摘 要：本文以某一带大跨度屋面的两层钢结构工程为例，比较了钢框架结构体系和钢框架－中心支撑体系的平面布置要点和计算结果，提出了两种结构体系在设计中应引起的注意问题。
关键词：钢框架结构；钢框架－中心支撑结构；地震力；层剪力；倾覆弯矩
1008-0422（2012）08-0117-02
1前言
近年来，我国的建筑发展迅速，建筑的使用功能也日趋多元化和复杂化，建筑上对大空间的要求也越来越多，很多建筑物经常要求除屋面外的楼层为普通的办公或商业，屋顶则需要大跨度的使用空间。对于这种类型的多层钢结构工程，有些结构设计人员常常把它理解为钢框架结构和门式刚架的组合，从而导致在设计中，屋面以下执行钢框架的相关规范，屋顶则执行门式刚架的相关规范。这样的处理，从结构概念方面考虑，势必过于简单化，而且常常带来结构的不安全。解决类似这样的钢结构，整个建筑物的结构类型选择和局部构件的合理处理，往往成为带大跨度屋面的钢结构设计的一大关键技术。在结构类型的选择上，对于多层房屋来说，钢框架结构和钢框架－中心支撑结构都是可行的，但是两种结构体系在设计上，无论是在技术上还是在经济上，还是有着较大的差异。
2工程概况
本工程长为54m，宽为24m，共两层，层高均为4.5m。抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，地震加速度为0.10g，场地类别为Ⅳ类。风荷载为0.55KN/m2。底层为办公和商业，二层为仓库，中间的钢柱均不能升至屋面，活荷载为5.0KN/m2。由于需要缩短施工工期，故除屋面大跨度梁采用工厂加工制作，其余构件均采用国标型钢。方案初期，采用了钢框架和钢框架－中心支撑两种结构体系进行了比较，最终确定为钢框架结构体系（见图1、图2）。基础采用了桩基础，基础之间设置了基础拉梁。
3钢框架结构和钢框架－中心支撑结构的布置
采用钢框架结构体系时（见图1），在1轴和10轴的钢柱通高采用方管400×12，在A轴和摘自：毕业论文格式要求www.808so.com
E轴的2至9轴的钢柱通高采用方管300×12，一层其余钢柱采用方管250×12；GKL1采用了400×200×8×13的H型钢，GKL2和GL1均采用了346×174×6×9的H型钢，屋面GJ1采用了变截面的H钢（型号为500~700×180×6×8，每隔3m设置角隅撑）；屋面GXG采用了圆管89×4；屋面水平支撑采用了带花篮螺栓的20圆钢。钢框架的框架柱和框架梁的抗震等级为四级，屋面大跨度梁承受的荷载较小（屋面采用夹芯板），与钢框柱连接的端部执行《抗规》8.2.5条，高厚比适当比《抗规》适当放大至100，适当利用屈曲后的强度。在屋面B、C、D轴的端跨处，仍然采用钢框架梁，与相邻跨的屋面梁GJ1处设置为铰接，以减少与此相连的框架柱在X方向的长细比过大，避免造成用钢量的加大。这些梁除满足作为框架梁的承载力的要求外，还需满足作为屋面刚性系杆对长细比的要求。屋面设置纵横交错的支撑系统，以保证整个屋面偏向刚性楼板系统，从而达到屋面钢柱在两个方向上的位移协调，这样容易满足相关规范的要求。二层楼板采用钢承板和砼组合楼板，屋面采用轻型钢板。整个建筑物的结构构件均采用Q235B钢材，最终的主钢材用量为103吨，平均用钢量约为40Kg/m2。
采用钢框架－中心支撑体系时，则是在X方向设置一定数量的中心支撑，本工程是在A轴和E轴的两个端跨和中间跨自下而上采用支撑，在一层的两个端跨和中间跨也设置支撑，在X方向所有与钢框架柱相连的梁均采用铰接连接，在Y方向设置为钢框架。钢框架和中心支撑系统的抗震等级均为四级，同钢框架体系相比，屋面均不设置框架梁，在X方向均采用圆管89×4的刚性系杆替代，除中心支撑执行《抗规》的四级抗震外，其余刚性系杆均按照长细比200的要求和传递水平力计算。所有的钢框架柱均与钢框架结构的相同，中心支撑采用十字交叉支撑，支撑采用250×250×9×14的H型钢，钢材均采用Q235B，最终的主钢材用量为123吨，平均用钢量约为47.5Kg/m2。
4钢框架结构和钢框架－中心支撑结构的设计比较
钢框架结构体系是在纵、横两个方向均为刚接框架，其承载能力及空间刚度均由刚接框架提供，适用于柱距较大而又无法设置支撑的建筑物，其特点为节点构造较复杂，结构使用空间大。在设计中，应考虑柱网及梁系的布置合理，纵向及横向刚度可靠、均匀，构件的传力明确，类型统一，以及节点构造简化，便于施工等基本要求。同时，与框架结构体系相应的各层楼（屋）盖均应采用平面刚性楼盖，以保证整体空间刚度及空间协调工作。钢框架－中心支撑即为在一个方向（多为纵向）为柱－支撑体系，另一个方向（多为横向）为纯框架体系的混合体系。其特点为一个方向无支撑便于生产或人流等建筑物的安排，又适当考虑了简化设计、施工等要求，为实际工程中得到应用的体系，比较适合于平面纵向较长、横向较短的建筑物。在设计中，需考虑柱间支撑设置的间距，支撑之间楼盖的长宽比不宜大于3。
对于类似本工程的平面布置，采用钢框架结构体系时，两个方向的刚度差异比较小，两个方向的平动周期和位移也比较接近。在水平力作用下，钢框架的变形主要以剪切变形为主，框架整体弯曲变形较少，一般占总侧移的10~20%；若采用钢框架－中心支撑结构体系时，两个方向的刚度差异通常比较大，两个方向的平动周期和位移差异较大，往往在第二周期出现较大扭转因子。在水平力作用下，支撑系统的侧向变形以整体弯曲变形为主，剪切变形较少。经计算，两种结构体系的周期和层间最大位移角见表1。
从表1分析，两个结构体系在Y方向的刚度基本一致，主要是X方向的刚度差异很明显，导致两种结构体系的周期和层间位移角差异也较大。
由于两种结构体系在Y方向上的刚度接近，故在Y方向上的地震力、层地震剪力和地震倾覆弯矩基本接近。但是，在X方向上的刚度有差异，周期也不相同，根据地震影响系数计算的地震力结果差异也比较大，导致两种结构体系在X方向上的地震力、层地震剪力和地震倾覆弯矩相应较为明显（见图3）。
从上述计算指标分析，带大跨度屋面的两层钢结构建筑物，采用钢框架结构相对是比较合理和经济的。从结构概念上分析，这种结构是比较符合抗震的要求，结合目前的抗震性能设计，则需根据关键部位构件的重要性合理采取相应的措施，以保证整体结构作用变形的协调一致性和合理性。
5结语
5.1带大跨度屋面的两层钢结构设计，并不能简单地理解为钢框架和门式刚架结构的组合，这样的理解往往难以实现上下结构的统一性。
5.2带大跨度屋面的两层钢结构设计前，应根据整个建筑物的使用功能、大空间荷载的大小和动静载荷形式等，分析采用那种结构体系更为合理，本文中的布置则是钢框架更为合理。
5.3确定了整个建筑物的结构体系之后，应在概念上把握设计中的关键技术，如本工程中屋顶平面内的刚性要求和水平力的传递、钢框柱在两个方向上长细比的合理性。
5.4带大跨度屋面的两层钢结构设计，还需结合目前的性能设计要求，合理确定部分构件的重要性，采取相应的处理措施，以避免造成材料成本上的增加。
参考文献：
GB50011-2010.建筑抗震设计规范.
CECS102:2002.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程.
[3]GB50017-2003.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程.
[4]李国强编著.多高层建筑钢结构设计.2004.
[5]包头钢铁设计研究院 中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会编著.钢结构设计与计算.2001.
带大跨度屋面两层钢结构设计
更新时间：2024-02-21
作者：用户投稿
本站原创
本站原创
点赞:20800 浏览:94326