多高層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

文/姜桂平 中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇南京 210031

多高層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

文/姜桂平 中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇南京 210031

鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)在已經(jīng)成為建筑工程應(yīng)用最為廣泛的建設(shè)方式，多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑工程無(wú)論是在施工速度、工業(yè)程度還是建設(shè)效果上均具有更大的優(yōu)勢(shì)。在對(duì)多高層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí)，需要詳細(xì)了解其具有的特點(diǎn)，并結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其應(yīng)用方式進(jìn)行分析，做好各項(xiàng)影響因素的控制，不斷提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，本文就此方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。

多高層鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；框架結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)住宅體系現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到建筑工程建設(shè)中，并且因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)材質(zhì)特點(diǎn)，工程建設(shè)后具有更高的抗震性能，與其他結(jié)構(gòu)類型相比，具有更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。想要進(jìn)一步提高多高層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，就需要從工程建設(shè)需求出發(fā)，以框架體系為主要研究目標(biāo)，確定其研究設(shè)計(jì)要點(diǎn)，做好各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，遵循專業(yè)設(shè)計(jì)原則，確保每個(gè)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的專業(yè)性與合理性，爭(zhēng)取在整體上不斷提高工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。

一、多高層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系分析

框架結(jié)構(gòu)體系，鋼梁與鋼柱連接方式可以根據(jù)實(shí)際需求，采用剛接、半剛接以及鉸接等方式。其中，如果框架結(jié)構(gòu)在縱橫方向均采用剛接的方式處理，并且不存在其他形式抗側(cè)力體系時(shí)，則此種設(shè)計(jì)方式為純框架結(jié)構(gòu)，工程所需承載能力與抗側(cè)能力，均由剛接框架提供，一般適用于柱距較大并且無(wú)法設(shè)置支承的情況[1]。就多高層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用效果來(lái)看，在設(shè)計(jì)上靈活性更高，不需要設(shè)置承重結(jié)構(gòu)，這樣可以更大程度上解放室內(nèi)空間，空間使用靈活性提高，同時(shí)也使得建筑立面設(shè)計(jì)更為自由。另外，此種結(jié)構(gòu)形式施工時(shí)難度低，施工后具有良好的延性，自振周期長(zhǎng)，可以提高工程結(jié)構(gòu)抗震性能。但是在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意，框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小，會(huì)存在較大的側(cè)向位移，很容易造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)的破壞。因此要重點(diǎn)分析梁柱截面尺寸與連接節(jié)點(diǎn)剛度，提高對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的控制效果。

二、多高層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則分析

對(duì)于多高層鋼結(jié)構(gòu)框架體系進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，梁柱剛性連接應(yīng)具有一定強(qiáng)度，應(yīng)能承受交匯處構(gòu)件端部所傳遞的所有最不利內(nèi)力。一般可以選擇用彈性分析法對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，即將未變形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖作為分析對(duì)象，忽略荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布情況進(jìn)行分析。高層建筑鋼框架結(jié)構(gòu)受側(cè)力影響很容易發(fā)生位移，因此在內(nèi)力分析時(shí)要做好對(duì)p-△效應(yīng)的研究。其中，工程鋼框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中給出需要考慮的二階效應(yīng)判定條件為：

其中，ΣN表示各柱壓力和；ΣH表示產(chǎn)生層間側(cè)移△μ的計(jì)算樓層及其以上各層水平力匯總；△μ表示按一階彈性分析所求設(shè)計(jì)樓層層間側(cè)位移；h表示設(shè)計(jì)樓層高度。

采用二階延性分析更貼近工程建設(shè)實(shí)際需求，但比一階彈性分析需要更大的計(jì)算工作量。因此，也可以利用無(wú)支撐純框架結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行二階彈性分析各桿件端彎矩近似計(jì)算公式：

其中，MΠ表示計(jì)算二階效應(yīng)的桿端彎矩；MIb則表示如框架不存在側(cè)移，按一階彈性分析求得的各桿件端彎矩；α2i還考慮二階效應(yīng)時(shí)第i層桿件側(cè)移彎矩的增大系數(shù)；MIs表示框架各節(jié)點(diǎn)側(cè)移時(shí)按一階彈性分析求得的桿件端彎矩[2]。

公式（1）證明如果派生力矩在原始傾覆力矩1/10以下時(shí)，則變形對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布會(huì)具有影響，此時(shí)△μ容許值為h/400。

三、多高層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

1.荷載效應(yīng)計(jì)算

多高層鋼結(jié)構(gòu)中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以選擇用一階彈性分析，其中，當(dāng)（1）式成立時(shí)，說(shuō)明對(duì)構(gòu)件長(zhǎng)度計(jì)算相對(duì)保守，就應(yīng)選擇用二階彈性分析方法。并且，在分析時(shí)應(yīng)對(duì)每層柱子柱頂施加虛擬水平力，并考慮幾何缺陷對(duì)整體P-△效應(yīng)的影響。其中，對(duì)于無(wú)支撐純框架結(jié)構(gòu)，各桿件桿端彎矩M可以利用公式計(jì)算。這時(shí)對(duì)于柱子長(zhǎng)度的計(jì)算，可以按照層高h(yuǎn)來(lái)計(jì)算柱子構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比。

2.柱子長(zhǎng)度計(jì)算

對(duì)于有支撐框架結(jié)構(gòu)在對(duì)柱子長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以按照支撐剛度強(qiáng)弱分為強(qiáng)支撐框架與弱支撐框架兩種。當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度時(shí)，此結(jié)構(gòu)體系為強(qiáng)支撐框架，則柱子長(zhǎng)度計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)u既可以按照無(wú)側(cè)移框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)確定；反之，則此結(jié)構(gòu)體系為弱支撐框架，框架柱軸壓桿件穩(wěn)定系數(shù)則為[3]。

3.梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 抗彎強(qiáng)度

在計(jì)算梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，主要包括梁結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、局部承壓強(qiáng)度以及復(fù)雜應(yīng)力作用下折算強(qiáng)度計(jì)算等。其中，抗彎強(qiáng)度計(jì)算，即在彎矩Mx與彎矩My共同作用下，梁結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式為：

其中，Mx與My表示同一截面處繞x軸與y軸彎矩；rx與ry表示界面塑性發(fā)展系數(shù)。Wnx與Wny表示對(duì)x軸與y軸凈截面模量；f表示抗彎強(qiáng)度計(jì)算值。

3.2 抗剪強(qiáng)度框架結(jié)構(gòu)中梁需要同時(shí)承受彎矩與剪力，其中H形截面上最大剪應(yīng)力發(fā)生在腹板中和軸位置。因此在計(jì)算主平面受彎梁抗剪強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)選擇公式：

其中，V表示沿腹板平面作用剪力；S表示中和軸以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩；I表示毛面積對(duì)中和軸慣性矩；tW表示H形界面腹板厚度；fV表示抗剪強(qiáng)度計(jì)算值。

結(jié)束語(yǔ)：

對(duì)多高層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要全面了解工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，做好其影響因素的分析，從不同角度共同進(jìn)行研究，做好各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算，提高結(jié)構(gòu)受力性能、抗震性能，不斷提高工程結(jié)構(gòu)安全性。

[1]辛炯明.多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅抗震性能研究[D].北京交通大學(xué),2009.

[2]文俊巍.多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系分析研究[D].昆明理工大學(xué),2008.

[3]陳銀.多高層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)與研究應(yīng)用[D].河北工程大學(xué),2013.