

关键字：钢结构；交错桁架；楼板；有限元

1、概述

钢结构交错桁架体系是一种比较典型的复杂结构，目前，对钢结构交错桁架进行整体分析时，要将楼板假定做是刚性楼板，然后进行计算和分析。将楼板假定为刚性楼板是一种近似的处理方式，它和柔性楼板是有区别的。对于混凝土建筑空间结构分析，采用刚性楼板的假定就能够满足结构计算结果的精度要求，但是对于钢结构交错桁架来说，其楼板的传力相对于一般建筑结构来说比较特殊，采用刚性楼板的假定时不能保证结构受力会正确反映楼板承受剪力的特点，进而影响整个交错桁架体系受力分析的精确性。中国工程建设协会推荐制定的《交错桁架体系技术规范》中推荐的行业标准是利用三维的空间分析方法对交错桁架结构进行整体计算和分析。

目前，常用的用于交错桁架结构体系建模计算的有限元软件有SAP2000、ETABS、ANSYS等，本文结合我国现行的规范《建筑结构荷载规范》、《钢结构设计规范》、《民用高层钢结构技术规程》，对某钢结构交错桁架结构进行受力分析，与ETABS、PKPM、SAP2000等软件的计算结果进行比较，分析在钢结构交错桁架结构体系进行计算分析时，采用刚性楼板的假定能否满足结构精度的要求，得出在应用结构分析软件进行钢结构交错桁架结构体系计算时，楼板使用哪种单元模拟更好。

2、工程计算概况

有钢结构交错桁架结构体系层高是2.7米，21层，纵向的钢柱间距是6米，纵向共有12榀桁架，进深为15米，结构的平面图见下图1。

荷载取值如下：楼面的活荷载值是2kN/m2，附加的楼面恒载值是1.0kN/m2，屋面的活荷载值是1.5kN/m2，基本风压值取为0.35kN/m2，场地的抗震设防烈度是6度，地震设计基本加速度值是0.05g，地面粗糙度是B类。设计地震分组是第一组，场地类别是C类。结构为不落地桁架的构造形式的交错桁架体系，在第一层及顶层没有桁架的地方分别设置有支撑和吊杆，这样可以增加楼板和屋面板的刚度和稳定性。

由各个软件在柔性楼板和刚性楼板下的计算结果可知，交错桁架结构空腹节间弦杆处的剪力都较小，差别很小，软件计算的柱子轴力和手算的结果比较接近。就整个结构而言，柱子以承受竖向轴力为主，剪力主要是依靠交错桁架的斜腹杆来传递和承担，由此，按照力学的平衡原理可以推出桁架结构其他杆的内力相差不大，即钢结构交错桁架结构体系在侧向荷载作用下，假定楼板为刚性时能够反映结构的受力特征，满足结构整体的精度要求。

对于ETABS、PKPM、SAP2000的计算结果，通过对比纵向框架梁的剪力可以看出，ETABS和SAP2000计算得到的纵向框架梁面内剪力有跳跃，说明纵向框架梁上有集中荷载的作用，这说明荷载是按照有限元的方式传递的；PKPM的计算结果中纵向框架梁剪力图是平直的直线，这是把理论计算的结果直接平均到了框架梁上。可见ETABS和SAP2000的传力方式更加贴近实际、合理。

5、结论

通过对比和分析以上不同软件、不同计算假定对钢结构交错桁架结构体系的计算结果，可以看出，对钢结构交错桁架结构体系来说，在计算分析时，假定楼板为刚性楼板是合理的，有限元计算分析时基于空间协调的刚性楼板的假定是满足计算精度要求的。对于ETABS、PKPM和SAP2000三个计算软件来说，就钢结构交错桁架结构体系的计算分析而言，ETABS和SAP2000的计算结果精度高于PKPM的计算结果。

参考文献

[1] 赵宝成，顾强等.交错桁架结构楼板受力性能的实验研究[J].武汉理工大学学报， 2009年第13期

[2] 北京金土木软件技术有限公司.ETABS中文版使用指南.中国建筑工业出版社， 2005-05

[3] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S]

[4] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S]

[5] JGJ 99，民用高层钢结构技术规程[S]