基于结构体系可靠度的钢框架结构设计方法探究

摘 要：钢框架结构具有结构相对简单、施工方便、工期比较短以及良好的抗震性等优点，在工业和民用建筑中利用的比较多。钢框架结构是一种比较常见也是利用率比较高的一种钢结构，随着建筑业的快速发展，钢框架结构得到了人们的关注。加强钢框架结构的稳定性和可靠性设计也成为了人们研究的热点，本文将围绕钢框架结构体系的稳定性的设计进行阐述。

关键词：钢框架；结构；可靠性；应力

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）07-0014-02

钢框架是利用钢材作为材料，利用钢梁和钢柱来承受建筑物的垂直和水平应力的结构，在一些大跨度或者需要承担较大荷载的工业厂房以及部分民用建筑中用的比较多，在国外的影响高层建筑中，钢框架结构得到比较广泛的利用，例如美国的芝加哥西尔斯大厦和著名的纽约帝国大厦，都利用了这种结构。在工业厂房中主要是在影响有重型吊车和跨度较大的结构在用的比较广泛，其中钢框架可以分为单阶和双阶柱，钢框架主要用来承受楼板或者屋面的荷载、地震荷载以及水平方向上的风荷载等，钢杆件一般利用焊接的方法进行连接，铆接和高强度螺栓也用的比较多。

1 钢框架的特点

利用钢框架结构可以充分的利用和扩展建筑的空间，由于其主截面相对比较小，可以有效的增加建筑面积，形成比较大的利用空间，而且其结构之间的刚度分布比较均匀，施工布置上比较灵活，构造相对比较简单，施工容易实现而且速度快，工期相对比较短。具有比较好的抗震性能，由于钢材具有非常好的强度和剪切性能，以及拉伸和扭转等机械性能，可以很好的抵抗地震的破坏外力，使钢框架具有比较突出的抵抗地震的变形能力。而且钢框架结构和其它的建筑结构相比，自主比较轻，可以有效的减少建筑结构的自重对于基础的荷载和应力，增强基础的抗地震能力。

2 加强钢框架结构可靠性设计的意义

钢框架结构是指沿房屋的横向和纵向用钢柱或者钢梁组成的框架结构，这种框架结构主要用来作为承重和抵抗侧力的结构体系。钢框架在工业厂房的建设中应用的比较多，是一种比较常见的结构体系，在建筑领域中也得到了快速的发展，在生活和生产中得到了比较广泛的应用。钢框架梁柱连接的形式直接的影响到了框架的受力，也影响到了钢框架的刚度和可靠性。由于钢框架本身的侧向刚度比较小，在水平荷载的作用下容易产生二阶效应，在地震时，二阶效应更加明显，容易引起结构中非结构性构件的破坏。钢框架结构在竖直应力的作用下，导致钢框架主的轴向应力随着层数的增多自上而下逐渐的表达，特别是位于地层的钢框架柱的应力相对比较大，钢框架梁和框架柱上的其他应力如剪力和弯矩则没有随着空间位置的变动而又显著的增加。在水平应力的作用下，框架柱和框架梁中的能力，如弯矩、剪力和轴向力都随着层数自上而下而逐渐的增大，常常在底层的框架梁的梁端的内力最大，这些因素都影响了钢框架结构的可靠性和稳定性。

3 钢框架结构的设计方法

根据钢结构设计的有关规定，钢框架结构的内力应当满足以下两个条件：

3.1 框结构可以用一阶弹性分析的方法

3.2 对于的框架结构，通常采用二阶弹性分析的方法

其中，式子中的∑N表示楼层中轴心应力总和设计的数值；∑H表示产生层间侧位移△μ的楼层和各个楼层的水平应力的和；[△μ]表示按照一阶弹性分析时所得到的楼层间的侧位移，如果需要用二阶弹性分析时，[△μ]可以取 [△μ]来进行计算，h表示需要计算的楼层的层高。在研究钢框架结构的稳定性和可靠性时，就需要对钢框架的内力、位移以及位移对内力的影响，然后根据变形后的结构体系建立平衡条件，即考虑P-△的影响影响。所以在钢框架结构的设计中通常采用二阶分析的方法，对于没有侧位移的钢框架，由于没有P-△的影响，只有P-δ的影响效应，在这种情况下可以使用长度计算的方法。

长度计算法就是通过结构体系中的系数μ来计算框架中柱子的稳定性，进而来考虑整个结构体系的可靠性和稳定性，这种方法看似是只是对柱子进行计算，但是由于长度系数μ，所以其计算结果就是整个钢框架结构的结构，就是对钢框架结构的可靠性和稳定性的计算。为了计算无测位移钢框架结构长度，可以根据弹性稳定理论，做以下假设：在发生失稳时横梁的两端的角度的变形情况相同；钢框架只承受到了对于节点的竖向应力，可以忽略水平应力和横梁内力对钢框架端口处弯矩的影响；当钢框架所有的柱子发生失稳时，也就是表明钢框架所有的柱子达到了临界应力条件。按照规范给出的计算柱子长度系数的表格中的数据，其中变量K1、K2分别表示在柱子上下端口节点的横梁线刚度的和与柱线刚度和的比值，当横梁和柱子铰接时，横梁线的刚度为零，当柱子和基础刚连接时，可以取K2=10。结果整理和计算可以得到长度系数μ的近似计算公式，可以得到梁柱线刚度的比值在不同情况下的规律。

没有侧位移情况的单层或者多层钢框架的底层柱的长度系数的计算方法，当底层柱进行刚度固定时，可以取K2=10进行计算，得到长度系数，关系线如图1所示。

图 1

当柱脚采用铰支固定时，取K2=0，可以得到，其关系线如图2所示。

图 2

有侧位移的单层或者多层钢框架底层柱的长度系数的计算方法，当柱子采用刚度固定时，取K2=10进行计算，得到，其关系变化曲线如图3所示。

图 3

当柱脚采用铰支固定时， 取K2=0， 可以得到，其关系线如图4所示。

图 4

通过上面的公式可以看到，随着K1、K2的增大，长度系数μ会逐渐的减小。

在运用二阶弹性分析时，按照规范的要求，要在每层柱顶加上一个假想的水平力Hni，Hni的计算方法如下式所示：

式中，Qi表示第i层楼层的全部重力荷载的设计值，ns表示钢框架在全部层数，当时，取值为1，αr表示钢框架材料的强度影响系数，按照有关标准规定，Q235钢材为1.0，Q390钢材为1.0，Q345为1.1。

对于有侧位移的钢框架结构在利用二阶弹性方法分析时，其中各个杆杆端的弯矩可以按照下式进行近似计算：

式中，Mivb表示钢框架在没有侧位移时按照一阶弹性分析的方法得到的各个杆端的弯矩，Mivs表示其中各杆节点在进行侧位移时按照一阶弹性分析的方法得到各个杆端的弯矩，表示二阶效应时第i层的侧位移弯矩增大的系数。对于具有侧位移的钢框架，在利用一阶弹性分析的方法计算钢框架的内力时，柱子的长度系数按照有侧位移的钢框架的有关规定来选择。如果要利用二阶弹性分析的方法来计算钢框架的内力时，需要在每层柱顶加上一个假想的水平应力Hni，还要考虑P-△的影响，柱子的计算长度可以选择几何长度进行计算。稳定性的设计值可以按照下式进行验证：

式中，φx表示截面系数，可以查表得到；，μ′表示为长度系数，是在原来的长度系数的基础上乘以放大系数得到的。

钢框架的稳定性和可靠性和横梁和柱脚的连接方式有很大的关系，也和柱子本身的截面特点有关，随着横梁刚度的不断变大，钢框架的稳定性也会不断的提高。在针对钢框架稳定性和可靠性设计时，对于有侧位移的钢架，需要考虑在应力作用下钢框架的二阶效应，如果≤0.01，这个时候可以不考虑钢框架的二阶效应，可以直接利用计算长度的方法；如果>0.1时，在用计算长度方法进行计算时存在不准确的现象，需要进一步的考虑到钢框架的二阶效应。

对于钢框架结构稳定性和可靠性的设计主要是分析和验证各个构件结构的应力，使它们能够达到稳定性的要求。在进行设计时可以对整个结构体系进行整体的一阶分析，然后确定其中各个结构的最大应力或者失稳应力；然后利用具体的公式对各个构件进行计算。在利用计算长度系数的方法来确定钢框架结构整体和部分构建的相互作用方面，具有比较突出的优点，其内力的计算和分析相对比较简单，而且还可以利用叠加的方法计算总应力。在工程实践中，这种方法具有非常好的可靠性，所以得到了设计人员的广泛的利用。随着电子计算机技术和有限元分析技术的发展，一些具有更加可靠性的设计方法也得到了人们的重视，比较突出的是高等分析的方法，有可能成为将来结构设计的主要方法。

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作者简介：谢复久（1981-），男，甘肃省武威市人，中级工程师，本科。研究方向：工业与民用建筑。