多层框架钢结构设计要点

刘晓光

九易庄宸科技（集团）股份有限公司，河北 石家庄 050000

多层框架钢结构常应用于工业建筑与民用建筑施工，在工业建筑中常见于多层工业厂房以及石化项目设备框架和仓库施工，在民用建筑中则常见于商场、宾馆和办公大楼等建筑物。因为多层框架钢结构本身拥有非常好的延展性以及抗震性能，所以在实际施工中被广泛应用。笔者基于钢结构工程设计工作经验，对多层框架钢结构的设计要点进行总结与探讨。

1 多层框架钢结构体系

1.1 纯框架体系

纯框架体系是指在构建框架的过程中，主要由横梁和立柱以及用刚接的形式将构件连接在一起。在纯框架结构当中，主梁之间按照楼板或者承受荷载的位置要求布置次梁，而钢结构的竖向荷载大多数都是通过螺杆及主梁和次梁以及柱子传递给基础。侧向荷载是通过梁及柱的挠曲来承受的，因此在水平力的作用下，梁和柱都会出现剪力及弯曲变形。

1.2 框架支撑体系

在框架当中增加一些支撑可以形成拥有支撑的框架体系，而且框架体系中的支撑杆件会承担非常多的水平侧力，增加框架自身的抗侧刚度。对于框架支撑体系而言，支撑的构件会承受轴向拉力或压力，因此轴向的变形刚度与框架梁柱杆件之间的抗弯刚度相比会更大。在水平力的作用下框架本身出现的变形是剪切变形，因而底层间位移会变大，但是对于支撑体系来说，出现的变形是弯曲变形，底部产生的位移比较小，在两者的共同作用下建筑物下方出现的层间位移会变得非常小。

2 多层框架钢结构构件

2.1 框架梁构件

在多层框架钢结构设计过程中，框架梁大多是按照受弯构件进行强度及稳定度和高度计算分析的，因此型钢梁的截面在选择的过程中主要依靠内力分析计算所得结果，确定型钢梁的危险截面最不利弯矩，然后根据型钢梁的抗拉强度设计值得到框架梁的净截面抵抗矩，再在型钢规格表当中选择型钢的型号。如果型钢本身的强度不满足要求，实际设计中需要选取截面板件厚度级别更大的型钢；如果型钢本身的抗弯性能不满足要求，则需要增加型钢的翼缘厚度；如果型钢本身的抗剪性能不满足实际设计需要，则需要增加腹板厚度。除此之外，若变形性能不满足实际设计需要，那么需要通过增加构件的截面高度来提高变形性能。多层钢结构框架如图1所示。

图1 多层钢结构框架

2.2 框架柱构件

对于框架柱结构，如果其自身所受弯矩比较小，那么可以认为框架柱是轴压柱，因为框架柱不是独立存在的，是整个框架结构当中的一部分，所以框架柱两端会受到和框架柱相邻的构件所产生的约束。在对多层框架柱进行稳定数据验算的过程中，最规范的验算方法是长度系数法。又因为框架柱本身属于压弯构件，所以在确定长细比之后，可以依靠内力分析结果并配合一些简单的计算公式对截面尺寸进行初步估算。估算结束之后，通过多次强度验算以及刚度验算和整体稳定验算得到最终框架柱的合理截面。

2.3 支撑构件

在多层框架钢结构设计过程中，对于支撑构件，大多都选择双轴对称截面，如H型钢以及工字钢和双槽钢组合截面等都属于双轴对称截面。在一些特殊情况下，也可以选择使用单轴对称截面，如双角钢组合形成的T形截面，但在实际应用过程中为了避免支撑构件绕对称轴失去稳定性，需要采取合理的措施来保障其稳定性。针对支撑构件开展计算工作时，通常是按照轴向受力构件开展计算工作，对于一些地震效应比较多的地区采用支撑构件时，还需要对支撑斜杆的稳定性进行验算。支撑构件本身的形心线需要通过梁和柱轴线的交点，而且要尽可能保证不会出现节点附加力矩，同时支撑构件的端部节点可以根据设计要求设计成刚接，或设计成铰接。

3 多层框架钢结构节点设计

在多层框架钢结构中，节点的连接主要是为了保障钢结构本身的安全性，故节点连接是结构安全性保障的最关键内容，这也就对结构的受力性提出了更高的要求。节点是多层框架钢结构中构件和构件之间的连接部位，其本身的受力情况非常复杂，尤其是在一些结构当中节点处容易出现局部变形或者应力集中现象，这种情况下的节点设计及验算工作都具有非常大的难度。对于多层框架钢结构而言，最基本的组成构件是梁柱和支撑，故在整个框架结构体系中出现的节点主要包括梁柱节点、柱脚节点、主次梁节点，以及柱柱和梁梁拼接节点、支撑与柱节点。若以构造形式和力学特性来分类，那么节点又可以分为铰接节点以及半刚和刚性节点。如果根据连接形式及方法进行区分，又可以将节点分成焊接和高强螺栓节点两种。高强螺栓连接和全焊连接如图2、图3所示。

图2 高强螺栓连接

图3 全焊连接

在对多层框架钢结构进行节点设计时，需要按照以下原则开展设计工作。首先，要保证节点的受力情况简单且明确，最终计算分析出的节点应当和多层框架钢结构的实际情况保持一致。其次，在设计节点的过程中，应当确保节点连接处有足够的强度，而且节点被破坏不能够比构件被破坏更早，这主要是因为节点的主要作用是连接各构件，如果节点早于构件被破坏，那么整个框架稳定性都会受到影响。再次，应当确保节点有较好的延性，这是为了使连接处有良好的灵活性以及延展性，保证各构件在动作的过程中不会被破坏。最后，在拼接构件的过程中，要根据强度原则进行设计并拼接。

4 多层框架钢结构的抗震概念设计

多层框架钢结构的抗震概念设计主要按照如下几个方面来完成。首先，在设计的过程中所选择的方案应当具有更好的延性，也就是说要选择延性比较好的全钢接框架以及部分钢接框架，严格禁止使用全铰接框架和支撑结构形式。其次，应当组建多道结构防线。在抗震结构设计的过程中，要全方位落实强节点弱构件理念，即节点的极限承载力要比构件的极限承载力更大，这样才能保证在地震的作用下节点本身不会比构件更早被破坏，使框架整体的稳定性与安全性得到保障。再次，要贯彻落实强柱弱梁的理念。最后，是设计的过程中，为了应对罕见的地震作用，需要增设偏心支撑。

5 结束语

多层框架钢结构最主要的特点是在实际施工过程中更加灵活且更加方便，具备更好的抗震性及抗剪性能，因而被广泛应用于当前的工业领域、建筑领域。在开展相应的设计工作时，要保证多层框架钢结构的设计质量，从而保障施工质量及工程质量。相关的设计工作人员要不断研究并掌握多层框架钢结构设计工作的规范及要点，这样才能更好地提升钢结构设计水平。