时间：2023-03-16 16:37:42
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关键词：门式刚架钢结构
一。设计方面
1.屋面活荷载取值
框架荷载取0.3kN/m2已经沿用多年，但屋面结构，包括屋面板和檩条，其活荷载要提高到0.5kN/m2.《钢结构设计规范》规定不上人屋面的活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6.门式刚架一般符合此条件，所以可用0.3kN/m2，与钢结构设计规范保持一致。国外这类，要考虑0.15-0.5N/m2的附加荷载，而我们无此规定，遇到超载情况，就要出安全问题。设计时可适当提高至0.5kN/m2.现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有人为减少荷载情况，应特别注意，决不允许在有限的活荷载中“偷工减料”。
2.屋脊垂度要控制
框架斜梁的竖向挠度限值一般情况规定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度？过去不明确，可能不包括屋脊点垂度。现在应该是计算的。一般是将构件分段，用等截面程序计算，每段都要计算水平和竖向位移，不能大于允许值，等于要验算跨中垂度。跨中垂度反映屋面竖向刚度，刚度太小竖向变形就大。要的度本来就小，脊点下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面竖向刚度过小，第一榀刚架与山墙间的屋面出现斜坡，使屋面变形。本人有此想法，刚架侧移后，当山尖下垂对坡度影响较大时（例如使坡度小于1/20），要验算山尖垂度，以便对屋面刚度进行控制。
3.钢柱换砼柱
少数设计的门式刚架，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与砼柱中的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用砼柱和钢桁架组成的框架，但此时梁柱只能铰接，不能刚接。多高层建筑中，钢梁与墙的连接也是如此。因为混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很并，在外力作用下很容易松动和破坏。有些设计，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变。应当指出，砼柱加钢梁作成排架是可以的，但将刚架的钢柱换成砼柱，而钢梁不变，是不行的。由于连接不同，构件内力也不同，要的工程斜梁很细，可能与此有关。
4.檩条计算不安全
檩条计算问题较大。檩要是冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能象热轧型钢那样全截面有效。有效宽度理论是在《冷弯薄壁型钢构件技术规范》（GB50018－2002）中讲的，有的设计人员恐怕还不了解，甚至有些设计软件也未考虑。但是，设计光靠软件不行，还要能判断。软件未考虑的，自己要考虑。再有，设计人员往往忽略强度计算要用净断面，忽略钉孔减弱。这种减弱，一般达到6-15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。刚架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。《规范》4.1.8、9条规定：“结构构件的受拉强度应按净截面计算；受压强度应按有效截面计算；稳定性应按有效截面计算。变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。有的单位看到国外资料中檩条很薄，也想用薄的。国外檩条普遍采用高强度低合金钢，但我国低合金钢Q345的冲压性能不行，只有用Q235的。国外是按有效截面计算承载力的。如果用Q235的，又想用得薄，计算时还不考虑有效截面，荷载稍大时檩条就要垮。二。施工方面
1.柱子拔出
有的刚架在大风时柱子被拔起，这是实际中常出现的事故。主要原因不是刚架计算失误，而且设计柱间支撑时，未考虑支撑传给柱脚的拉力。尤其是房屋纵向尺度较小时，只设置少量柱间支撑来抵抗纵向风荷载，支撑传给柱脚的拉力很大，而柱脚又没有采取可靠的抗拔措施，很可能将柱子拔起。，因此，在风荷载较大的地区刚架柱受拉时，在柱脚应考虑抗拔构造，例如锚栓端部设锚板等。
2.没有柱间支撑
这种情况最近较多，这样肯定不行。目前没有任何一本规范允许不设支撑。特别是柱间支撑，受力较大，绝不能省略。
3.端板合不上
端板连接是结构的重要部位。由于加工要求不严，而腹板与端板间夹角又，有的工程两块端板完全对不上，合不起来。强行用螺栓拉在一起，仍留下很宽缝隙，严惩影响工程质量。
4.锚栓不铅直
框架柱柱脚底板水平度差，锚栓不铅直，柱子安装后不在一条直线上，东倒西歪，使房屋外观很难着，这种情况不少。锚栓安装应坚持先将底板用下部调整螺栓调平，再用用无收缩砂浆二次灌浆填实。
5.保温材吸水超重
有些房屋雪不大就垮了，究其原因，是屋面防水施工太差，雪融化后水逐渐渗入，为保温村所吸收。今年冬季落雪多次，迁延时间较长。屋面的设计荷载很小时，当吸水量达至一定程序，超过了结构的承载能力，就要倒塌。
关键词：建筑钢结构经济性能工程造价优化设计
1、引言
由于国家政策、钢材生产、构件制作、设计研发、标准规范修订等方面的有利因素，近几年我国的建筑钢结构进入了一个全新的发展时期。新材料、新部品、新结构体系不断出现，钢结构设计研发、制作安装能力日益强大，建筑钢结构向多样性、适用性、经济性方向发展。
建筑钢结构的经济性能一直是大家最为关注的一个问题。如何控制工程造价，充分发挥钢结构建筑技术经济上的综合优势，工程设计阶段是关键阶段。据权威资料统计分析，在初步设计阶段，影响工程造价的可能性为75%-95%；在技术设计阶段，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、设计是否优化对工程造价将产生直接的影响。下面以门式刚架轻钢结构厂房和多、高层钢结构建筑的设计为例，在材料选用、结构体系等方面进行简要分析，探讨在设计阶段控制工程造价，提高建筑经济性能的可行性。
2、材料选用方面工程造价控制
由于我国钢产量已经突破两亿吨，钢材品种更趋于多样化。各种新型建材，如轻质保温墙板、彩涂压型钢板、楼承板等不断开发出来并推广应用。建筑钢结构在设计阶段材料的选择上有了更大的空间。材料选择不同，工程直接费不同，总造价不同。设计阶段合理选择建筑材料，控制材料单价或工程量，是控制工程造价的有效途径。试举例如下：
（1）彩涂钢板：彩涂钢板一般用于轻钢厂房屋面板和墙面板，有不同板型、不同基板厚度和钢号、不同镀锌板类别和镀锌层厚度以及不同的彩涂层类别，在形式上又可选用单板、保温复合板、单板加内保温层等，其中保温层又有超细玻璃丝棉、硬质岩棉、聚苯乙烯等类别及厚度的不同，这些不同都造成单方材料价格的差异，从而影响厂房工程总造价。所以设计时要根据厂房性质、大气环境等因素综合考虑，合理选用板材，控制工程造价。
（2）多、高层住宅钢结构体系的墙体材料：墙体材料造价一般占土建工程造价的15%-25%。对于多、高层住宅钢结构体系来说，选用配套、经济、节能的墙体材料至关重要。目前，设计选用的外墙材料主要有水泥保温外墙板、轻质加气混凝土砌块、NALC板等；内墙材料主要有改性石膏板、GRC内墙板、水泥保温复合板等。莱钢集团自主研发的LCC-A系列、LCC-B系列和LCC-C系列轻质保温复合墙板也已应用于在建钢结构节能住宅工程中，逐步使钢结构住宅体系走向标准化、定型化和工业化，为降低综合造价创造了基础条件。
（3）多、高层钢结构建筑楼（屋）面的楼承板：设计时，根据在楼（屋）盖结构体系中的作用，楼承板可采用两种形式，即①楼承板只作为永久性模板，一般采用普通镀锌压型钢板即可，对最小镀锌量和耐火时间要求较低，价格较便宜；②施工时作为模板，在使用阶段则替代受拉钢筋，即组合楼板。由于在设计中考虑楼承板作为受拉筋，其使用寿命必须与主钢结构的使用寿命保持一致，所以对其最小镀锌量和耐火时间要求较高，单方价格相对较高。
（4）钢材规格及材质：由于钢材品种的增多，结构设计时可选择的构件形式也多了。比如框架柱，可采用热轧H型钢、焊接H型钢、螺旋焊接圆钢管、焊接方钢管以及组合截面等形式，钢梁可采用等截面、变截面等形式。材质可采用Q235普碳钢，也可采用Q345低合金钢。设计时应尽可能采用高强度等级的材料，比如采用Q345钢比采用Q235钢就可节约钢材15%-25%，用于受拉或受弯构件节约比例较大。设计时要选用经济截面型材，比如热轧H型钢、T型钢等。在某些情况下，采用热轧H型钢柱、梁可能比采用焊接H型钢用钢量稍多，但从加工成本、施工进度等方面综合考虑，其造价可能更有优势。
3、结构体系方面工程造价控制
不同的结构体系和平、立面布置对工程造价的影响较明显。在设计阶段只有根据建筑物的使用功能要求，确定合理的平、立面布置和结构体系，才能有效控制工程造价，做到经济适用。列举如下：
（1）根据有关资料测算分析，对于多层建筑，不同层数对土建工程造价的影响为10%-25%；不同层高对土建工程造价的影响为1.5%-12%。
（2）门式刚架轻钢结构厂房设计，同样存在经济跨度和刚架最优间距。在工艺要求允许的情况下，尽量选择小跨度的门式刚架较为经济。一般情况下，门式刚架的最优间距为6m-9m，当设有大吨位吊车时，经济柱距一般为7m-9m,不宜超过9m，超过9m时，屋面檩条、吊车梁与墙架体系的用钢量也会相应增加，造价并不经济。下表（表3.3）是按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:98）进行设计的厂房主钢用钢量，通过横向、纵向比较，可以看出各影响因素在设计阶段合理确定的意义。设计荷载取值：恒载0.3KN/m2、活载0.5KN/m2、基本风压0.55KN/m2、不考虑吊车及悬挂荷载。
柱距7.5m
檐高6.0m
用钢量
（kg/m2）
柱距7.5m
檐高6.0m
用钢量
（kg/m2）
柱距7.5m
檐高6.0m
用钢量
（kg/m2）
跨度
Q345
Q235
跨度
Q345
Q235
跨度
Q345
Q235
1×18.0m
7.20
8.72
2×18.0m
7.16
8.92
3×18.0m
7.38
8.95
1×21.0m
8.41
9.90
2×21.0m
8.45
10.28
3×21.0m
8.43
10.12
1×24.0m
9.22
11.43
2×24.0m
9.68
11.75
3×24.0m
9.29
11.36
1×27.0m
10.54
12.72
2×27.0m
10.86
13.12
3×27.0m
10.35
12.96
1×30.0m
11.57
13.95
2×30.0m
11.92
14.53
3×30.0m
11.35
13.54
1×33.0m
12.86
15.10
2×33.0m
13.21
16.58
3×33.0m
12.46
15.61
（3）在多、高层钢结构中，楼板结构体系的工程量占有较大比重，对结构的工作性能、造价都有重要影响。在确定楼板结构方案时，主要考虑要保证楼板有足够的平面整体刚度，能减轻结构的自重及减小结构层的高度，有利于现场安装方便及快速施工，还要有较好的防火、隔音性能，并便于管线的敷设。常用楼板做法有：压型钢板组合楼板、预制楼板、叠合楼板和普通现浇钢筋混凝土楼板等。目前最常用的做法为压型钢板组合楼板和普通现浇钢筋混凝土板。当采用这两种做法时，考虑现浇板与钢梁组合成为共同受力的组合梁，能有效降低钢梁高度，较多地节约钢材。
（4）在高层钢结构中，框架柱采用圆形钢管混凝土柱，梁、板采用钢-砼组合结构，总用钢量比普通钢结构用钢量有大幅度减小，能有效降低工程造价。
4、结束语
钢结构建筑所具有的优点决定其必将具有强大的生命力。设计阶段技术创新、选材配套、设计优化是控制造价、促进建筑钢结构走向产业化的关键阶段。为此，强调以下几点：
（1）提高设计人员的素质，重视设计人员的继续教育和业务知识的更新培训。同时，要强调技术与经济相结合，设计中注重价值工程的运用，要做多方案比较，把控制工程造价放到重要位置。
关键词：轻型门式刚架结构设计计算
轻型门式刚架房屋结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期。近十多年来得到迅速的发展，目前国内每年有上千万平方米的轻钢建筑工程，主要用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。
单层轻型门式刚架结构是指以轻型焊接H形钢（等截面或变截面）、热轧H形钢（等截面）或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢（槽形、Z形等）做檩条、墙梁；以压型金属板（压型钢板、压型铝板）做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系。
在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃棉。
1单层轻型门式刚架结构的特点和设计中的注意事项
1.1单层轻型门式刚架结构相对于钢筋混凝土结构具有以下特点：
(1)质量轻
围护结构采用压型金属板、玻璃棉及冷弯薄壁型钢等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻。根据国内工程实例统计，单层轻型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为10~30kg/m2，在相同跨度和荷载情况下自重仅约为钢筋混凝土结构的1/20~1/30。由于结构质量轻，相应地基础可以做得较小，地基处理费用也较低。同时在相同地震烈度下结构的地震反应小。但当风荷载较大或房屋较高时，风荷载可能成为单层轻型门式刚架结构的控制荷载。
(2)工业化程度高，施工周期短
门式刚架结构的主要构件和配件多为工厂制作，质量易于保证，工地安装方便；除基础施工外，基本没有湿作业；构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速。
(3)综合经济效益高
门式刚架结构通常采用计算机辅助设计，设计周期短；原材料种类单一；构件采用先进自动化设备制造；运输方便等。所以门式刚架结构的工程周期短，资金回报快，投资效益相对较高。
(4)柱网布置比较灵活
传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6米，当采用12米柱距时，需设置托架及墙架柱。而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。
1.2设计中的注意事项
(1)由于门式刚架结构构件的抗弯刚度、抗扭刚度较小，结构的整体刚度较弱，因此设计时应考虑运输和安装过程中要采取的必要措施，防止构件发生弯曲和扭转变形。
(2)要重视支撑体系和隅撑的布置，重视屋面板、墙面板与构件的连接构造，使其能参与结构的整体工作。
(3)组成构件的杆件较薄，设计中应考虑对制作、安装、运输的要求。
(4)设计中应充分考虑锈蚀对结构构件截面削弱的影响。
(5)门式刚架的梁柱多采用变截面杆件，梁柱腹板在设计时考虑利用屈曲后的强度，所以塑性设计不再适用。
(6)设计中对轻型化带来的后果必须注意和正确处理，比如风力可使轻型屋面的荷载反向等。
2结构形式和结构布置
2.1结构形式
门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20~1/8。单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车的房屋时，当刚架柱不是特别高且风荷载也不是很大时，依据“材料集中使用的原则”，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案。门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂吊车和起重量不大于20t的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式吊车。
2.2结构布置
2.2.1刚架的建筑尺寸和布置。
门式刚架的跨度宜为9~36m，当柱宽度不等时，其外侧应对齐。高度应根据使用要求的室内净高确定，宜取4.5~9m。门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m。纵向温度区段小于300m，横向温度区段小于150m（当有计算依据时，温度区段可适当放大）。
2.2.2檩条和墙梁的布置
檩条间距的确定应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定，一般应等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。侧墙墙梁的布置应考虑门窗、挑檐、雨蓬等构件的设置和围护材料的要求确定。
2.2.3支撑和刚性系杆的布置
(1)在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。
(2)在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。
(3)端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30~45m，有吊车时不宜大于60m。
(4)当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。
(5)当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。
(6)在刚架的转折处（边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶）应沿房屋全长设置刚性系杆。
(7)由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。
(8)刚性系杆可由檩条兼做，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。
(9)当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢；当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向刚架。
3刚架设计
3.1荷载及荷载组合
3.1.1永久荷载
永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。
3.1.2可变荷载
可变荷载包括屋面活荷载（设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载，其标准值为1KN）、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。
3.1.3荷载组合
荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载设计规范》GB50009-2002的规定，针对门式刚架的特点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:98给出下列组合原则：
(1)屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中较大值。
(2)积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑。
(3)施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑。
(4)多台吊车的组合应符合《建筑结构荷载设计规范》的规定。
(5)当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。
3.2刚架内力和侧移计算
3.2.1内力计算
对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。
根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。控制截面的内力组合主要有：
(1)最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值。
(2)最大弯矩Mmax和同时出现的N及V的较大值。
(3)最小轴压力Nmin和相应的M及V，出现在永久荷载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时M=0。
3.2.2侧移计算
变截面门式刚架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果最后验算时刚架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施之一进行调整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。
3.3刚架柱和梁的设计
(1)梁柱板件的宽厚比限值和腹板屈曲后的强度利用。（主要包括梁柱板件的宽厚比限值验算、腹板屈曲后强度利用验算、腹板的有效宽度验算等内容）
(2)刚架梁柱构件的强度验算。
(3)梁腹板加劲肋的配置。（梁腹板应在中柱连接处、较大固定集中荷载作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋）
(4)变截面柱在刚架平面内的计算长度确定。
(5)变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算。
(6)变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算。
(7)斜梁和隅撑的强度和稳定性计算。
(8)节点设计。（包括斜梁与柱的连接及斜梁拼接、柱脚设计、牛腿设计、摇摆柱与斜梁的连接构造等内容）
4辅属结构构件设计
4.1压型钢板设计
(1)压型钢板材料的选择可根据建筑功能、使用条件、使用年限和结构形式等因素考虑，钢板基板的材料有Q215钢和Q235钢，工程中多用Q235-A钢。
(2)压型钢板的截面形式较多，根据波高的不同，一般分为低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的抗弯刚度就越大，承受的荷载也就越大。
(3)压型钢板的强度和挠度可取单槽口的有效截面按受弯构件计算。计算内容包括压型钢板腹板的剪应力计算、支座处腹板的局部受压承载力计算、挠度限值验算等。
(4)压型钢板尚应满足其他相关构造规定。
4.2檩条设计
(1)檩条的截面形式可分为实腹式和格构式两种。当檩条跨度不大于9m时，应优先选用实腹式檩条。
(2)檩条属于双向受弯构件，在进行内力分析时应沿截面两个形心主轴方向计算弯矩。
(3)檩条应进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。
(4)檩条尚应满足其他相关构造规定。
4.3墙梁、支撑设计
(1)墙梁一般采用冷弯卷边槽钢，有时也可采用卷边Z形钢。
(2)墙梁在其自重、墙体材料和水平风荷载作用下，也是双向受弯构件。
(3)墙梁应尽量等间距设置，在墙面的上沿、下沿及窗框的上沿、下沿处应设置一道墙梁。为减少竖向荷载作用下墙梁的竖向挠度，可在墙梁上设置拉条，并在最上层墙梁处设斜拉条将拉力传至刚架柱。
(4)墙梁可根据柱距的大小做成跨越一个柱距的简支梁或两个柱距的连续梁。
(5)门式刚架结构中的交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。
(6)刚架斜梁上横向水平支撑的内力，根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算，并计入支撑对斜梁起减少计算长度作用而承受的力，对于交叉支撑可不计入压杆的受力。
(7)刚架柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向风荷载按支承于柱脚的竖向悬臂桁架计算，并计入支撑对柱起减少计算长度而应承受的力，对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，纵向力在支撑间可平均分配。
5小结
综上所述，轻型门式刚架结构设计应遵守以下原则：
(1)保证结构的整体性。门式刚架属于平面结构，它们在纵向构件、支撑和围护结构的联系下形成空间的稳定体系，结构只有组成空间稳定整体，才能承担各种荷载和其他外在效应。
一般来说，材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比，钢结构有如下一些特点。
1.1材料的强度高，塑性和韧性好钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。
1.2材质均匀，与力学计算的假定比较符合钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制，材质波动的范围小。
1.3钢结构制造简便，施工周期短钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作，因此，大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高。构件在工地拼装，可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。
1.4钢结构的重量轻钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3至1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，如建造在交通不便的山区和边远地区的工程，重量轻也是一个重要的有利条件。
当然任何一种材料都不是十全十美的，钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺，在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用，并取得了良好的效果。钢材长期经受100℃辐射热时，强度没有多大变化，具有一定的耐热性能，但温度达150℃以上时，就须用隔热层加以保护。钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施。例如，利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。
2钢结构住宅的特点
钢结构住宅与传统结构相比，在使用功能、设计、施工以及综合经济方面具有优势，主要体现在以下方面。
2.1设计制造周期短，设计生产一体化现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件，使得设计周期大大缩短，设计中的修改和调整非常方便。同时，由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点，可以将前期设计和现业的生产手段相结合，通过网络计算机和数控机床结合，使设计人员在工作室中完成设计后，即由工厂的生产线完成产品制作，具有极高的效率和精确度，可以大大减少项目建设周期。
2.2能够合理布置功能区间在居住建筑中，建筑师和居民一直希望能够有大跨的无竖向结构的空间，这样，可以根据需求进行灵活隔断，使室内布置呈多样化。传统住宅由于所用材料的性质，限制了空间布置的自由。
2.3承载强度高，抗震性能优越相同的荷载，钢结构截面最小，相同的截面，钢结构承载力最大。在抗震设防区，钢筋砼结构有许多不足之处，而钢结构重量轻，六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量，因此，本身所受的地震作用小；而且，钢材具有高延性，有较好的耗能能力，因此，抗震性能好，结构安全度高。
2.4施工方面优势突出现浇砼需要连续施工，在我国北方地区受到施工季节的影响。钢结构的大部分构件在工厂生产，运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装，可全天候作业。施工现场作业量小，减少了施工临时用地，与传统建筑材料相比，对周围环境污染小，提高了施工的机械化水平。
2.5综合造价低钢结构承载力高，可以实现结构的大开间布置，构件截面小，与砼结构和砖混结构相比，自重比较轻，地基的处理比较容易，可以采用天然基础型式。由于基础在工程造价中占有比重比较大，上部结构重量轻可以降低基础的造价，从而减少整个项目的投资。钢结构施工机械化高的特点，从另一方面减少了人工费用和模板等其它辅助材料费用。
3钢结构住宅的设计思路
3.1判断结构是否适合用钢结构钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。
3.2结构选型与结构布置在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要.对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。
3.3预估截面结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。
钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。
柱截面按长细比预估，通常50<λ<150，简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等。
3.4结构分析目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，条件允许时考虑P-Δ，p-δ。
新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能，这为更精确的分析结构提供了条件。
3.5构件设计构件的设计首先是材料的选择。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面，这和结构内力计算的弹性方法并不匹配，当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。
3.6节点设计连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定，常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免.按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。
3.7图纸编制钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。
设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书，并依据规范规定编制。
本项目型钢混凝土梁（以下简称钢骨梁）内钢骨采用焊接H型钢，钢材材质为Q345B。根据构造图集规定，钢骨梁与钢骨梁的连接应保证主梁贯通。当主梁与次梁为刚接时，连接节点处，主梁上下翼缘连接板应根据次梁角度做好扩散角以避免应力集中。梁翼缘的连接采用全熔透坡口焊，焊缝质量等级为二级；腹板的连接可根据腹板所承受的剪力进行螺栓等强连接计算，以确定所需高强螺栓的数量。钢梁的翼缘或腹板处，应按照施工图要求焊好剪力钉，绑扎钢筋时次梁的纵向钢筋应深入主梁内并弯起，弯起高度符合钢筋的锚固长度。
2不等高梁与柱的刚性连接
不等高梁与柱刚性连接时，如图2所示，当两端梁的高差不大于150mm，根据《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》规定，截面高度度较小一侧的钢梁，其与柱的连接牛腿应按1:3进行放坡，并在转折处设置加劲板。当两端梁的高差大于150mm时，如图3所示，对应于每个梁翼缘的位置，均应设置水平加劲板。截面高度较小一侧的梁还应在牛腿腹板下方设置竖直加劲板。
3梁上起柱
根据结构需要，钢桁架的部分钢柱需在主梁上生根，也就是所谓的梁上起柱。这种节点在深化设计之前应先建立三维模型或进行桁架放样，以便确立钢柱的准确定位。钢柱的柱脚应做靴梁，将柱脚应力均匀扩散至钢梁上翼缘。钢梁上对应钢柱靴梁的位置处也应设置加劲板，使力的传递均匀扩散。
4三维建模在深化设计阶段的应用
本工程由于建筑造型复杂，其结构杆件大多高低起伏，各连接节点均为三个方向连接构件且角度不一。因此，在钢结构部分深化设计的同时，应根据施工图首先建立三维模型。模型中，应将各构件及连接节点按照1:1的比例输入模型。待模型建立完毕后，整个工程的结构杆件便全部呈现于模型当中。三维模型除了能直观的反映各构件之间的连接关系外，还能校核深化设计的准确性。若节点设计出现问题，能立刻从模型中反映出来，避免了传统的二维放样出现错误只能在构件现场安装时才发现的失误，从而大大提高了深化设计的准确性。
5结束语
【关键词】钢结构，稳定设计，施工原则
【 abstract 】 steel in the stability problem is steel structure design of the main problems for solving, once appear, the steel structure of the instability accident, not only for the economy caused heavy losses, but also caused the personnel casualties. This paper introduces the design of the steel structure stability basic concept, this paper analyzes the design and construction of steel structure stability principle.
【 key words 】 steel structure, stable design, construction principle
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故，其中影响最大的是1907 年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏， 9000 吨钢结构全部坠入河中，桥上施工的人员75 人遇难。破坏是由于悬臂的受压下弦失稳造成的。而美国哈特福特城的体育馆网架结构，平面 92m x 110m,突然于 1978年破坏而落地，破坏起因可能是压杆屈曲。以及1988 年加拿大一停车场的屋盖结构塌落， 1985 年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的支撑有关。在我国 1988 年也曾发生 l3.2 xl7.99m网架因腹杆稳定位不足而在施工过程中塌落的事故。从上可以看出，钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中，一定要把握好这一关。目前，钢结构中出现过的失稳事故都是由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性能不够清楚，对如何保证结构稳定缺少明确概念，造成一般性结构设计中不应有的薄弱环节。另一方面是由于新型结构的出现，如空间网架，网壳结构等，设计者对其如何设计还没有完全的了解。
一、钢结构稳定设计的基本概念
1、强度与稳定的区别
强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。
2、钢结构失稳的分类
（1）第一类稳定问题或者具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。
（2）第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题（也叫极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。
（3）跃越失稳是一种不同于以上两种类型，它既无平衡分岔点，又无极值点，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看起来已经不够了。设计为轴心受压的构件，实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。因此，我们要真正掌握这种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有个缺陷影响问题。另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。
二、钢结构稳定设计和施工原则
1、结构稳定设计原则
（1）结构整体布置必须考虑整个体系以及各组成部分的稳定性要求。目前, 结构大多数是按照平面体系来设计的,如桁架、 框架都是如此。保证这些平面结构不出现失稳, 需要从结构整体布置来考虑,即必须设置必要的支撑构件。也就是说,结构构件的平面内和平面外的稳定计算必须和结构布置相一致。
（2）结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致。目前设计单层和多层框架结构时, 经常不进行框架稳定分析而是代之以框架柱稳定计算。在采用这种方法时,计算框架稳定时用到的计算长度系数应通过框架整体稳定分析得出,这样才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而,实际框架多种多样, 而设计中为了简化计算工作, 需要设定一些条件。框架各柱的稳定参数及杆件稳定计算的常用方法,往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的, 设计者必须明确所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。
（3）结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合。结构计算和构造设计相符合一直是结构设计中大家都十分关心的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接, 应分别赋予它足够的刚度和柔度,对桁架节点应尽量减少杆件偏心,这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是,当涉及稳定性能时, 构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如, 简支梁就抗弯强度来说, 对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移,同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了,支座还必须能够阻止梁绕纵轴扭转,同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲,以符合稳定分析所采取的边界条件。现行《钢结构设计规范》第 4 .2.5条已明确规定梁的支座处应采取构造措施以防止梁截面的扭转。
2、钢结构施工安装中的稳定问题
钢结构构件是在特定的状态下使用的。在相对较为随机的施工状态下,其系统或构件的稳定条件会发生较大的变化;所以在安装时, 要充分考虑它在各种条件下的构件单体稳定和结构整体稳定问题, 以确保施工安全。
构件单体稳定问题是指一个构件在工地堆放、 翻身、 吊装、 就位过程中发生弯曲、 弯扭破坏和失稳。因而对于较薄而大的构件均应考虑这一问题。必要时要用临时支撑对构件的弱轴方向进行加固。如单片平面桁架及高宽比相当大的工字梁等。结构整体稳定问题是指结构在吊装过程中支撑体系尚未形成,结构就要承受某些荷载 (包括自重 )。所以在拟定吊装顺序时必须充分考虑到这一因素, 保证吊装过程中每一步结构都是稳定的。若有问题可加临时缆风等措施解决。
3、钢结构稳定设计仍存在和需要注意的几个问题
（1）钢材为弹塑性材料,而目前大多数结构分析还是把结构看成完善的结构体系, 按完全弹性的材料做一阶分析,忽略客观存在的缺陷 (如残余应力、 初弯曲、 初偏心等, 工字钢和 H 形钢残余应力分布见图 1), 使稳定计算和现实结构的稳定承载能力存在较大的差距。尤其残余应力对稳定承载力影响非常复杂,不仅与构件生产工艺有关,还因构件几何
尺寸不同而异。以梁、 柱构件为例, 残余应力在常用的弹塑性失稳状态长度下对稳定承载力有较大影响, 对以弹性状态工作为主以及较短构件的影响较小。
（2）钢结构稳定性研究中存在许多随机因素的影响, 一般情况下,影响钢结构稳定性随机因素可分成三类:物理、几何不确定性;统计不准确性;模型不确定性。目前在网壳结构稳定性研究中,梁——柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁——柱单元是否能真实反映网架结构的受力状态还有待研究。只有进一步深入研究这些不稳定因素, 钢结构稳定理论才能进一步完善。
（3）按照极限状态设计法, 结构设计的基本表达式就是S≤R,各种建筑结构设计规范都应当执行这一规则, 规范中的设计计算公式也应当符合基本表达式的形式。然而,现行的《钢结构设计规范》( GB 50017- 2003)中的大部分计算公式,尤其是关于稳定方面的计算表达方式是不符合这个规则的。规范中关于轴心受力构件计算公式是: ≤ f ，显然,这个计算公式与基本表达式的形式是不符的。这样的表达式,不仅没有清楚地表明荷载作用应该小于抗力这一基本关系,反而搅乱了人们对稳定问题的正确理解。钢结构设计规范只要稍微变换一下,就可以解决上述不足。比如将轴心受力构件计算公式改为: N≤ φAf 的形式。此表达式既避免概念模糊,又与按极限状态设计方法的基本表达式一致。其它稳定计算表达式也可做类似的变动。
参考文献：
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近年来,随着我国改革开放的不断深入,经济建设得到了迅速的发展,伴随而起的广告业也日益兴旺。因而,在广告牌结构设计中,对其造型、规模及效益等方面的要求也不断提高。大型广告牌属永久性建筑物,其位置一般处在公共场所、繁华闹市地带,并且多数是建在已建建筑群中,因此,在满足广告效果的前提下,其结构的平安性尤其重要。另外,其基础工程的施工一般受邻近已建建筑物的制约影响比较大。本文根据某火车站站前广场两侧的广告牌结构工程设计及实际施工的经验,对大型钢结构广告牌结构设计和施工特征作一些探索。
工程概况该广告牌位于某火车站站前广场东西两侧花坛内,花坛宽为3m,其一侧为混凝土浇筑的广场,另一侧为素混凝土路面。根据现场钻探资料,工程场地的土层自上而下分为三层摘要:表层为填土(Qm1),层厚为2.5～2.7m,含碎砖块、块石及有机质等,其静力触探比贯入阻力PS=0.83～3.65MPa,承载力fk=60～80kPa,压缩模量ES=3.0～3.5MPa,该层填土土质松软,结构松散,软硬不均,强度低,未经处理不宜作建筑物的基础持力层;第二层为粉质粘土(Qm1+p1),层厚为0.3～2.0m,含少量的氧化铁,其静力触探比贯入阻力PS=0.83～1.85MPa,承载力fk=90～150kPa,压缩模量ES=4.5～6.8MPa;第三层为粘土(Qm1+p1),位于离地面4m以下,该层未钻穿,土质呈硬塑状态,含大量的氧化铁及铁锰结核,其静力触探比贯入阻力PS=3.48～5.10MPa,承载力fk=250～360kPa,压缩模量ES=10.5～15.0MPa,该层粘土分布面广,厚度大,强度高,是良好的基础持力层。工程场地内的地下水类型主要为埋藏于表层填土中的上层滞水,地下水主要受大气降水及地表水入渗补给,水位、水量均受气候变化影响。
网易设计要求该广告牌由18m高的独立钢柱离地面12m后撑起6×18m的矩形钢结构广告灯箱。该地区基本风压为w=0.3kN/m2,地震设防裂度为7度。
广告牌结构设计
网易结构型式的选择独立钢柱大型钢结构广告牌的主体结构,目前常采用的形式有两种摘要:一种为T型,其主骨架由一根独立钢柱和上部一根横向主梁呈T型焊接而成,该体系主体结构受力明确,计算简单,由立柱顶上焊接一根横梁形成固结于地基上的T形刚架结构体系,广告灯箱面板通过各挂件及斜撑和T形刚架结构相连。另一种为桁架式,其主骨架由一根独立钢柱和上部几道相互平行的横向主梁焊接而成,主梁之间由水平及斜向支撑连接,形成空间桁架体系,广告灯箱直接挂靠在主骨架上。
网易经过比选,该广告牌结构型式采用桁架式。其理由是摘要:第一,广告牌结构的控制设计荷载是风载,风压直接功能在面板上,再由面板传至骨架,此时,在不同高程上的几道主梁可把风载较均匀地传至立柱,因而可减小主梁和立柱连接处的应力集中;其次,平行式桁架结构主梁采用槽钢,使结构外形平整,便于广告面板挂靠,并可加强面板和主骨架的连接,从而减小了面板的变形,以确保广告面的感观效果;第三,平行式桁架结构,可在每道主梁高程设置内检修梯,这样给结构的维护、检修及挂、卸广告布带来了极大的方便,且保证了操作人员的人身平安;除此之外,平行式桁架结构,形式简洁、美观,受力明确,节点构造简单,施工方便,从而能保证施工质量。
网易结构布置本工程采用独立钢结构圆柱,通过节点板在三个不同高程搭焊三道横向主梁,主梁之间设置横隔梁和斜向支撑,形成空间桁架受力体系,主、横梁间距主要考虑广告面板骨架网格的布置,并使面板骨架节点和主骨架节点相一致,以加强面板和主骨架的连接。广告牌面板的自身骨架挂焊在主体结构上,形成整体上部结构。主梁选用槽钢,其他构件均选用角钢,型号按构件的强度和变形条件选取。钢立柱截面的选取,除考虑其强度及稳定性外,还要综合考虑广告牌整体尺寸协调及美观等方面的因素。
结构分析
网易荷载和荷载组合结构承受的主要荷载有摘要:1)自重;2)风荷载;3)温度荷载;4)检修活载;5)地震荷载。
网易荷载组合有三类摘要:1)基本组合;2)非凡组合;3)施工吊装。
网易应力分析由于钢立柱为压弯构件,其承载力取决于柱的长细比、支承条件、截面尺寸以及功能于柱上的荷载等,计算表明,钢立柱的承载力一般由稳定控制。上部结构的主梁可简化为刚结或铰结在钢立柱上的悬臂结构,主梁之间由横梁及斜撑铰结形成空间平行组合桁架。内力计算采用有限元程序在计算机上完成。根据钢结构设计理论,对接焊缝在截面不减小的情况下,其强度可达到母材的强度,因而无需验算焊缝应力,但应严格检查焊缝质量及饱满度。上部桁架杆件间的连接主要是角焊缝焊缝承受杆件间的应力传递,其受力大小已由上部结构计算得出,对广告牌之类结构,上部结构杆件受力一般不大,为施焊方便,可用围焊,并统一取焊脚尺寸为hf=10mm,可满足规范要求;但对广告牌面板骨架和主骨架挂点处焊接须逐一核算。
变位控制
网易广告牌立柱高18m,在水平风载功能下会产生顺风向水平位移,上部结构为悬臂桁架,在风载及自重功能下,悬臂端部也会产生相应的变位,假如这些变位过大,将直接影响到广告牌的使用及感观效果,重要的是,这些变位还将引起附加内力,增大结构内部的应力,降低结构的平安性,为此,在广告牌设计中应严格限制变位。根据《钢结构设计规范》(GBJ17%26amp;#0;88)的规定,广告牌水平向设计变位应控制在10mm以内为宜。
基础工程设计
网易基础型式及布置作为该类型广告牌的基础型式主要有两种摘要:一种是平衡重力式,即上部荷载主要由大体积基础重力来平衡,开挖方量大,混凝土用量也较多,但施工简单,节省钢材,适宜在土质松软且有开阔的施工场地时利用。另一种为桩基式,其中又以扩孔桩为主,该类基础可在施工场地受限的情况下采用,其优点是基础施工场面很小,混凝土用量仅为平衡重力式基础的三分之一左右,但施工难度略有增大。
网易由于本广告牌建在某火车站站前广场两侧花坛内,花坛宽仅3m,若放坡开挖基坑,势必破坏两侧的广场混凝土地坪和水泥混凝土路面,其修复工程造价可观,还可能破坏地下埋管,经综合比较,选用了人工挖孔扩底桩基础,使基坑开挖只限在花坛内进行。为了减小孔壁支护的困难,基础上部4m深范围内(表层填土和第二层粉质粘土)不扩孔,采用直径为1.5m的圆孔;从4m深以下(第三层粘土)开始扩孔,以增大基底的受荷面积,来满足地基承载力要求。基底采用方形,尺寸为3×3m,总孔深为6m,基础底下设置十字正交齿墙,以增强基础的抗扭和抗剪切能力。桩基础结构计算在桩基础结构计算中,采用C法和m法两种计算方法。结果表明,两种方法计算结果比较一致,桩身最大弯矩出现在距地面62mm(m法为82mm)处,桩顶最大水平位移为4.86mm(m法为4.78mm)。桩身材料强度和配筋计算,按一般钢筋混凝土结构的偏心受压构件进行。基础设计须考虑轴力、弯矩、扭矩等不同组合的功能,以保证基础本身的强度、刚度及地基的承载力和抗剪强度均满足规范要求。
施工工艺
网易基础工程根据现场地形、地质条件,本基础采用人工挖孔扩底桩,基础底面置于第三层粘土中。基坑开挖时,采用孔壁支护和排水办法,以确保桩孔成形和施工人员的人身平安。基坑开挖完成并经验槽后,马上铺设100mm厚碎石垫层,吊放钢筋骨架,并及时浇筑基础混凝土,预埋锚固螺栓,铺设基础顶部钢筋加强网,在浇至设计标高时,其顶面需用20mm厚1摘要:3水泥砂浆找平,然后加盖螺栓定位及垫座钢板。待基础混凝土养护到规定龄期,需对预埋螺栓进行抗拔试验,以确认螺栓的抗拔承载力是否满足设计要求。钢结构工程所有钢结构构件的连接均采用焊接,上部结构均采用工厂化生产。钢柱用钢板在工厂卷焊而成,上部桁架结构可在工厂拼焊;当梁柱主骨架焊接完成,形成整体上部结构时,应做适当的加载试验,以验证焊缝的质量和主骨架的强度;广告牌面板骨架和镀锌铁皮面板拼接好后,可在地面直接挂焊到主骨架上,以便校正面板表面的不平整度,控制上部结构整体外观效果。吊装定位广告牌的立柱和上部结构在工厂制成后,运往现场进行整体对接。在地面形成的整体广告牌,可用两台吊车从顶、底两个吊位进行整体起吊安装,在广告吊装就位后,用两台经纬仪从相互垂直的两个方向进行纠斜、定位。每个方向的垂直度宜控制在h/2000(h为广告牌高度)以内,且小于20mm。螺栓定位紧固后,宜在适当时机,浇筑素混凝土密封,以防螺栓外露锈蚀。本文提及的广告牌建成后,经过数次台风考验,其垂直度和变位均满足规定要求,而其总造价比同类广告牌节省了20%,现已投入商业使用。
结束语
网易大型钢结构广告牌是在改革开放的经济大潮中产生的新型结构物,具有较强的生命力。大型钢结构广告牌的上部结构构件尺寸,主要受变形、稳定和外观效果控制。对受已建建筑物约束的大型钢结构广告牌,挖孔桩基础是比较平安且经济的基础形式之一。
关键词:钢结构 稳定性 设计
一、钢结构稳定性设计的原则
1、结构整体布置必须必须兼顾整个体系以及组成部分的稳定性要求
我国目前钢结构设计大多都是以平面体系设计为主,设计中的结构体系是结构各组成部分构件构成的。因此在大跨度结构稳定性设计中,结构局部稳定性是保证整体稳定性的关键前提。在设计中需要注意结构各组成部分构件的整体布置,设计有针对性的支撑构件,来保证平面结构构件的结构布置与平面稳定计算之间的一致性。
2、结构计算简图和实用计算方法所依据的简图保持一致
目前设计单层和多层框架结构时,一般以框架柱的稳定计算为准,而不作框架稳定分折。在采用这种方法时,必须通过框架整体稳定分析计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数,才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。但是在实际设计工程中,这种操作方法简便。GBJl7-88规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定中包括:“框架中所有柱子是同时丧失稳定的,即各柱同时达到其临界荷载”。根据这条假定,当设计单层或多层框架结构时,框架各柱的杆件稳定和稳定参数计算的常用方法是依据一定的简化假设或者典型情况得出的,保持结构参数计算方法与前提假设和具体计算对象一致,设计者需确认所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。
3、设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合
设计者处理构造细部时要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接,应分别赋与它足够的刚度和柔度,对桁架节点应尽量减少杆件偏心。但是,当涉及稳定性能时,构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如,简支梁就抗弯强度来说,对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移,同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转,同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲,以符合稳定分析所采取的边界条件。
二、钢结构稳定性设计的特点
钢结构稳定性设计的重点在于找出结构内部抵抗力与外荷载间的不稳定平衡状态。主要从下面几个特点进行设计:
1、计算临界荷载:临界荷载是理想构件平衡路径分支点所对应的载荷。钢结构稳定问题中有一类分支点失稳问题,即完善平板中面受压时的屈曲以及完善直杆轴心受压时的屈曲。这一问题是由建筑钢材做成的偏心受压构件在弹缩性变形时丧失稳定的能力造成的。因此在钢结构稳定性设计中要求得钢结构的临界荷载,避免分支点失稳。根据临界荷载的定义,通常按以下两个基本原理求得临界荷载:①建立构件在微曲状态下屈曲位移与荷载间的微分方程,求其在满足边界条件下的临界载荷解。②在构件微曲状态下建立以屈曲位移和载荷的总势能式:E=U+V(U为变形体应变能;V为外力势能,它等于外力功的负值),然后根据能量法原原理,由总势能一次微分为零,即E0=0的条件可求得临界荷载。
2、失稳和整体刚度:现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法,临界压力是由著名欧拉公式给出的:
,式中E为钢材料特性,I为截面特性,L 为杆的长度。它表明轴心受压的杆件,压力使杆件的弯曲度下降,而当压力达到临界值NE时,杆的弯曲度就会消失。
3、对稳定性进行整体分析:必须从整体着眼进行稳定分析,因为杆件的稳定性来自结构的整体稳定性。
4、二阶弹性分析:这种分析对柔性构件尤为重要,这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响。可按照以下步骤完成:
(1)根据《规范》得,应在每层柱顶附加考虑由下式计算的假想水平力Hni:
其中,Qi为第i楼层的总重力荷载设计值; ns为框架总层数,当0.2+1/ns>1时,取此根号值为1.0;αy为钢材强度影响系数,Q235钢为1.0,Q345钢为1.1,Q390钢为1.2。
(2)①对有侧移的纯框架结构,当采用二阶弹性分析时,各杆杆端的弯矩MⅡ可按下式近似计算:其中MⅠb为假定框架无侧移时按一阶弹性分析求得的各杆端弯矩;MⅠs为各节点侧移时按一阶弹性分析求得的各杆端弯矩;
为考虑二阶效应第i层的侧移弯矩增大系数。
②对于有侧移的纯框架,当采用二阶弹性分析方法计算内力,且在每层柱顶附加假想水平力Hni时, P―Δ效应已在内力分析中计入,柱计算长度系数取1.0,因此柱稳定计算的计算长度就可取其几何长度。
(3) 在解决了以上问题的基础上,根据压弯构件稳定性验算公式进行稳定性设计验算:
三、钢结构稳定性设计中的难点
1、目前梁-柱单元理论已成为网壳结构稳定性的研究中的主要研究工具,但是梁-柱单元并不能确保真实反映网壳结构的受力状态,因此如何反映轴力和弯矩的耦合效应是目前网壳结构稳定性设计中的主要问题。
2、目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围,而在实际工程中,由于如材料(弹性模量,屈服应力,泊松比等)、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等不确定性会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、跳跃型失稳、干扰型屈曲等问题的研究。
3、在统计与稳定性有关的几何量和物理量时,一般只是根据有限样本来选择概率密度分布函数,带有很大程度上的统计信息局限性,造成对稳定性设计的数据依据不够准确。因此在统计时,要结合实践经验和相关规范确定统计信息的准确性。
四、总结
在实际设计中,设计人员应把握钢结构稳定性设计的原则,明确知道结构构件的稳定性能,完善设计方案,达到稳定性要求。同时针对结构构件的失稳的问题进行研究,不断完善钢结构稳定设计理论。
参考文献:
关键词：轻钢结构结构体系组合楼盖
一、前言
轻钢结构住宅相比于传统住宅，有其突出的优点：
（1）轻钢结构配件制作工厂化和机械化程度高，商品化程度高。
（2）现场施工速度快，主要为干作业，有利于文明施工。
（3）钢结构建筑是环保型的可持续发展产品。
（4）自重轻，抗震性能好。
（5）综合经济指标不高于钢筋混凝土结构。
随着我国钢产量的快速增长，对用钢政策由限制用钢到合理用钢到积极用钢，国务院1999年颁发的72号文件提出要发展钢结构住宅产业，在沿海大城市限期停止使用粘土砖。因此开发轻钢结构住宅体系已成为当前住宅结构研究中的热点。不过，多层轻钢结构的研究还处于起动阶段，研究力度还不够，实际设计和施工还存在不少争议和问题。这些都急需解决，以利于轻钢住宅在我国健康快速发展。
二、结构体系选型
对低、多层住宅，目前国内外常用的结构体系主要有：
（一）冷弯薄壁型钢体系
构件用薄钢板冷弯成C形、Z形构件，可单独使用，也可组合使用，杆件间连接采用自攻螺钉。这种体系节点刚性不易保证，抗侧能力较差，一般只用于1～2层住宅或别墅。笔者处理的几个旧房加层，如蓟县国税局、天津港派出所等改造工程，使用了该体系，效果较好。
（二）框架
目前，这种体系在多层钢结构住宅中应用最广。纵横向都设成钢框架，门窗设置灵活，可提供较大的开间，便于用户二次设计，满足各种生活需求。钢框架考虑楼盖的组合作用，运用在低多层住宅中，一般都能满足抗侧要求。但是由于目前框架柱以H型钢为主，弱轴方向梁柱连接的刚性难以保证，因此设计施工时须慎重处理。
（三）框架支撑体系
在风载或地震作用较大区域，为提高体系的抗侧刚度，增加轴交支撑或偏交支撑效果很好。这种体系为多重抗侧体系，而且梁柱节点，柱脚节点可设计成铰接、半刚接，施工构造简单，基础主要承受轴力，体形较小，因此成为人们青睐的对象。
（四）框架剪力墙体系
在低多层住宅中，可以应用传统的剪力墙体系，如钢筋混凝土剪力墙或钢板剪力墙。目前正在研究的空腔结构板是一种理想的抗侧结构。空腔结构板是一种新型的轻质板材，采用黄纸制成具有众多等边空腔结构的板状基架，然后经浸渍而成。该板材与钢框架可靠连接，便可形成新型剪力墙。另外美国，澳大利亚等国还开发了交错桁架体系，比较新颖。
三、主要构件设计
（一）柱
前已述及，钢结构住宅一般为大开间，框架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时应该考虑强柱弱梁的要求。而目前广泛使用的焊接H型钢或I字热轧钢截面，强弱轴惯性矩之比3～10，势必造成材料浪费。因此对于轴压比较大，双向弯矩接近，梁截面较高的框架柱采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱是适宜的。对于方钢管混凝土柱，不仅截面受力合理，同时可以提高框架的侧向刚度，防火性能好，而且结构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。因此，尽管平面受力结构中，选用H型钢或I字钢在受力上还是合理的但总体上，箱形钢管柱尤其是方钢管混凝土柱应得到广泛应用。方钢管混凝土柱将是钢结构住宅发展的主要方向，但由于缺乏相应的规范、规程，目前在住宅中应用还很少。尤其钢管砼梁、柱的连接较为复杂，不利于工厂制作和现场施工，应加大力度开发研究。
（二）楼盖
在多层轻钢房屋中，楼盖结构的选择至关重要，它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外，更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用；另外从抗震角度来看，还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。常用的楼盖结构有：压型钢板－现浇混凝土组合楼板，现浇钢筋混凝土板以及钢－混凝土叠合板，而以第一种最为常用。目前，在多层轻钢房屋整体分析时，还普遍不考虑楼盖与钢梁的组合作用，即使设置抗剪键，也偏保守地假设钢结构承受全部荷载，这样不仅增加材料用量和结构自重，反而会造成强梁弱柱的不利情况。有一6层算例，表1、表2分别反映了考虑楼盖组合作用对梁刚度以及结构整体刚度的影响。
表1截面惯性矩对比
构件名称截面惯性矩组合前后的对比
主梁（负弯矩区）1.51（2.22）1.47
主梁（正弯矩区）1.51（4.28）2.83
次梁0.797（2.48）3.11
注：括号内为考虑年组合作用的情况
表2结构位移对比
结果工况1工况2工况3
楼层梁挠度16.9（10.9）16.9（10.2）/
屋盖梁挠度35.5（35.4）34.3（34.2）/
底层层间位移16.9（10.2）4.8（3.7）8.4（5.9）
顶点位移/18.2（13.8）49.9（31.0）
注：括号内为考虑年组合作用的情况
算例表明，考虑组合作用后主梁的刚度大大增加，使得梁的挠度和地震作用下柱顶的侧移大为减少，此考虑组合作用应予关注。为使楼层高度减到最小，提供更大的空间，组合扁梁楼盖也成为一种趋势。
（三）支撑体系
支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种，前者耐震能力较差，后者在强震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且为门窗洞的布置提供了有利条件，目前国内用的还很少，建议在高烈度区首选偏交支撑。剪切型耗能梁段，加劲肋按以下公式设计：
a＝29tw－d/5,（γp＝±0.09rad）（1）
a＝38tw－d/5,（γp＝±0.06rad）（2）
a＝56tw－d/5,（γp＝±0.03rad）（3）
式中，a―――加劲肋间距，d―――梁高，―――腹板厚度，γp―――塑性转角；弯曲型耗能梁段还需在梁段端点外1.5bf处加设加劲肋。
（四）节点抗震设计
框架梁柱节点一般采用两种连接方法，根据"常用设计法"，即翼缘连接承受全部弯矩，梁腹板只承受全部剪力的假定进行设计。震害表明，这种设计不能有效满足"强节点弱杆件"的抗震要求，在高烈度区隐患很大。改进的框架节点设计，在梁端上下翼缘加焊楔形盖板或者将梁端上下翼缘局部加宽盖板面积或加大的翼缘截面面积主要由大震下的验算公式确定：
式中：为基于极限强度最小值的节点连接最大受弯承载力，全部由局部加大后的翼缘连接承担；为梁件的全塑性受弯承载力；为基于极限强度最小值的节点连接最大受剪承载力，仅由腹板的连接承担；为梁的净跨；为梁在重力荷载代表值作用下按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。
四、结论
1）低、多层轻钢结构住宅考虑楼盖与钢梁的组合作用，可显著减小主梁挠度和柱顶位移。
