多層鋼框架設計簡述

任訊波   王向軍

(中聯西北工程設計研究院710082西安)

1.前言

    鋼結構具有輕質高強的特點，與鋼筋砼結構相比，其強度重量比指數是鋼筋砼結構的5倍以上，可降低基礎及結構工程的造價，能顯著減輕結構自重25％以上。

    由于鋼材輕質高強，其梁柱截面尺寸相對較小，可節約使用面積；鋼結構工廠化程度高，構件均在工廠加工制作，現場安裝，一般比鋼筋砼結構施工速度約快l.5倍．鋼結構柱網尺寸可以比砼結構大，便于使用。

    正因為鋼結構具有以上的優點，目前應用越來越廣我院設計的一些大型商場如：安美居、紫薇太賣場營銷中心、太華路家世界購物廣場等都采用了鋼框架結構。

2.鋼框架結構布置

    2.1布置原則

    采用PKPM軟件鋼結構框架三維模型輸人建模，根據大型商場需要較大空問的要求，根據建筑使用功能要求，柱網尺寸一般按9m×9m左右設置，我院所設計的安美居工程主要柱網尺寸為9m×12m，紫薇大賣場營銷中心及太華路家世界主要柱網尺寸為9m×9m，對于平面、豎向不規則的要求與鋼筋砼結構相同，抗震設計要符合“強節點弱構件、強柱弱粱、強焊縫弱鋼材”的原則，對于框架，使節點的承載力高于構件的承載力，防止節點的破壞先干構件的破壞，是確保構件整體性的必要條件，但節點又不可過強，應允許地震時粱、柱節點域的板件能產生一定量的剪切屈服變形，以提高整個框架的延性，“強柱弱梁”的道理與鋼筋砼結構一樣，有利于提高框架的防倒塌能力；由于構件焊縫的延性，一般低于被連接構件的鋼材延性，因此要求焊縫的承載力應高于被連接鋼材板件的承載力，可以使構件的屈服截面避開焊縫而位于鋼板件之中．從而提高構件以至整個結構的延性，螺栓連接的延性等抗震性能優于焊縫連接，重要的構件和節點宜采用高強度螺栓連接。

    2.2柱、梁布置

    鋼框架柱截面形式常用的有箱形截面、H型截面，箱形截面的受彎載力較強，截面性能沒有強、弱軸之分，截面尺寸可以按照兩個方面的剛度強度要求而定，經濟、合理，缺點是需要拼裝焊接，焊接工藝要求高，加工量大，軋制寬翼緣H型鋼優點是加工、桿件  連接容易，但有強、弱軸之分，大型商場兩個方向受力  性能比較接近，因此家世界、紫薇大賣場均采用箱形柱。

    1字形截面粱的經濟跨度為6—12m，一般框架  粱、次粱均選用I字形粱。次梁是錒結構中數量最多  的構件，占結構用鋼量的比例較大。布置次梁時應有  利于荷載均勻分布。鋼次粱一般宜與主粱鉸接相連，  連續的組合粱雖可減小梁的跨中彎矩和撓度，但與主  粱受彎節點要求采用栓焊法或在鋼粱上、下翼緣設置  鋼蓋板法相連時，將增加較多的焊接工作量，實際工  程中很少采用井字粱結構。次粱的間距一般為2.5-3.5m。

    2.3樓板布置

    鋼結構的樓板宣采用壓型鋼板現澆鋼筋砼組合  樓板或非組合樓板。對于不超過l2層的鋼結構也可  同鋼筋砼結構一樣采用鋼筋砼現澆樓板。在無抗震  設防要求時，可采用予制樓板。

    組合樓板在使用階段壓型鋼板可作為砼樓板的受拉鋼筋。壓型鋼板鍍鋅量不多，板厚不應小于0.75mm，在板底需刷防火涂料，目前防火涂料價格較高，因此采用組合樓板造價較高。

    非組合樓板在使用階段，壓型鋼板不代替砼板的受拉鋼筋，按普通鋼筋砼樓板計算。其承載力在施工階段，要考慮由壓型鋼板承擔未結硬的濕砼板的重量  和施工活荷載。壓型鋼板宜采用具有防銹功能的鍍鋅板，板底不需刷防火涂料，板厚不應小于0 5mm，壓型鋼板僅做為模板使用。

    組臺樓板、非組合樓板及鋼筋砼樓板均需在錒粱頂設置圓柱頭栓釘，栓釘需穿透鋼板焊于鋼染翼緣上，桂釘直徑d根據板跨度大小，l3<d(19mm，柱頂  間距一般≥4d，柱釘高度高出壓型鋼板頂面30mm以上，頂面砼保護層厚度≥15。

    2.4屋面布置

    目前鋼框架結構頂層通常采用輕質屋面，因為屋面荷載很小，通常為使用方便，可將橫向抽柱，頂層實際做法相當于門式剛架結構，在橫向鋼粱上設置檁條．檁條在支座處設置檁托，用2個螺栓將腹板與檁托連接，檁托可采用熱扎角鋼，檁條截面高度一般為1／35—1／'50跨度。檁條通常采用玲彎薄壁“2”形式“c”型形型錒，一般按簡支粱構造和計算(強度、穩定、變形)。檁條垂直于屋面坡面布置，為減小檁條在安裝和使用階段的側向變形和扭轉，保證其整體穩定性．一般需在檁條問設置拉條，作為其側向支承點，檁條跨度>4m時，設一道拉條，>6ra時，設兩道拉條，在搪口處還應設斜拉條和撐桿，拉條采用圓鋼時，直徑不宜小于lOmm。

    屋面板通常采用夾芯板一保溫、隔熱芯板與面板一次成型的雙層壓型鋼板，上層為小渡的壓型鋼板，下層為小肋的平板．壓型鋼板與檁條用自攻螺釘連接，板與板的搭接處用抽芯鉚釘連接，連接處應設置防水密封膠帶。

3.節點設計

    3.1梁桂節點

    梁柱節點通常采用剛性連接，并通常采用桂焊混合連接；梁的上、下翼緣用坡口全熔透焊縫與柱翼緣連接，腹板用摩擦型高強度螺栓與柱翼緣上的剪力板連接，原則上粱端彎矩由粱翼緣負擔，粱端剪力由梁腹板承擔，在粱的對應位置設置柱的水平加勁肋。對抗震設防的結構，水平加勁肋應與粱翼緣等厚，水平加勁肋與柱采用坡口全熔透焊縫焊接，當柱兩側粱高度不等時。每個梁翼緣對應位置均應設置柱的水平加勁肋，加勁肋之間的距離不小于l50mm，也可設置坡度小于1：3的加勁肋或將截面高度較小的粱腹板高度局部加大，腋部翼緣的坡度不得大于1：3，節點域應按《建筑抗震設計規范》公式(8 2 5—2)、(8 2 5～5)、(8．2．5—6)驗算其抗剪強度、穩定性。

    3.2次梁與框架梁的連接

    通常采用鉸接，次粱與主粱的豎向加勁扳用高強度螺栓連接，主梁加勁肋與主梁之間的連接焊縫采用 雙面直角角焊縫。

    3.3柱拼接、粱拼接

    當柱、梁長度大于l4—15m左右時，不便于運輸和裝配，需要在玉地現場進行拼接。

    柱接頭應位于框架節點塑性區以外，一般宜在框  架粱上方l 3m附近，柱接頭的設計應滿足極限承載力Ma>1.2Mpc的原則(Ma=極限受夸承載力；全塑性受彎承載力)，柱接頭上、下各l00mm范圍內。1字形截面柱的工地接頭，翼緣采用全熔透坡口焊接，  腹板用高強度螺栓連接，也可采用焊接，在上柱腹板  開K形坡口。要求焊透。

    粱接頭應位于框架節點塑性區以外，即從梁端算  起的l／10跨長并應大于l．6m，拼接接頭由；翼緣承  擔彎矩，腹板承擔剪力。粱的拼接主要用于梁與柱全  焊接節點的柱外懸臂粱段與中間粱段的連接，連接形  式有：翼緣為壘溶透焊接，腹板為高強度螺栓連接；冀  緣、腹板都用高強度螺栓連接；翼緣、腹板都用全溶進  焊接。

    3.4框架梁的側向隅撐

    按抗震設計的框架梁，在粱可能出現塑性鉸處 (通常距柱軸線l／8—1／10粱跨處)，粱上下翼緣均應設置側向隅撐。

    3.5柱腳設計

    多層鋼框架柱腳通常采用埋入式柱腳或外露柱腳，均為剛接柱腳。埋入式柱腳埋入砼基礎內的深度要求不得小于鋼柱截面高度的3倍，對于3—4層的大型商場，鋼框  架柱截面高度取500—600mm，柱腳埋深就需要1.5m-1.8m，而大型商場的占地面積很大，埋深大就會使地基處理的土方量增大很多，地基處理的造價也會增大很多。

    為減小土方量，降低造價，可采取基礎在鋼柱下對齊位置局部開挖，滿足鋼柱埋深，基礎其它部分可以淺埋，整體開挖深度也可淺挖，使土方量大幅度減小，埋入式柱腳在锎柱的埋入部分應設置栓釘，栓釘直徑不得小于l6mm，并應計算滿足軸力、彎矩，鋼柱翼緣的保護層厚度對于中間柱不得小于180mm．對于邊柱和角柱的外側不宜小250mm。

    外露式柱腳宜采用帶靴梁的構造，彎矩由靴粱傳遞，柱腳由底板、靴梁、錨栓組成。

4.結構計算

    用鋼結構CAD軟件SIS框架中第l項三維模型與荷載輸入完成建棋和荷載輸人，并完成結構樓面布置信息及樓面荷載傳導與計算后，可接力采用SAT- WE等程序計算，對于節點設計可采用工具箱中的檁條、墻粱計算施工節點連接設計中的粱柱連接、主次梁連接：柱腳連接等輔助設計。

5.圍護結構

    多層鋼結構圍護結構一般同屋面一樣采用保溫夾心板。多懸掛夾心板需設置墻梁，墻粱的要求基本同屋面檁條，在最上層墻粱處宜設斜拉條將拉力傳至承重柱。

6.防銹、防火

    鋼構件制作完畢后進行拋丸除銹處理，除銹等級 Sa2；鋼結構表面防護底漆兩道，漆膜總厚度≥60v,m，面漆由業主自理；3 3高強螺栓連接范圍內的鋼構件接觸面不得涂刷油漆；需要現場焊接構件的焊接范圍內由現場涂屆Ⅱ油漆；埋入式柱腳在混凝土中部分不得涂刷油漆(柱腳處一0．500標高以下范圍內)；±0．000以下的錒結構表面涂刷摻水泥重量2％的NaNO水泥砂漿，再用Cl0砼包至室內地面以上150mm娃．包腳砼的厚度為100；鋼結構在使用過程中應定期進行油漆、維護。需做防火涂層的鋼材表面可除銹后只做席漆涂層。主鋼結構出廠時涂覆醇酸防銹底漆．干膜厚度不小于60pm，在結構安裝后涂覆與底潦相容的防銹面漆。

    鋼結構宜采用防火涂料防火，按建筑物耐火等級及構件耐火時限，根據鋼結構防火涂料應用技術規范}CECS24，選用涂料的類別及構造做法。噴涂放火涂料前．鋼材表而按規定進行除銹，并進行1—2遍底漆涂裝，宜優先采用薄涂形防火涂料，對重要的鋼柱，應采用厚涂形防火涂料。涂層的厚度宜直接采用實際構件的耐火實驗數據。

依據標準及參考文獻：

[1]國家標準《鋼結構設計規范》GB 50017--2003

[2]行業標準《高層民用建筑鋼結構技術規程》JGJ  99一8

[3]國家標準《建筑抗震設計規范》cB 50011--2001[4]鋼結構設計手冊(第三版)

[5]全國民用建筑工程設計技術措施(結構)[6]陳紹蕃顧強《鋼結構》

[7]鋼結構CAD軟件STS

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)