多高層鋼結構框架結構設計分析

文/姜桂平 中煤科工集團南京設計研究院有限公司 江蘇南京 210031

多高層鋼結構框架結構設計分析

文/姜桂平 中煤科工集團南京設計研究院有限公司 江蘇南京 210031

鋼結構現在已經成為建筑工程應用最為廣泛的建設方式，多高層鋼結構建筑工程無論是在施工速度、工業程度還是建設效果上均具有更大的優勢。在對多高層鋼結構框架結構進行設計分析時，需要詳細了解其具有的特點，并結合以往設計經驗對其應用方式進行分析，做好各項影響因素的控制，不斷提高結構設計效果，本文就此方面進行了簡要的分析。

多高層鋼結構；結構設計；框架結構

鋼結構住宅體系現在已經被廣泛的應用到建筑工程建設中，并且因為鋼結構材質特點，工程建設后具有更高的抗震性能，與其他結構類型相比，具有更大的技術優勢。想要進一步提高多高層鋼結構框架結構設計效果，就需要從工程建設需求出發，以框架體系為主要研究目標，確定其研究設計要點，做好各項參數的計算，遵循專業設計原則，確保每個細節設計的專業性與合理性，爭取在整體上不斷提高工程結構設計效果。

一、多高層鋼結構框架結構體系分析

框架結構體系，鋼梁與鋼柱連接方式可以根據實際需求，采用剛接、半剛接以及鉸接等方式。其中，如果框架結構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力體系時，則此種設計方式為純框架結構，工程所需承載能力與抗側能力，均由剛接框架提供，一般適用于柱距較大并且無法設置支承的情況[1]。就多高層鋼結構框架結構體系應用效果來看，在設計上靈活性更高，不需要設置承重結構，這樣可以更大程度上解放室內空間，空間使用靈活性提高，同時也使得建筑立面設計更為自由。另外，此種結構形式施工時難度低，施工后具有良好的延性，自振周期長，可以提高工程結構抗震性能。但是在對其進行設計時還應注意，框架結構側向剛度較小，會存在較大的側向位移，很容易造成非結構構件與整體結構的破壞。因此要重點分析梁柱截面尺寸與連接節點剛度，提高對結構側向剛度的控制效果。

二、多高層鋼結構框架結構設計原則分析

對于多高層鋼結構框架體系進行設計時，梁柱剛性連接應具有一定強度，應能承受交匯處構件端部所傳遞的所有最不利內力。一般可以選擇用彈性分析法對結構內力進行計算，即將未變形結構簡圖作為分析對象，忽略荷載作用下結構的變形，對結構內力的分布情況進行分析。高層建筑鋼框架結構受側力影響很容易發生位移，因此在內力分析時要做好對p-△效應的研究。其中，工程鋼框結構設計規范中給出需要考慮的二階效應判定條件為：

其中，ΣN表示各柱壓力和；ΣH表示產生層間側移△μ的計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計樓層層間側位移；h表示設計樓層高度。

采用二階延性分析更貼近工程建設實際需求，但比一階彈性分析需要更大的計算工作量。因此，也可以利用無支撐純框架結構來進行二階彈性分析各桿件端彎矩近似計算公式：

其中，MΠ表示計算二階效應的桿端彎矩；MIb則表示如框架不存在側移，按一階彈性分析求得的各桿件端彎矩；α2i還考慮二階效應時第i層桿件側移彎矩的增大系數；MIs表示框架各節點側移時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，則變形對結構內力的分布會具有影響，此時△μ容許值為h/400。

三、多高層鋼結構框架結構設計要點分析

1.荷載效應計算

多高層鋼結構中框架結構設計可以選擇用一階彈性分析，其中，當（1）式成立時，說明對構件長度計算相對保守，就應選擇用二階彈性分析方法。并且，在分析時應對每層柱子柱頂施加虛擬水平力，并考慮幾何缺陷對整體P-△效應的影響。其中，對于無支撐純框架結構，各桿件桿端彎矩M可以利用公式計算。這時對于柱子長度的計算，可以按照層高h來計算柱子構件長細比。

2.柱子長度計算

對于有支撐框架結構在對柱子長度進行計算時，可以按照支撐剛度強弱分為強支撐框架與弱支撐框架兩種。當支撐結構側移剛度時，此結構體系為強支撐框架，則柱子長度計算長度系數u既可以按照無側移框架柱計算長度系數確定；反之，則此結構體系為弱支撐框架，框架柱軸壓桿件穩定系數則為[3]。

3.梁結構設計

3.1 抗彎強度

在計算梁結構強度時，主要包括梁結構抗彎強度、抗剪強度、局部承壓強度以及復雜應力作用下折算強度計算等。其中，抗彎強度計算，即在彎矩Mx與彎矩My共同作用下，梁結構抗彎強度計算公式為：

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

3.2 抗剪強度框架結構中梁需要同時承受彎矩與剪力，其中H形截面上最大剪應力發生在腹板中和軸位置。因此在計算主平面受彎梁抗剪強度時，應選擇公式：

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中和軸的面積矩；I表示毛面積對中和軸慣性矩；tW表示H形界面腹板厚度；fV表示抗剪強度計算值。

結束語：

對多高層鋼結構框架結構體系進行設計時，需要全面了解工程結構特點，做好其影響因素的分析，從不同角度共同進行研究，做好各項設計參數的計算，提高結構受力性能、抗震性能，不斷提高工程結構安全性。

[1]辛炯明.多高層鋼結構住宅抗震性能研究[D].北京交通大學,2009.

[2]文俊巍.多高層鋼結構住宅結構體系分析研究[D].昆明理工大學,2008.

[3]陳銀.多高層輕鋼結構住宅的設計與研究應用[D].河北工程大學,2013.