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多层钢结构设计探讨

泮威风

宁波大学建筑设计研究院 浙江 宁波 315021

摘要：根据钢结构设计的相关规范和PKPM-STS使用书并结合工程实际经验，总结多层钢结构设计的要点和一些须注意的问题。

关键词：选材 结构布置 结构计算 参数选取及控制 节点设计

一、 前言

建筑钢结构是近年来在我国发展很快的一个结构体系，改革开放以来钢结构大量进入工业和民用建筑领域，使得钢结构建筑在技术上更加成熟，在质量上更加稳定。多层钢结构建筑具有自重轻，强度高，性能稳定，基础造价低，安装简便，工厂化程度高，施工周期短，污染少和抗震性能好等优点，越来越多的被应用于工业厂房，住宅和办公楼中，但其设计和构造较门式刚架相对复杂。以下结合本人在设计工作中的经验，探讨多层钢结构的设计。

二、 钢材选材

为保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材料。

多层钢结构承重构件宜采用Q235B和Q345钢，其采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。对于焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。

三、 结构体系和结构布置

多层钢结构房屋一般指高度不大于24米的工业和民用建筑。其结构形式包括纯框架（图一a），框架-支撑（图一b），框架-钢筋混凝土剪力墙（图一c）三种基本结构体系，其中被应用最多的是框架-支撑结构，应其施工简单，经济性较好。通过计算比较得，纯框架的经济性最差,框架一剪力墙经济性最好。框架一钢筋混凝土剪力墙体系应用于八层以下多层建筑时，因其结构整体刚度大、自振周期较短，易吸收地震力，高烈度地震区钢与混凝土连接节点设计及施工都有一定难度。

图一

结构布置是结构设计中比较难的部分，多层钢结构房屋框架布置除考虑结构设计原则外尚应考虑建筑物内房间的划分、建筑物的平、立面设计等使用功能要求，并与建筑布置综合考虑确定。合理的柱距柱网，使结构成为布置有序，承载可靠的工作体系。并与电（楼）体间等有特殊功能的隔间相配合，使建筑物内的结构件、隔墙、楼盖等均可形成有规则的标准尺寸。柱网的最优间距要注意到建筑的耗钢量，一般建筑物愈低，其柱网尺寸宜偏小。立面布置时应使柱能沿建筑物全高通过而不致中途切断，即避免出现悬空柱和高度不一致的错层。

四、 柱、支撑及梁的选取

钢柱截面型式如图二所示：分别为H型钢（热轧或焊接）柱、箱形柱、十字形柱和圆管柱等。根据钢梁与钢柱的约束情况初选时应考虑既省材又有利于节点连接的柱截面型式。同时应能满足柱子的长细比要求和组成板件的宽厚比的要求（即局部稳定要求）。

 

图二

多层钢结构的梁一般采用H型梁，框架梁高度一般为L/20，初选时应能满足组成板件的宽厚比的要求（即局部稳定要求）。

支撑的截面宜选用抗压、抗拉承载性能良好的型钢截面，如宽翼缘H型钢或槽钢、角钢组合截面及焊接H型钢截面。

五、 结构计算及计算参数的选取和控制

计算多层钢结构的软件有很多，如PKPM，3D3S，SAP2000，MTS等，本文以PKPM-STS建模和PKPM-SATWE计算为例。

多层钢结构建模应在PKPM-STS模块里建模，其方式和一般混凝土结构相似，只是梁柱的截面型式和材料不同，一般钢梁与钢柱采用刚接连接方式，柱脚为刚接连接方式，次梁与主梁为铰接连接。

多层钢结构与混凝土结构在PKPM-SATWE计算参数的设置中有以下几点区别：

（一）、恒活荷载计算信息采用“一次加载”，更符合多层钢结构的特点。

（二）、多层钢结构在多遇地震下的阻尼比取0.04。其计算周期按主体结构弹性刚度计算所得的周期乘以非结构构件的影响修正系数，该修正系数一般宜取0.9。

（三）根据钢结构变形较大的特点，宜虑P-△效应；考虑P-△效应后水平位移增大约5%~10%；一般当层间位移角大于1/250时应考虑P-△效应。

（四）、钢柱的“有侧移”或“无侧移”选取可按以下原则考虑：（1）有支撑的结构（钢支撑，剪力墙等），且层间位移角Δu/h不大于1/1000时，可按无侧移结构来计算柱的计算长度系数。（2）纯框架结构，或有支撑的结构且层间位移角Δu/h不大于1/1000时，可按无侧移结构来计算柱的计算长度系数。当框架结构一个方向无侧移（如框架支撑体系）另一个方向有侧移（如纯框架体系）时，柱计算长度系数的确定需要计算两次，先按无侧移结构计算，记录无侧移方向柱的计算长度系数，然后再按有侧移结构计算，记录有侧移方向柱的计算长度系数。

受弯构件的绕度容许值：主梁L/400；次梁、楼梯梁L/250。

多层钢框架结构的水平位移容许值：在风荷载标准值作用下，框架柱顶水平位移不宜大于H/500，层间相对位移不宜大于h/400（H为自基础顶面至柱顶的总高度；h为层高）。对室内装修要求较高的民用建筑多层框架结构，层间相对位移宜适当减小。无墙壁的多层框架结构，层间相对位移可适当放宽。

六、 节点设计

多层钢结构设计中，节点设计与构造是保证钢结构安全的重要环节，对结构受力性能有着极其重要的影响。根据各种钢结构灾害事故（如美国北岭的地震和日本的阪神地震造成的坏）分析表明，许多钢结构是由于节点区首先破坏而导致建筑物整体破坏的。钢结构节点区的受力状况比较复杂，构造要求相当严格，应引起设计人员的足够重视。节点设计一般应遵守以下原则： （1）节点受力应满足传力简捷、明确的原则，使计算分析与节点的实际受力情况一致；（2）保证节点连接有足够的强度，使结构不致因连接较弱而引起破坏；（3）节点连接应具有良好的延性，避免节点的局部压屈或脆性破坏，应采用合理的细部构造，使钢结构延性的优势得到充分发挥，这时对抗震结构尤其重要；4．构件的拼接一般应按等强度原则设计； 5．尽量简化节点构造，便于加工与现场安装调整。

按传力特征来分，钢结构节点可分为铰接、刚接和半刚接节点。铰接节点构造简单，在受弯构件中引起跨中弯矩较大，用钢量增多;刚接节点连接可减小跨中弯矩，节约用钢，但构造较复杂。在多层钢结构设计中， H型截面柱，强轴布置在横向，横向梁柱通常为刚接节点，纵向腹板一般较薄，亦可采用铰接节点。框架一支撑结构中梁柱节点可以是铰接或半刚接。支撑与构件的连接、交错桁架结构中桁架杆件的连接、桁架与柱连接通常设计为铰接节点，交错桁架结构中纵向连梁与柱可设计为刚接。在刚性连接中，应重视节点域的问题，节点域直接影响到节点的强度、刚度、变形及抗震性能。当节点域验算不满足时，不应该简单的调整构件截面尺寸，这样可能带来用钢量的大量增加，可以考虑采用在柱腹板处贴焊补强板、梁上下翼缘加楔形盖板、狗骨法等方法解决。

钢结构柱脚节点做法有外露板式、埋入式和外包混凝土式。埋入式和外包混凝土式柱脚具有较好的抗震能力，强地震区应优先采用。外露板式柱脚的震害说明:地脚锚栓是抗震的薄弱部件，抗震设计中，应充分考虑地震剪力，增强锚栓的抗震强度。

七、 结束语

多层钢结构设计主要包括以上几个部分。从结构设计来说与混凝土结构设计方法基本一致。从结构整体到局部，从具体结构构件到节点设计，钢结构有其特殊的地方。钢结构还需考虑和验算结构的整体稳定和构件的稳定。总之，在多层钢结构设计时应做到：强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件。

参考文献：

《钢结构设计规范》(GB50017-2003)

《全国民用建筑工程设计技术措施》

《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）