緒論：寫作既是個人情感的抒發，也是對學術真理的探索，歡迎閱讀由發表云整理的11篇鋼結構設計論文范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發。

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鋼材受自然因素影響較大，一旦長時間暴露在室外環境中，就極易被銹蝕，不僅鋼材的外觀會深受影響，鋼材的質量也會大打折扣。因此，在鋼結構建筑設計中鋼材防腐問題也是必須引起高度重視。當前，鋼結構建筑設計中對于防腐方面問題的解決方法通常是采用涂抹防腐涂料的措施。設計人員會根據鋼結構建筑的要求選用合適的防腐涂料，并要求施工人員在施工中嚴格按照相關要求規范進行操作。此外，對于鋼結構構件也有不同的要求，例如有的構件在出廠前需要涂刷一層底漆。在鋼材上涂抹防腐涂料就目前來看是最為有效的防腐措施。但是這樣做只是基礎性的防腐，因而為了提高鋼結構的防腐效果，就必須選用耐候鋼作為鋼結構建筑的首選材料，并利用熱浸鍍鋅技術對其進行處理，利用鍍層，達到保護鋼結構不被腐蝕，尤其是應加強有機涂料配套技術的應用，以及陰極保護技術的應用，才能更好地確保其防腐性能得到有效的提升。

1.2鋼結構設計在物理方面的問題及對策

1.2.1噪聲問題及對策

噪聲問題是現代建筑中最為常見的問題之一，且一直沒有得到徹底的解決。怎樣有效降低噪聲已經成為當前建筑學中的重要研究課題之一。人類耳朵能夠聽到許多種聲音，而這些聲音又大致能夠分為兩類，一類是無害悅耳的聲音，例如音樂聲、鳥鳴聲等;另一類則是有害的噪聲，例如各種機械發出的轟鳴聲，刺耳的喇叭聲等。一般情況下，建筑使用功能的不同對隔音的效果要求也不同，例如大型商場建筑，其隔音效果要求較低;尋求安靜的住宅建筑隔音效果要求就較高，這就需要設計人員根據建筑使用功能以及隔音效果的不同要求進行專門的設計。在鋼結構建筑設計中所采用的隔音措施主要有:使用隔聲門、隔聲窗，并在建筑或需隔音的房間外墻上使用隔聲性能較好的材料。根據建筑使用功能的不同，其對吸音的效果要求也不相同。例如音樂廳類型的建筑，其主要使用功能就是讓人類的耳朵吸收發出的音樂聲，所以在音樂廳類型的建筑中通常會在頂棚增加反射板用來反射聲音，若是音樂廳中的聲音無法反射，那么人類的耳朵所聽到的聲音就會有缺失，甚至是聽不到聲音。當前，解決吸音問題的主要措施有兩種:第一種是科學的設計吸聲結構，例如孔石膏板吊頂。第二種是采用先進的吸聲材料，例如玻璃、巖棉等吸聲性能較好的材料。

2建筑工程中鋼結構設計的穩定性與設計要點

2.1建筑工程中鋼結構穩定設計的特點

建筑工程中鋼結構穩定設計的特點主要表現為:第一，鋼結構的多樣性。建筑工程中鋼結構設計方面的問題直接影響著鋼結構的穩定性，特別是承荷載力大的鋼結構部位，在進行這類鋼結構部位設計時必須進行多方面的考慮，并對鋼結構的穩定性進行認真分析、探究。第二，鋼結構的整體性。鋼結構建筑是由多種構件共同組成的一個整體，任何一個構件所具有的作用都是不容忽視的，若是當任意一個構件出現問題，例如失穩、變形等情況，那么必定會對其他構件造成影響，最終導致鋼結構整體穩定性出現問題。

2.2鋼結構穩定性的計算方法

(1)整體剛度計算。在現行的鋼結構計算規范中，通用的計算方法是軸心壓桿穩定計算方法，其主要采用是折減系數方法和臨界壓力求解法。其中，臨界壓力由歐拉公式給出。(2)整體穩定性分析。鋼結構建筑是由多種構件共同組成的一個整體，其整體穩定性受各種構件的制約較大，各構件之間是否具有良好的穩定性，是確保鋼結構整體穩定性的前提基礎。所以，應對其整體穩定性進行分析。(3)其他特點的穩定計算。鋼結構的各種組成構件又能分為兩大類，為彈性構件和柔性構件，因而，在進行鋼結構穩定性時應重視這一特點。由于柔性構件容易發生變形，進而導致鋼結構內部也發生變化，最終對鋼結構整體穩定性產生嚴重的影響，所以，必須重視柔性構件的分析。

2.3鋼結構穩定性的分析方法

(1)靜力法。靜力法的分析原理是結合已經出現了微小變形后的一些結構受力的條件，并根據這些條件來建立相對平衡的微分方程。通過建立的微分方程仔細的計算出構件受力的臨界相關荷載。在實際中應用靜力法構件平衡微分方程時，應遵循相關設定，具體表現為:直桿構件應該為截面，其壓力應始終遵循之前的軸線進行作用。(2)動力法。當鋼結構的結構體系處于平衡狀態下時，若是受到一定的干擾，那么整個結構體系就會產生振動，這時應采用動力法對鋼結構的穩定性進行分析。鋼結構整體穩定性與其所承受的荷載有著密切關聯，在鋼結構出現變形以及鋼結構振動加速時，這種聯系更加緊密。若是鋼結構所承受的荷載值低于鋼結構自身穩定性的極限荷載值時，會出現加速度和之前的鋼結構變形的具體方向相反的狀況。(3)能量法。若是在實際應用中鋼結構載著保守力并且已經具備結構變形的相關受力條件，那么就能以此條件構建總體勢能。如果要計算鋼結構的總體勢能，則必須滿足一個前提條件，即鋼結構處于相對平衡的狀態下。

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最為現代最重要的建筑材料，鋼是在19世紀被引入到建筑中的，鋼實質上是鐵和少量碳的合金，一直要通過費力的過程被制造，所以那時的鋼僅僅被用在一些特殊用途，例如制造劍刃。1856年貝塞麥煉鋼發發明以來，剛才能以低價大量獲得。剛最顯著的特點就是它的抗拉強度，也就是說，當作用在剛上的荷載小于其抗拉強度荷載時，剛不會失去它的強度，正如我們所看到的，而該荷載足以將其他材料都拉斷。新的合金又進一步加強了鋼的強度，與此同時，也消除了一些它的缺陷，比如疲勞破壞。

鋼作為建筑材料有很多優點。在結構中使用的鋼材成為低碳鋼。與鑄鐵相比，它更有彈性。除非達到彈性極限，一旦巴赫在曲調，它就會恢復原狀。即使荷載超出彈性和在很多，低碳鋼也只是屈服，而不會直接斷裂。然而鑄鐵雖然強度較高，卻非常脆，如果超負荷，就會沒有征兆的突然斷裂。鋼在拉力（拉伸）和壓力作用下同樣具有高強度這是鋼優于以前其他結構金屬以及砌磚工程、磚石結構、混凝土或木材等建筑材料的優點，這些材料雖然抗壓，但卻不抗拉。因此，鋼筋被用于制造鋼筋混凝土——混凝土抵抗壓力，鋼筋抵抗拉力。

在鋼筋框架建筑中，用來支撐樓板和墻的水平梁也是靠豎向鋼柱支撐，通常叫做支柱，除了最底層的樓板是靠地基支撐以外，整個結構的負荷都是通過支柱傳送到地基上。平屋面的構造方式和樓板相同，而坡屋頂是靠中空的鋼制個構架，又成為三角形桁架，或者鋼制斜掾支撐。

一座建筑物的鋼構架設計是從屋頂向下進行的。所有的荷載，不管是恒荷載還是活荷載（包括風荷載），都要按照連續水平面進行計算，直到每一根柱的荷載確定下來，并相應的對基礎進行設計。利用這些信息，結構設計師算出整個結構需要的鋼構件的規格、形狀，以及連接細節。對于屋頂桁架和格構梁，設計師利用“三角剖分”的方法，因為三角形是唯一的固有剛度的結構。因此，格構框架幾乎都是有一系列三角形組成。 鋼結構可以分成三大類：一是框架結構。其構件包括抗拉構件、梁構件、柱構件，以及壓彎構件；二是殼體結構。其中主要是軸向應力；三是懸掛結構。其中軸向拉應力是最主要的受力體系。

網架結構 這是剛結構最典型的一種。多層建筑通常包括梁和柱，一般是剛性連接或是簡單的通過沿著提供穩定性的斜向支撐方向在端部連接。盡管多層建筑是三維的，但通常某個方向即某一維度要比其他維度剛度更大，所以，其有理由被當做是一系列的平面框架。然而，如果一個框架中某一平面上的構建的特性可以影響其他平面的特性，這個框架就必須當做一個三維框架來考慮。

網殼結構 在這類結構中，殼體除了參與傳遞荷載外，還有其他實用功能。許多殼體結構中，框架結構也會與殼體一起組合使用。再強和平屋頂上“外殼”構件也和框架結構一起承擔壓力。

懸掛結構 在懸掛結構中，張拉索是主要的受力構件。屋面也可以有索支撐。這種形式的結構主要是吊橋。這種結構的子系統，是有框架結構組成，就像加勁桁架支撐索橋。由于這種張拉構建能夠最有效的承擔荷載，結構中的這種設計理念被越來越廣泛的應用。

很多不尋常的結構，是由框架、殼體以及懸掛結構的不同組合形式建造。

在美國，鋼結構的設計主要依據是美國鋼結構協會頒布的規范。這些規范是很多學者和一線工程師的經驗所得。這些研究成果被綜合處理成一套既安全又經濟的設計理念的設計程序。設計過程中數字計算機的出現促使更加精妙可行的設計規則產生。

規范包括一系列保證安全性的規則，盡管如此，設計者必須理解規則的適用性，否則，很可能導致荒謬的、非常不經濟的、有時甚至是不安全的設計結果。

建筑規則有時等同于規范。這些規則涉及所有有關安全性的方面，例如結構設計、建筑細節、防火、暖氣和空調、管路系統、衛生系統以及照明系統。

結構和結構構件必須具有足夠的強度、剛度、韌性，以在結構的使用中充分發揮其功能。設計必須提供足夠的強度儲備，以承當使用期間的荷載，也就是說，建筑物不需承擔可能的超負荷。改變某一結構原來的使用用途，或者由于在結構分析中采用了過度簡化的方法而低估了荷載作用，以及施工程序的變更會造成結構的超載。即使在允許范圍內，構建尺寸的偏差也可導致某個構件低于他所計算的強度。

不管采用哪些設計原理，結構設計必須提供足夠的安全性。必需預防超負荷和強度的不足情況。在過去的三十年里，如何保證設計安全性的研究一直在繼續。使用各種不同的概率方法來研究構件、連接件或者系統的失效可能性。

此外，由于結構鋼構件相當高的造價，與人工安裝費用相比，材料采購成本是巨大的。與其他總承包合同中所涉及的混凝土工程、砌筑工程以及土木工程不同，與人工安

裝費用相比，鋼構件的材料成本是相當大的。

隨著鋼結構建筑的發展，鋼結構住宅建筑技術也必將不斷的成熟，大量的適合鋼結構住宅的新材料也將不斷的涌現，同時，鋼結構行業建筑規范、建筑的標準也將隨之逐漸完善。相信不久的將來，鋼結構住宅必然會給住宅產業和建筑行業帶來一聲深層次的革命，鋼結構的應用前景廣闊！

英文翻譯：

Steel Structure

Steel in one form or another is now probably the most widely used material in the world for building construction. For the framings it has almost entirely replaced timber, except for rather special work, and it has superseded its immediate predecessors, cast iron and wrought iron, for pidges and structural frameworks in general.

Steel , the most important construction material of modern times, was introduced in the nineteenth century. Steel, basically an alloy of iron and a small amount of carbon, had been mad up to that time by a laborious process that restricted it to such special uses as sword blades. After the invention of the Bessemer process in 1856, steel was available in large

quantities at low prices. The enormous advantage of steel is its tensile strength; that is, it dose not lose its strength when it is under a calculated degree of tension, a force which, as we have seen, tends to pull apart many materials. New alloys have further increased the strength of steel and eliminated some of its problems, such as fatigue.

Steel has great advantages for buildings. The steel normally used for structures is known as mild steel; compared with cast iron it is resilient and, up to a point known as the “elastic limit” it will recover its initial shape when the load on it is removed. Even if its loading is increased by considerable margin beyond the elastic limit, it will bend and will stay bent without peaking; whereas cast iron, though strong, is notoriously pittle and, if overloaded, will peak suddenly without warning. Steel is also equally strong in both tension (stretching) and compression, which gives it an advantage over the earlier structural metals and over other building materials such as pickwork, masonry, concrete, or timber, which are strong in compression but weak in tension. It is for this reason that steel rods are used in reinforced

concrete—the concrete resisting all compressive stresses while the steel rods take up all the tensile (stretching) forces.

In steel-framed building, the horizontal girders which carry the floors and walls are

themselves supported on vertical steel posts,

Known as “stanchions” , which transfer the whole load of a building down to the

foundations, except for the lowest floor which rests on the ground itself. A flat roof is framed in the same way as a floor. A sloping roof is carried on open steel lattice frames called roof trusses or on steel sloping rafters.

The steel framework of a building is designed from the roof downwards, all the loading, both “dead” and “live” (including wind forces) , being calculated at successive levels until the total weight carried by each stanchion is determined and the foundations designed accordingly. Whih this information the structural designer calculated the sizes and shapes of the steel parts needed in the whole structure, as wall as details of all the connexions. For roof trusses and lattice girders, he uses the method of “triangulation” because a triangle is the only open frame which is inherently rigid. Therefore, lattice frameworks are nearly always built up from a series of triangles.

Steel structures may be divided into three general categories: (a) framed structures,

where elements may consist of tension member, columns, beams, and members under

combined bending and axial load; (b) shell-type structures, where axial stresses predominate; and (c) suspension-type structures, where axial tension predominates the principal support system.

Framed Structures Most typical building construction is in this category. The

multistory building usually consists of beams and columns, either rigidly connected or having simple end connections along with diagonal pacing to provide stability. Even though a multistory building is three-dimensional, it usually is designed to be much stiffer in one direction than the other; thus it may reasonably be treated as a series of plane frames.

However, if the framing is such that behavior of the members in one plane substantially influences the behavior in another plane, the frame must be treated as a three-dimensional

space frame.

Shell-Type Structures In this type of structure the shell serves a use function in

addition to participation in carrying loads. On many shell-type structure, a framed structure may be used in conjunction with the shell. On walls and flat roofs the “skin” elements may be in compression while they act together with a framework.

Suspension-Type Structure In the suspension-type structure tension cables are major supporting elements. A roof may be cable-supported. Probably the most common structure of this type is the suspension pidge. Usually a suspension pidge. Since the tension element is the most efficient way of carrying load, structures utilizing this concept are increasingly being used.

Many unusual structure utilizing various combinations of framed, shell-type, and

suspension-type structure have been built.

Structural steel design of buildings in the USA is principally is principally based on the specifications of the American Institute of Steel Construction (AISC), The AISC

Specifications are the result of the combined judgment of researchers and practicing engineers. The research efforts have been synthesized into practical design procedures to provide a safe, economical structure. The advent of the digital computer in design practice has made feasible more elaborate design rules.

A lot of unusual structure, is made up of frame, shell and different combination forms of hanging structure.

In the United States, the design of steel structure is mainly on the basis of regulations

promulgated by the American association of steel structure. These specifications are a lot of scholars and a line engineer experience. The results of this study was comprehensive

processing into a set of safe and economic design idea of design program. The design process of the digital computer prompted a more sophisticated feasible design rules.

Specification includes a series of security rules, in spite of this, the designer must

understand the applicability of the rules, otherwise, is likely to lead to absurd, very

uneconomical, sometimes even unsafe design result.

Building rules sometimes equated with specification. These regulations cover all aspects relating to the safety, such as structure design, architectural details, fire protection, heating and air-conditioning, piping system, health systems, and lighting systems.

Structure and structural components must have sufficient strength, stiffness, toughness, in order to give full play to its functions in the use of the structure. Reserves of design must

provide sufficient strength to bear the load during use, that is to say, the buildings do not need to bear the possible overload. Change a structure of the original purpose, or because of excessive simplified method was adopted in the structural analysis and underestimated the load, as well as the construction process of change will cause the overload of the structure. Even within the scope of the permit, building size of the deviation can also lead to a

component is lower than the strength he calculates.

No matter what design principle, structure design must provide adequate security. The lack of necessary to prevent overload and intensity. Over the past 30 years, the research of how to ensure the safety design has continued. Use a variety of different probability method to study the components, fittings or system failure probability.

In addition, due to structural steel components are very high cost, compared with the cost of installation of artificial, material procurement cost is huge. With other involved in the general contract of building project and civil engineering, concrete engineering, compared with the manual installation cost, material cost of steel components are considerable.

With the development of steel structure, steel structure residential construction

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輕型門式剛架房屋結構在我國的應用大約始于20世紀80年代初期。近十多年來得到迅速的發展，目前國內每年有上千萬平方米的輕鋼建筑工程，主要用于輕型的廠房、倉庫、體育館、展覽廳及活動房屋、加層建筑等。

單層輕型門式剛架結構是指以輕型焊接H形鋼（等截面或變截面）、熱軋H形鋼（等截面）或冷彎薄壁型鋼等構成的實腹式門式剛架或格構式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼（槽形、Z形等）做檁條、墻梁；以壓型金屬板（壓型鋼板、壓型鋁板）做屋面、墻面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱材料并適當設置支撐的一種輕型房屋結構體系。

在目前的工程實踐中，門式剛架的梁、柱多采用焊接H形變截面構件，單跨剛架的梁柱節點采用剛接，多跨者大多剛接和鉸接并用；柱腳可與基礎剛接或鉸接；圍護結構多采用壓型鋼板；保溫隔熱材料多采用玻璃棉。

1單層輕型門式剛架結構的特點和設計中的注意事項

1.1單層輕型門式剛架結構相對于鋼筋混凝土結構具有以下特點：

(1)質量輕

圍護結構采用壓型金屬板、玻璃棉及冷彎薄壁型鋼等材料組成，屋面、墻面的質量都很輕。根據國內工程實例統計，單層輕型門式剛架房屋承重結構的用鋼量一般為10~30kg/m2，在相同跨度和荷載情況下自重僅約為鋼筋混凝土結構的1/20~1/30。由于結構質量輕，相應地基礎可以做得較小，地基處理費用也較低。同時在相同地震烈度下結構的地震反應小。但當風荷載較大或房屋較高時，風荷載可能成為單層輕型門式剛架結構的控制荷載。

(2)工業化程度高，施工周期短

門式剛架結構的主要構件和配件多為工廠制作，質量易于保證，工地安裝方便；除基礎施工外，基本沒有濕作業；構件之間的連接多采用高強度螺栓連接，安裝迅速。

(3)綜合經濟效益高

門式剛架結構通常采用計算機輔助設計，設計周期短；原材料種類單一；構件采用先進自動化設備制造；運輸方便等。所以門式剛架結構的工程周期短，資金回報快，投資效益相對較高。

(4)柱網布置比較靈活

傳統鋼筋混凝土結構形式由于受屋面板、墻板尺寸的限制，柱距多為6米，當采用12米柱距時，需設置托架及墻架柱。而門式剛架結構的圍護體系采用金屬壓型板，所以柱網布置不受模數限制，柱距大小主要根據使用要求和用鋼量最省的原則來確定。

1.2設計中的注意事項

(1)由于門式剛架結構構件的抗彎剛度、抗扭剛度較小，結構的整體剛度較弱，因此設計時應考慮運輸和安裝過程中要采取的必要措施，防止構件發生彎曲和扭轉變形。

(2)要重視支撐體系和隅撐的布置，重視屋面板、墻面板與構件的連接構造，使其能參與結構的整體工作。

(3)組成構件的桿件較薄，設計中應考慮對制作、安裝、運輸的要求。

(4)設計中應充分考慮銹蝕對結構構件截面削弱的影響。

(5)門式剛架的梁柱多采用變截面桿件，梁柱腹板在設計時考慮利用屈曲后的強度，所以塑性設計不再適用。

(6)設計中對輕型化帶來的后果必須注意和正確處理，比如風力可使輕型屋面的荷載反向等。

2結構形式和結構布置

2.1結構形式

門式剛架的結構形式按跨度可分為單跨、雙跨和多跨，按屋面坡脊數可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20~1/8。單脊雙坡多跨剛架，用于無橋式吊車的房屋時，當剛架柱不是特別高且風荷載也不是很大時，依據“材料集中使用的原則”，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱方案。門式剛架的柱腳多按鉸接設計，當用于工業廠房且有橋式吊車時，宜將柱腳設計成剛接。門式剛架上可設置起重量不大于3t的懸掛吊車和起重量不大于20t的輕、中級工作制的單梁或雙梁橋式吊車。

2.2結構布置

2.2.1剛架的建筑尺寸和布置。

門式剛架的跨度宜為9~36m，當柱寬度不等時，其外側應對齊。高度應根據使用要求的室內凈高確定，宜取4.5~9m。門式剛架的合理間距應綜合考慮剛架跨度、荷載條件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m。縱向溫度區段小于300m，橫向溫度區段小于150m（當有計算依據時，溫度區段可適當放大）。

2.2.2檁條和墻梁的布置

檁條間距的確定應綜合考慮天窗、通風屋脊、采光帶、屋面材料、檁條規格等因素按計算確定，一般應等間距布置，但在屋脊處應沿屋脊兩側各布置一道，在天溝附近布置一道。側墻墻梁的布置應考慮門窗、挑檐、雨蓬等構件的設置和圍護材料的要求確定。

2.2.3支撐和剛性系桿的布置

(1)在每個溫度區段或分期建設的區段中，應分別設置能獨立構成空間穩定結構的支撐體系。

(2)在設置柱間支撐的開間，應同時設置屋蓋橫向支撐，以構成幾何不變體系。

(3)端部支撐宜設在溫度區段端部的第一或第二個開間。柱間支撐的間距應根據房屋縱向受力情況及安裝條件確定，一般取30~45m，有吊車時不宜大于60m。

(4)當房屋高度較大時，柱間支撐應分層設置；當房屋寬度大于60m時，內柱列宜適當設置支撐。

(5)當端部支撐設在端部第二個開間時，在第一個開間的相應位置應設置剛性系桿。

(6)在剛架的轉折處（邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂）應沿房屋全長設置剛性系桿。

(7)由支撐斜桿等組成的水平桁架，其直腹桿宜按剛性系桿考慮。

(8)剛性系桿可由檁條兼做，此時檁條應滿足壓彎構件的承載力和剛度要求，當不滿足時可在剛架斜梁間設置鋼管、H型鋼或其他截面形式的桿件。

(9)當房屋內設有不小于5t的吊車時，柱間支撐宜用型鋼；當房屋中不允許設置柱間支撐時，應設置縱向剛架。

3剛架設計

3.1荷載及荷載組合

3.1.1永久荷載

永久荷載包括結構構件的自重和懸掛在結構上的非結構構件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構件和剛架自重等。

3.1.2可變荷載

可變荷載包括屋面活荷載（設計屋面板和檁條時應考慮施工和檢修集中荷載，其標準值為1KN）、屋面雪荷載和積灰荷載、吊車荷載、地震作用、風荷載等。

3.1.3荷載組合

荷載組合一般應遵從《建筑結構荷載設計規范》GB50009-2002的規定，針對門式剛架的特點，《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS102:98給出下列組合原則：

(1)屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應取兩者中較大值。

(2)積灰荷載應與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮。

(3)施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時考慮。

(4)多臺吊車的組合應符合《建筑結構荷載設計規范》的規定。

(5)當需要考慮地震作用時，風荷載不與地震作用同時考慮。

3.2剛架內力和側移計算

3.2.1內力計算

對于變截面門式剛架，應采用彈性分析方法確定各種內力，只有當剛架的梁柱全部為等截面時才允許采用塑性分析方法。變截面門式剛架的內力通常采用桿系單元的有限元法（直接剛度法）編制程序上機計算。地震作用的效應可采用底部剪力法分析確定。

根據不同荷載組合下的內力分析結果，找出控制截面的內力組合，控制截面的位置一般在柱底、柱頂、柱牛腿連接處及梁端、梁跨中等截面。控制截面的內力組合主要有：

(1)最大軸壓力Nmax和同時出現的M及V的較大值。

(2)最大彎矩Mmax和同時出現的N及V的較大值。

(3)最小軸壓力Nmin和相應的M及V，出現在永久荷載和風荷載共同作用下，當柱腳鉸接時M=0。

3.2.2側移計算

變截面門式剛架的柱頂側移應采用彈性分析方法確定，計算時荷載取標準值，不考慮荷載分項系數。如果最后驗算時剛架的側移剛度不滿足要求，需采用下列措施之一進行調整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳；把多跨框架中的個別搖擺柱改為上端和梁剛接。

3.3剛架柱和梁的設計

(1)梁柱板件的寬厚比限值和腹板屈曲后的強度利用。（主要包括梁柱板件的寬厚比限值驗算、腹板屈曲后強度利用驗算、腹板的有效寬度驗算等內容）

(2)剛架梁柱構件的強度驗算。

(3)梁腹板加勁肋的配置。（梁腹板應在中柱連接處、較大固定集中荷載作用處和翼緣轉折處設置橫向加勁肋）

(4)變截面柱在剛架平面內的計算長度確定。

(5)變截面柱在剛架平面內的整體穩定計算。

(6)變截面柱在剛架平面外的整體穩定計算。

(7)斜梁和隅撐的強度和穩定性計算。

(8)節點設計。（包括斜梁與柱的連接及斜梁拼接、柱腳設計、牛腿設計、搖擺柱與斜梁的連接構造等內容）

4輔屬結構構件設計

4.1壓型鋼板設計

(1)壓型鋼板材料的選擇可根據建筑功能、使用條件、使用年限和結構形式等因素考慮，鋼板基板的材料有Q215鋼和Q235鋼，工程中多用Q235-A鋼。

(2)壓型鋼板的截面形式較多，根據波高的不同，一般分為低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的抗彎剛度就越大，承受的荷載也就越大。

(3)壓型鋼板的強度和撓度可取單槽口的有效截面按受彎構件計算。計算內容包括壓型鋼板腹板的剪應力計算、支座處腹板的局部受壓承載力計算、撓度限值驗算等。

(4)壓型鋼板尚應滿足其他相關構造規定。

4.2檁條設計

(1)檁條的截面形式可分為實腹式和格構式兩種。當檁條跨度不大于9m時，應優先選用實腹式檁條。

(2)檁條屬于雙向受彎構件，在進行內力分析時應沿截面兩個形心主軸方向計算彎矩。

(3)檁條應進行強度計算、整體穩定計算、變形計算。

(4)檁條尚應滿足其他相關構造規定。

4.3墻梁、支撐設計

(1)墻梁一般采用冷彎卷邊槽鋼，有時也可采用卷邊Z形鋼。

(2)墻梁在其自重、墻體材料和水平風荷載作用下，也是雙向受彎構件。

(3)墻梁應盡量等間距設置，在墻面的上沿、下沿及窗框的上沿、下沿處應設置一道墻梁。為減少豎向荷載作用下墻梁的豎向撓度，可在墻梁上設置拉條，并在最上層墻梁處設斜拉條將拉力傳至剛架柱。

(4)墻梁可根據柱距的大小做成跨越一個柱距的簡支梁或兩個柱距的連續梁。

(5)門式剛架結構中的交叉支撐和柔性系桿可按拉桿設計，非交叉支撐中的受壓桿件及剛性系桿按壓桿設計。

(6)剛架斜梁上橫向水平支撐的內力，根據縱向風荷載按支承于柱頂的水平桁架計算，并計入支撐對斜梁起減少計算長度作用而承受的力，對于交叉支撐可不計入壓桿的受力。

(7)剛架柱間支撐的內力，應根據該柱列所受縱向風荷載按支承于柱腳的豎向懸臂桁架計算，并計入支撐對柱起減少計算長度而應承受的力，對于交叉支撐可不計壓桿的受力。當同一柱列設有多道柱間支撐時，縱向力在支撐間可平均分配。

5小結

綜上所述，輕型門式剛架結構設計應遵守以下原則：

篇（4）

提起鋼結構用鋼大家并不陌生,像Q235和Q345這樣的鋼材是最常用的,也是生活中接觸最多的。的確,從材性、材質方面看,現在市場充分供應的Q235及Q345號鋼的各類鋼材,可以保證建筑鋼結構的基本需求。鋼結構是以鋼材制作為主的結構,是主要的建筑結構類型之一。它的基本特點是強度高、自重輕、剛度大、材料勻質性和各向同性好。

因此,用什么類型的鋼材對鋼結構的影響很大。下面就從鋼結構用鋼的鋼種鋼號及版帶鋼中的鋼結構用鋼這兩方面對鋼結構的選用做一介紹。

一、鋼結構用鋼的鋼種鋼號

1.普通碳素結構鋼

普通碳素結構鋼,按用途可以分為:一般用途普通的普通碳素和專用普通碳素鋼。

按含碳量及屈服強度高低分為5種牌號:Q195,Q215,Q235,Q255,Q275.QISH其中鋼結構主要用Q235號鋼。Q215和Q255也可作結構用,但是產量和用量相對較少。

使用該標準鋼號要注意一下幾點:

(1)該標準鋼號主要用作工程用和一般結構用鋼。

(2)該標準鋼在在使用品種方面主要有鋼板,鋼帶和型鋼。

(3)該標準鋼號可用作焊接和栓接結構用鋼。但焊接結構不宜選用A級鋼,除非有含碳量<0.0022的保證,以保證良好的可焊性。

(4)該標準鋼號一般在熱軋狀態下交貨和使用。

2.焊接結構耐候鋼

在鋼中加入少量合金元素,其耐候性較焊接結構耐候鋼更好。其牌號為Q295GNH,Q295NHL,Q345GNHL。

3.低合金鋼

低合金鋼,按用途可以分為:低合金結構鋼:耐腐蝕用鋼:低溫鋼:鋼筋鋼:耐磨鋼:特殊用途的專用鋼。按屈服強度高低分為5種牌號,每牌號鋼中分別包含了若干鋼種,其中鋼結構用為Q345,Q390,Q420三個牌號。

二、板帶鋼中的鋼結構用鋼

結構用的板帶鋼主要有:熱軋鋼板和鋼帶,冷軋鋼板和鋼帶,花紋鋼板以及高層建筑結構用鋼板。

三、鋼材選用的標準

1.用于承重的冷彎薄壁型鋼、輕型熱軋型鋼和鋼板,應采用先行國家標準《碳素結構鋼》GB/T700規定的Q235鋼和《低合金高強度結構鋼》GB/T1591規定的Q345鋼。

2.門式剛架、吊車梁、和焊接的檁條、墻梁等構件宜采用Q235B或Q345A及以上等級的鋼。非焊接的檁條和墻梁等構件可采用Q235A鋼。當有根據時,門式剛架、檁條和墻梁可采用其他牌號的鋼制作。

《鋼結構設計規范》GB50017-2003中3.3.1規定,承重結構的鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼,其質量應分別符合現行國家標準碳素結構鋼》GB/T700和《低合金高強度結構鋼》GB/T1591的規定。當采用其他牌號的鋼材時,尚應符合相應有關標準的規定和要求。

這些都是鋼結構的一些用鋼,當然還有其他的。以鋼材制作為主的結構,是主要的建筑結構類型之一。鋼材的特點是強度高、自重輕、剛度大,故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特別適宜;材料勻質性和各向同性好,屬理想彈性體,最符合一般工程力學的基本假定;材料塑性、韌性好,可有較大變形,能很好地承受動力荷載;建筑工期短;其工業化程度高,可進行機械化程度高的專業化生產;加工精度高、效率高、密閉性好,故可用于建造氣罐、油罐和變壓器等。其缺點是耐火性和耐腐性較差。主要用于重型車間的承重骨架、受動力荷載作用的廠房結構、板殼結構、高聳電視塔和桅桿結構、橋梁和庫等大跨結構、高層和超高層建筑等。鋼結構今后應研究高強度鋼材,大大提高其屈服點強度;此外要軋制新品種的型鋼,例如H型鋼(又稱寬翼緣型鋼)和T形鋼以及壓型鋼板等以適應大跨度結構和超高層建筑的需要。由于鋼結構的這些特點,它將會在建筑方面占有很重要的地位。

參考文獻:

[1]中華人民共和國建設部和中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.鋼結構設計規范.

篇（5）

失穩和屈曲的概念

Bazant [14]、Farshad [15]、Huseyin [16]等引述和討論了穩定和屈曲的定義，他們從不同的角度和范圍描述了失穩現象，并指出屈曲是眾多失穩現象中的一個模式，屈曲是發生在結構中的一種失穩。文獻[14]-[18]討論了結構產生屈曲的原因，可以定義結構的屈曲為處于高位能的結構由平衡臨界狀態隨著能量的釋放向處于低位能的結構平衡臨界狀態轉移的過程，發生平衡轉移的那個瞬間狀態，就是臨界狀態。這也是目前比較廣泛被接受的解釋[19]。具體地講有三種：

1) 、從能量的角度來說，結構失穩就是儲存在結構中的應變能形式發生轉換。

2) 、從力學要素的性質方面來說，失穩是結構中承載的主要力學要素的性質發生了變化。

3) 、從變形角度來說，失穩在實際上也可以被認為是一種從彈性變形到幾何變形的變形轉移。

鋼結構構件以軸壓、壓彎構件居多，如上所述，其核心問題是穩定問題。就單個鋼結構構件而言，影響穩定的主要因素有殘余應力的分布、初始缺陷、截面形狀、幾何尺寸、材料強度和構件的長度等。【2】張志剛。而近年來，采用新技術設計和建造的大型復雜空間鋼結構形式（如網殼結構、拱、弦支穹頂結構等）越來越多，通常這類結構整體上或某些較大區域內承受很大的壓力作用，也即某些構件承受很大軸向壓力，使得這類結構容易引發整體失穩或某區域內的局部失穩現象。大型復雜結構 的這一力學特征顯著不同于傳統的小跨度或小規模簡單結構，因而，在設計這類結構時，除按常規設計規范驗算結構構件的強度及穩定性，結構的剛度外，設計者還要驗算結構的整體穩定性。【3】整體結構穩定

在現階段的鋼結構設計中，常以計算長度系數法來進行整體結構的整體穩定性分析。以鋼框架為例【3】P94

目前大部分工程師在設計鋼框架結構承載力時，常分兩步進行。第一步進行結構分析，通過一階彈性分析確定構件在各種外荷載與作用組合工況下的內力效應；第二步進行構件設計，首先查得采用彈性近似分析法確定的構件計算長度系數，然后按現行《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）的計算公式求得構件的承載力。如果所有構件的承載力大于外荷載產生的效應，則認為結構體系整體和構件均滿足承載力要求。 這種設計方法以通過計算長度系數把構件承載力驗算和結構整體穩定承載力驗算聯系起來，被稱為計算長度系數法。

對于一些大跨空間結構桿件的計算長度系數取值，規范缺乏詳細的規定，沒有提出明確的計算方法。針對實際工程設計時，桿件計算長度系數的取值往往無據可依。為了設計方便，

工程上常通過反推的方法來確定計算長度系數。方法有兩種

1） 反推法

為了鋼結構設計應用上的方便，可以把各種約束條件的構件屈服荷載Pcr 值換算成相當于兩端鉸接的軸心受壓構件屈曲荷載的形式，其方法是把端部有約束的構件用等效長度為l0

22P =πEI /l cr 0的構件來代替，這樣。等效長度通常稱為計算長度，而計算長度l0與構件

實際的幾何長度之間的關系l 0=μl ，這里的系數μ稱為計算長度系數。對于均勻受壓的等截面直桿，此系數取決于構件兩端的約束。這樣一來，具有各種約束條件的軸心受壓構件的屈曲荷載轉化為歐拉荷載的通式是：

π2EI P cr =(μl ) 2

構件截面的平均應力稱為屈曲應力：

P cr π2EI π2E σcr ===2A (μl /i ) 2λ

式中A 為面積，λ為長細比，λ=μl i ；而i

為回轉半徑，i =關。計算長度系數的理論值可寫作：

μ=

其中PE 為歐拉荷載，即兩端鉸接的軸心受壓構件的屈曲荷載。

對兩端固接

自由=μ= 0.5，兩端鉸接μ= 1.0，一端固接，一端鉸接μ= 0.7，一端固接，一端μ= 2.0。

2） 反彎點法

通過對整體結構進行屈曲分析，可以得到結構及桿件發生屈曲時彎矩圖或變形曲線圖。彎矩圖和變形曲線圖均可以反映出桿件反彎點之間的距離l0。因為反彎點的彎矩為零，因此與鉸支點的受力相當。L0可以代表該桿件的計算長度。根據不同的約束條件，反彎點可能落在桿件的實際長度范圍之內，也可能在其延伸線上。由于約束條件是多種多樣的，有時很難在變形曲線上表示出反彎點之間的距離。反彎點法主要包括以下3個步驟：

1） 由屈曲分析得到結構及桿件的屈曲模態；

2） 提取桿件屈曲模態對應的彎矩圖或變形曲線中變形位移曲線；

3） A ） 確定彎矩圖中反彎點的位置，從而得出桿件的計算長度及計算長度系數；

4） B) 根據圖（）中桿件發生屈曲時的變形曲線，可以根據桿件已有的變形擬合出此桿

件在理想鉸接狀態下的變形曲線。對比兩個曲線圖，確定桿件變形曲線的拐點（即反彎點）位置，從面可以得出桿件的計算長度及計算長度系數。

計算長度系數的推導方法：

計算長度系數的推導

圖4-1 無側移剛接框架柱的計算簡圖

圖4-1給出的是無側移多層鋼框架的子結構，利用受彎構件和壓彎構件的轉角位移方程，代入θE =θF =-θB ，θG =θH =-θA ，且θC =-θB ，θD =-θA 建立與節點A 有關的梁端與柱端力矩：

M AG =M AH =

M AB =M AC EI b 22θA (4-1) l EI =c (C θA +S θB ) (4-2) h

其中，C 、S 根據無側移彈性壓彎構件轉角位移方程確定：

kl sin(kl ) -(kl ) 2cos(kl ) (kl ) 2-kl sin(kl ) ，S =，k =C =2-2cos(kl ) -kl sin(kl ) 2-2cos(kl ) -

kl sin(kl ) =π根據節點平衡條件：

可得：

EI ?EI ?EI 2 2b 2+C c ?θA +2S c θB =0l h ?h ? M AB +M AC +M AG +M AH =0

或 (2K 2+C )θA +S θB =0

(4-3)

式中：

K 2=I b 2/l I c /h

同時，可求出節點B 的彎矩平衡條件為

S θA +(2K 1+C ) θB =0 (4-4)

式中：

K 1=I b 1/l I c /h

由公式（4-3、4-4）組成無常數項的聯立程。要得到θA 和θB 的非零解，必須系數行列式等于零。這就是說，子結構失穩時應滿足下列條件

2K 2+C

S

即 S =02K 1+C

C 2+2(K 1+K 2) C +4K 1K 2-S 2=0 (4-5)

把式中的C 和S 代入公式(4-5)整理后得，即得下列臨界條件：

2??π?2??π??π????π??π?? μ??+2(K 1+K 2) -4K 1K 2? μ??sin μ??-2?(K 1+K 2) μ??+4K 1K 2?cos μ??+8K 1K 2=0??????????????????

(4-6)

其中，式中的K 1與K 2分別表示柱下端與上端的梁的線剛度之和與各柱的線剛度之和的比值，說明計算長度系數μ的值取決于K 1與K 2。

對于有側移框架也可以按以上方法推導，過程從略，得到的臨界條件為：

2??π??

?36K 1K 2- μ???t ???????π?π?a +6(K +K ) =0 12 μ?μ??

(4-8)

《高層民用建筑鋼結構技術規程》第6.3.2條，

指出對于框架柱的計算長度系數可采用下列的近擬公式計算：

1. 有側移時

μ=

2. 無側移時 7. 5K 1K 2+4(K 1+K 2) +1. 52 (4-9) 7. 5K 1K 2+K 1+K 2

μ=0.64K 1K 2+1.4(K 1+K 2)+3 (4-7) 1.28K 1K 2+2K 1+K 2+3

K 1與K 2分別表示柱下端與上端的梁的線剛度之和與各柱的線剛度之和的比值 其中有側移框架常指純框架體，無側移結構常指有支撐和（或）剪力墻的體系

4.1 計算長度系數確定方法

《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)(以下簡稱“規范”) 對框架柱的計算長度系數有明確的規定。在框架平面內框架的失穩分為有側移和無側移兩種，有側移框架的承載力比無側移的要小得多。因此，確定框架柱的計算長度時首先要區分框架失穩時有無側移。框架柱的分析方法有兩種：一是采用一階分析方法（計算長度法），即分析框架內力時按一階理論，不考慮框架二階變形的影響，計算框架時用計算長度代替柱的實際長度考慮與柱相連的影響；二是采用二階或近似二階分析方法求得框架柱的內力，穩定計算時取柱的幾何長度。目前國內外大多數國家的規范采用了計算長度法。該方法的計算步驟為：首先采用一階分析求解結構內力，按各種荷載組合求出各桿件的最不利內力；然后按第一類彈性穩定問題建立框架達到臨界狀態時的特征方程，確定各柱的計算長度；最后將各桿件隔離出來，按單獨的壓彎構件進行穩定承載力的驗算。驗算中考慮了材料非線性和幾何缺陷等因素的影響。該方法的最大特點是采用計算長度系數來考慮結構體系對被隔離出來構件的影響。該方法對比較規則的結構可以給出比較好的結果，而且計算比較簡單。

柱的計算長度系數與相連的各橫梁的約束程度有關。而相交于每一節點的橫梁對該節點所連柱的約束程度，又取決于相交于該節點各橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比。因此，柱的計算長度系數就由節點各橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比確定，常見的鋼框架設計方法中均給出了根據框架柱端部約束條件直接查用的計算長度系數表格或曲線。“規范”將框架分為無支撐純框架和有支撐框架，根據支撐抗側移剛度的大小，有支撐框架又可分為強支撐框架和弱支撐框架。

根據不同的情況，不同支撐框架柱可分別選用有側移框架柱和無側移框架柱的計算長度系數μ[47]。

“規范”有側移和無側移框架柱的計算長度系數μ均為根據一定理想化的假定得到。對于需要確定無側移框架計算長度的柱子以及與之相連的4根梁和上下兩根柱的計算模型如圖4-1。對有、無側移框架均采用了理想化的假定[46,48,49]。

無側移框架柱確定計算長度系數μ時的基本假定[46]：1) 、梁與柱的連接均為剛接；2) 、柱與上下兩層柱子同時失穩，即圖4-1中，柱AB 與柱BD 、AC 同時屈曲；

3) 、剛架屈曲時，同層的各橫梁兩端轉角大小相等，方向相反；4) 、橫梁中的軸力對梁本身的抗彎剛度的影響可以忽略不計；5) 、柱端轉角隔層相等；6) 、各柱

的這里P 是柱子的軸力，P E 是柱子計算長度系數為1時的歐拉臨界力；7) 、失穩時各層層間位移角相同；8) 、材料為線彈性材料。

有側移框架柱確定計算長度系數μ時同無側移框架柱的基本假定大體相同，只是在第3點：剛架屈曲時同，同層的各橫梁兩端轉角大小相等但方向相同。

4.1.2 網殼規程的規定

《網殼結構技術規程》(JGJ61-2003)根據節點的型式，規定了構件的計算長度。對于雙層網殼桿件計算長度應按表4-1采用，單層網殼按表4-2采用。

表4-1 雙層網殼桿件的計算長度l 0

節 點

桿件

螺栓球

弦桿及支座腹桿

腹 桿 l l 焊接空心球 0.9l 0.9l 板節點 l 0.9l

表4-2 單層網殼桿件的計算長度l 0

節 點

彎曲方向

焊接空心球

殼體曲面內

殼體曲面外 l l 轂節點 0.9l 0.9l

“規范”及網殼規程的這些規定有很大的局限性：對于其它節點型式，特別

是大型網殼結構，桿件規格多、截面尺寸大、構造復雜，采用上述節點型式將很不合理，導致無法采用現成的規范條文；而且本章后續的研究表明：網殼規程所取的計算長度系數，特別是單層網殼，存在較大的安全隱患，不能直接運用于設計中；構件的計算長度系數也不僅僅簡單地與節點型式相關；當前規范針對大跨空間結構構件的計算長度取值，缺乏明確的規定，更沒有提出計算方法，導致結構設計人員無據可依。實際工程設計中，通常將需要穩定設計的構件近似為軸壓構件，通過歐拉公式反推的方法來確定計算長度系數，常見的各種方法如本章4.4節所述。

4.4.1 工程設計常用的方法

歐拉荷載的推導：

加圖：（P31）【5】陳驥的書

所圖所示兩端鉸接的挺直的軸心受壓構件，按照小撓度理論求解中性平衡狀態時彈性分岔彎屈屈曲荷載。

如圖所示，兩端鉸接的軸心受壓桿件，在壓力P 的作用下，根據構件屈曲時存在微小彎曲變形的條件，先建立平衡微分方程，再求解構件的分岔屈曲荷載。在建立彎曲平衡方程時作如下基本假定：

（1） 構件是理想的等截面挺直桿。

（2） 壓力沿構件原來的軸線作用。

（3） 材料符合胡克定律，即應力和應變呈線性關系

（4） 構件變形之前的平截面在彎曲變形后仍為平面。

（5） 構件的彎曲變形是微波的。曲率可以近似地用變形的二次微分表示，即（）

可取如圖隔離體，列方程：（EIy``+PY=0）推導得出：P=n2pi()2EI/l2，其中式中n=1時為構件具有中性平衡狀態時的最小荷載，即分岔屈曲荷載Pcr ，又稱為歐拉荷載Pe=pi^2EI/l2

采用計算長度系數進行穩定設計的原因：

的概念：

穩定問題具有多樣性、整體性及相關性三個問題：【5】陳紹蕃P94

1） 多樣性：軸性受壓桿件有彎曲屈曲、扭轉屈曲、彎扭屈曲等多種形式。

2） 整體性：構件作為結構的組成單元，其穩定性不能就其本身去孤立地分析，而

應當考慮相鄰構件對它的約束作用。這種約束作用顯然要從結構的整體分析來確定。穩定問題的整體性不僅表現為構件之間的相互約束作用，也存在于圍護結構與承重結構之間的相互約束作用中，只不過在通常的平面結構（框架和桁架）的分析中被忽略了。

3） 相關性：具體體現在不同失穩模型之間有耦合作用、局部屈曲與整體屈曲互有

影響、組成構件的板件之間發生屈曲時有相互約束用等。

【5】P169

結構和構件喪失穩定屬于整體性問題，需要通過整體分析來確定它們的臨界條件。不過，為了計算簡便，目前在設計工作中的做法是所計算的受壓構件（或壓彎構件）從整體結構中分離出來計算，計算時考慮結構其他部分對它的約束作用，并用計算長度來體現這種約束。

計算長度的概念：

計算長度的概念來源于理想軸心壓桿的彈性分析。其把端部有約束的壓桿化作等效的兩端鉸接的桿件，等效條件為兩者的承載力相同。

構件在荷載作用下的變形曲線圖可以反映出了反彎點之間的距離，此距離代表了該構件的計算長度；因為反彎點的彎矩為零，因此與鉸支點的受力相當。根據不同的約束條件，反彎點可能落在構件的實際長度范圍之內，也可能在其延伸線上[46]。

常見的結構形式的受壓構件的計算長度系數在相應的規范及規程中都有所體現。將規范涉及到的可以直接使用的規范例舉如下：

1） 鋼結構設計規范第5.3條：桁架：含弦桿、單系腹桿（用節點板與弦桿連接）、交叉腹桿，

均分平面內與平面外的計算長度考慮；

框架：依據側移剛度將框架分為無支撐、弱支撐和強支撐框架三種，分別按照本規范的附錄D 的表格D-1至D-2查找框架柱的計算長度系數；

單層廠房的階形柱（單階柱及雙階柱）：按本規范附錄D-3至D-6查找相應的計算長度系數

2） 鋼高規：第6.3.1及6.3.2條規定了鋼框架柱的計算長度取值

指出1）重力荷載作用下的穩定計算，應按鋼結構設計規范相應條文進行，并指出相應的近似公式：。。。。

2）結構在重力和風力或多遇地震作用組合下的穩定計算相應的計算長度系數。

網殼結構技術規程：第5.1條，根據鋼殼的分類及其節點的做法形式，分別定義其計算長度系數

3） 空間網格結構技術規程：第5.1條，根據網架、雙層網殼、單層網殼、立體桁架及其桿

件分類和節點形式，分別定義其計算長度系數

對于梁-柱鋼框架結構體系，可直接采用規范查表的方法或實用公式確定構件的計算長度系數。但對于大多數不規則（非梁-柱鋼框架結構體系）的大跨空間結構構件的計算長度取值，如上所述，規范不可能包含所有的結構類型，也缺乏明確的規定，沒有提出計算方法，導致結構設計人員無據可依。

因此為了設計方便，工程上通常將其近似為軸壓構件，通過反推的方法來確定計算長度系數。

大跨度結構及其桿件的穩定問題都是一個整體問題，各桿件互相支承、互相約束，任何一個構件的屈曲都會受到其他構件的約束作用，影響因素較多。而對于空間鋼結構桿件的計算長度系數，規范（桁架體系、網殼結構）根據桿件位置規范一般規定在0.8~1.0范圍內取值。有學者的研究資料表明：對于復雜結構體系中部分桿件，采用低于1.0的計算長度系數取值可能偏于不安全。因此，工程上常從整體結構穩定性角度出發，取重力荷載（自重＋附加恒載＋活荷載）標準值工況組合作用作為初始態，根據計算長度系數的物理意義，通過整體結構線性屈

曲分析來研究各主要桿件的計算長度系數，主要包括以下3個步驟[56]：

1) 、由線性屈曲分析得到結構的各階屈曲模態以及屈曲臨界荷載系數；

2) 、檢查各階屈曲模態形狀，確定該桿件發生屈曲時的臨界荷載系數，乘以相應的初始態軸力，得到該構件的屈曲臨界荷載P cr ；

3) 、由歐拉臨界荷載公式反算各桿件的計算長度系數，即：

π2EI P cr =

2(μl )

μ=式中：EI 為桿件發生屈曲方向的彈性抗彎剛度；P cr 為桿件對應的屈曲臨界荷載；l 為桿件的幾何長度；μ為桿件計算長度系數。

由4.3.2節可知，當某個方向的荷載（如水平荷載）較大時，確定計算長度系數的初始態應采用各工況的組合，這樣，根據不同的荷載組合下（初始態）反推出來的計算長度系數是不同的。

確定計算長度系數主要是確定歐拉臨界荷載P cr 。

本文以確定一平面無側移框架柱的計算長度為例，詳細地介紹工程設計中。如圖4-6所示的有側移，橫梁與柱均為剛接，柱的截面為H500×400×12×20， I c =1.019×109mm 4，為保證柱先于梁發生屈曲，設梁的截面為1000×400×30×30， I b =9.80×109mm 4，鋼材采用Q235。作用在梁上的荷載標準值q=60kN/m，柱高l c =6m，梁長度l b =6m。

圖4-6 無側移剛架

按規范的設計方法，由K 1i =i b

c EI b /l b I b l c 9.80?109?6000====9.6173，EI c /l c I c l b 1.019?109?6000

K 2=0根據鋼結構規范附錄D 表D-1，采用插值法μ=0.7341, 或采用實用公式的方法：

μ=0.64K 1K 2+1.4(K 1+K 2) +31.4?9.6173+3==0.7404 1.28K 1K 2+2(K 1+K 2) +32?9.6173+3

.3.2 整體屈曲法

通過整個結構的屈曲分析確定該構件的計算長度，其方法是將該構件放在整體模型中，進行屈曲模態分析，從而得到歐拉臨界力和屈曲系數的方法。整體模型的屈曲分析具有較為直觀的屈曲模態，可以直接看到結構整體的屈曲變形，通過判斷各階屈曲模態對應的變形來判斷具體結構構件是否發生屈曲，從而得到其對應的屈曲臨界力[57]。該方法較難判斷具體構件應對應的屈曲模態，常導致計算結果偏于保守；但該方法考慮了諸多計算長度系數的影響因素，與實際情況也相符合，較為合理。

本文采用SAP2000做鋼框架的屈曲分析。在荷載q 的作用下，鋼框架的軸力如圖4-7(a)所示，圖(b)為構鋼框架的第一階屈曲模態，從變形圖可以看出，柱子發生了屈曲。 -180-180

(a) q作用下的軸力(kN) (b) 第一階屈曲模態(η=784.547)

圖4-7 荷載作用下的軸力及屈曲模態

所以，柱子的臨界荷載為：

P cr =ηP =180?784.547=141218.46kN

由歐拉臨界荷載公式反算各桿件的計算長度系數：

μ===0.638

由此可見，兩者非常接近。工程中的一系列對比，也說明這些做法是正確的，下面以筆者的一個實例來說明些方法在工程實踐中的運用。

本算例取決于某工程的施工頂升架，頂模鋼平臺由桁架層、支撐柱和支撐鋼梁組成，鋼平臺桁架層由主桁架、次桁架、三級桁架和邊桁架及內部小次梁、吊架梁等構件組成。桁架層高2.05m ，支撐柱高12.6m ，兩層支撐鋼梁間距4.5m 。頂模鋼平臺設計采用SAP2000軟件，圖2.1.1至圖2.1.3為頂模鋼平臺sap2000計算模型。

圖2.1.1頂模鋼平臺三維圖

圖2.1.2 頂模鋼平臺立面圖

圖2.1.3 頂模鋼平臺平面圖

荷載考慮：恒荷載、活荷載、風荷載（考慮三種情況：施工狀態及提升狀態下遭遇八級風、

施工狀態下遭遇十級風、施工狀態下遭遇臺風荷載）、頂升不同步位移、施工電梯荷載。

1.1 邊界約束條件

根據邊界約束條件的不同，鋼平臺分為兩種計算模型。施工狀態時，假定兩道支撐梁兩端為鉸接，如圖2.3.1所示；頂升狀態時，忽略支撐梁的約束作用，將千斤頂與支承柱的連接簡化為鉸支座，如圖2.3.2所示。

圖2.3.1施工狀態支承柱的約束邊界

下列僅以施工狀態 圖2.3.2頂升狀態支承柱的約束邊界

1.1.1.1 支承柱計算長度取值（根據屈曲分析）

采用十級風施工狀態模型：

以結構整體模型為基礎，對結構進行特征值屈曲分析。正常施工狀態下取D+L計算屈曲工況，圓管柱及格構柱在Mode98的屈曲模態下首次發生屈曲。其屈曲變形及屈曲荷載如下：

圓管柱在D+L工況下的最小軸力值為：-2634kN ，則根據屈曲分析結果，施工階段的支承柱的一階彈性屈曲臨界荷載為2634×11.05=29105.7kN，根據歐拉公式可以反推得到理論計算長度系數：

μ=π2EI

P cr l 23. 142?2. 06?105?5. 355?109==1. 40 29105. 7?103?138002

1.1.1.1 鋼結構構件計算應力比

將各計算長度系數值手工輸入模型中，應力比計算結果如下圖所示：

具體各構件應力比數值可在模型中查看，圓管柱最大應力比為0.378，格構柱應力比均小于0.95，滿足規范要求。

整體穩定性計算步驟如下【3】P61

鋼結構系統整體穩定性理論分析的主要步驟包括：

（1） 建立完善結構力學模型

按理論設計結構構型建立完善結構計算模型，包括確定結構幾何模型、構件單元模型、構件規格尺寸、構件材料特性、結構邊界條件等。

確定整體穩定性驗算的荷載組合

荷載組合常采用標準組合。對于活荷載需要按不同的分布模型分別進行組合； 對于風荷載需要按不同的風向分別進行組合。

結構線性整體穩定性分析

對每一種荷載組合，通過對穩定特征方程的分析，分別計算結構線性整體穩定的臨界荷載因子（）及相應的屈曲模態矩陣（）

確定結構的初始幾何缺陷模型

對每一種荷載組合，確定相應的初始幾何缺陷模式及幅值，可采用“一致缺陷模態法”模擬。若第一臨界點為重臨界點，應選用與臨界荷載因子（）相應的所有模態。對于第一臨界點附近頻率密集的結構，應多選用幾個模態。

結構大位移幾何非線性整體穩定性分析

包括完善結構和有缺陷結構分析，獲得相應的整體穩定最小臨界荷載因子（）和（）

判斷構件是否出現屈服變形現象

判斷在幾何非線性分析過程中，當荷載達到整體穩定最小臨界荷載因子（）之前，主要構件是非否屈服，若未屈服，則轉第（8）步，進行結構整體穩定性評定，否則，進入第（7）步。

結構大位移彈塑性整體穩定性分析

篇（6）

【 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

中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：

現代工程史上不乏因失穩而造成的鋼結構事故，其中影響最大的是1907 年加拿大魁北克一座大橋在施工中破壞， 9000 噸鋼結構全部墜入河中，橋上施工的人員75 人遇難。破壞是由于懸臂的受壓下弦失穩造成的。而美國哈特福特城的體育館網架結構，平面 92m x 110m,突然于 1978年破壞而落地，破壞起因可能是壓桿屈曲。以及1988 年加拿大一停車場的屋蓋結構塌落， 1985 年土耳其某體育場看臺屋蓋塌落，這兩次事故都和沒有設置適當的支撐有關。在我國 1988 年也曾發生 l3.2 xl7.99m網架因腹桿穩定位不足而在施工過程中塌落的事故。從上可以看出，鋼結構中的穩定問題是鋼結構設計中以待解決的主要問題，一旦出現了鋼結構的失穩事故，不但對經濟造成嚴重的損失，而且會造成人員的傷亡，所以我們在鋼結構設計中，一定要把握好這一關。目前，鋼結構中出現過的失穩事故都是由于設計者的經驗不足，對結構及構件的穩定性能不夠清楚，對如何保證結構穩定缺少明確概念，造成一般性結構設計中不應有的薄弱環節。另一方面是由于新型結構的出現，如空間網架，網殼結構等，設計者對其如何設計還沒有完全的了解。

一、鋼結構穩定設計的基本概念

1、強度與穩定的區別

強度問題是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起地最大應力（或內力）是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應力問題。極限強度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強度，對鋼材則常取它的屈服點。

2、鋼結構失穩的分類

（1）第一類穩定問題或者具有平衡分岔的穩定問題（也叫分支點失穩）。完善直桿軸心受壓時的屈曲和完善平板中面受壓時的屈曲都屬于這一類。

（2）第二類穩定問題或無平衡分岔的穩定問題（也叫極值點失穩）。由建筑鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發展到一定程度時喪失穩定的能力，屬于這一類。

（3）躍越失穩是一種不同于以上兩種類型，它既無平衡分岔點，又無極值點，它是在喪失穩定平衡之后跳躍到另一個穩定平衡狀態。區分結構失穩類型的性質十分重要，這樣才有可能正確估量結構的穩定承載力。隨著穩定問題研究的逐步深入，上述分類看起來已經不夠了。設計為軸心受壓的構件，實際上總不免有一點初彎曲，荷載的作用點也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構件的性能，就必須了解缺陷對它的影響，其他構件也都有個缺陷影響問題。另一方面就是深入對構件屈曲后性能的研究。

二、鋼結構穩定設計和施工原則

1、結構穩定設計原則

（1）結構整體布置必須考慮整個體系以及各組成部分的穩定性要求。目前, 結構大多數是按照平面體系來設計的,如桁架、 框架都是如此。保證這些平面結構不出現失穩, 需要從結構整體布置來考慮,即必須設置必要的支撐構件。也就是說,結構構件的平面內和平面外的穩定計算必須和結構布置相一致。

（2）結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖相一致。目前設計單層和多層框架結構時, 經常不進行框架穩定分析而是代之以框架柱穩定計算。在采用這種方法時,計算框架穩定時用到的計算長度系數應通過框架整體穩定分析得出,這樣才能使柱穩定計算等效于框架穩定計算。然而,實際框架多種多樣, 而設計中為了簡化計算工作, 需要設定一些條件。框架各柱的穩定參數及桿件穩定計算的常用方法,往往是依據一定的簡化假設或者典型情況得出的, 設計者必須明確所設計的結構符合這些假設時才能正確應用。

（3）結構的細部構造和構件的穩定計算必須相互配合。結構計算和構造設計相符合一直是結構設計中大家都十分關心的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接, 應分別賦予它足夠的剛度和柔度,對桁架節點應盡量減少桿件偏心,這些都是設計者處理構造細部時經常考慮到的。但是,當涉及穩定性能時, 構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如, 簡支梁就抗彎強度來說, 對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移,同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩定時上述要求就不夠了,支座還必須能夠阻止梁繞縱軸扭轉,同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲,以符合穩定分析所采取的邊界條件。現行《鋼結構設計規范》第 4 .2.5條已明確規定梁的支座處應采取構造措施以防止梁截面的扭轉。

2、鋼結構施工安裝中的穩定問題

鋼結構構件是在特定的狀態下使用的。在相對較為隨機的施工狀態下,其系統或構件的穩定條件會發生較大的變化;所以在安裝時, 要充分考慮它在各種條件下的構件單體穩定和結構整體穩定問題, 以確保施工安全。

構件單體穩定問題是指一個構件在工地堆放、 翻身、 吊裝、 就位過程中發生彎曲、 彎扭破壞和失穩。因而對于較薄而大的構件均應考慮這一問題。必要時要用臨時支撐對構件的弱軸方向進行加固。如單片平面桁架及高寬比相當大的工字梁等。結構整體穩定問題是指結構在吊裝過程中支撐體系尚未形成,結構就要承受某些荷載 (包括自重 )。所以在擬定吊裝順序時必須充分考慮到這一因素, 保證吊裝過程中每一步結構都是穩定的。若有問題可加臨時纜風等措施解決。

3、鋼結構穩定設計仍存在和需要注意的幾個問題

（1）鋼材為彈塑性材料,而目前大多數結構分析還是把結構看成完善的結構體系, 按完全彈性的材料做一階分析,忽略客觀存在的缺陷 (如殘余應力、 初彎曲、 初偏心等, 工字鋼和 H 形鋼殘余應力分布見圖 1), 使穩定計算和現實結構的穩定承載能力存在較大的差距。尤其殘余應力對穩定承載力影響非常復雜,不僅與構件生產工藝有關,還因構件幾何

尺寸不同而異。以梁、 柱構件為例, 殘余應力在常用的彈塑性失穩狀態長度下對穩定承載力有較大影響, 對以彈性狀態工作為主以及較短構件的影響較小。

（2）鋼結構穩定性研究中存在許多隨機因素的影響, 一般情況下,影響鋼結構穩定性隨機因素可分成三類:物理、幾何不確定性;統計不準確性;模型不確定性。目前在網殼結構穩定性研究中,梁——柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁——柱單元是否能真實反映網架結構的受力狀態還有待研究。只有進一步深入研究這些不穩定因素, 鋼結構穩定理論才能進一步完善。

（3）按照極限狀態設計法, 結構設計的基本表達式就是S≤R,各種建筑結構設計規范都應當執行這一規則, 規范中的設計計算公式也應當符合基本表達式的形式。然而,現行的《鋼結構設計規范》( GB 50017- 2003)中的大部分計算公式,尤其是關于穩定方面的計算表達方式是不符合這個規則的。規范中關于軸心受力構件計算公式是: ≤ f ，顯然,這個計算公式與基本表達式的形式是不符的。這樣的表達式,不僅沒有清楚地表明荷載作用應該小于抗力這一基本關系,反而攪亂了人們對穩定問題的正確理解。鋼結構設計規范只要稍微變換一下,就可以解決上述不足。比如將軸心受力構件計算公式改為: N≤ φAf 的形式。此表達式既避免概念模糊,又與按極限狀態設計方法的基本表達式一致。其它穩定計算表達式也可做類似的變動。

參考文獻：

[1] 紀榮洋,劉健. 鋼結構穩定問題的探索與分析[J]. 萊鋼科技, 2009,(02) .

[2] 陳妍. 鋼結構穩定設計原則及特點分析[J]. 中國新技術新產品, 2010,(09) .

篇（7）

2鋼柱拼接節點

圓管柱的工地拼接，采用全熔透坡口對接焊縫，焊縫質量等級為一級。根據《多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖》規定，下段圓管柱成品應在現場拼接節點位置設置內襯墊管，并在鋼管的四個方向上設置安裝耳板。待上段鋼柱吊裝就位后，用安裝螺栓將耳板鏈接，使待拼接的上、下兩段圓管柱對接固定后，進行現場焊接作業。焊接部位上下各100mm范圍的區域內，不得涂刷防腐油漆。

3梁、柱連接節點

梁、柱的連接節點構造應與連接類別的受力特征假定相符，根據強柱弱梁的原理，通常采用柱貫通的形式。梁、柱的連接構造主要有以下幾種形式：全焊接節點、栓焊混合節點及全螺栓連接節點。全焊接節點的缺點在于焊接工作量過大，并且在同一節點處焊縫數量過多的話，宜造成節點區焊接應力過大，甚至變形，影響其他鋼構件的連接。全螺栓連接節點，螺栓的數量可通過梁柱連接節點產生的內力來計算螺栓的數量。采用此方法，首先應先確定梁柱連接節點所產生的內力，包括彎矩、剪力、軸力，再根據內力來計算節點區螺栓的數量。全螺栓連接往往需要大量的連接螺栓，因此大量的螺栓孔洞會對母材強度產生削弱。并且對螺栓孔位的精度要求較高，孔位稍有偏差既可能影響多個構件的連接。本工程采用栓焊混合節點，梁翼緣與柱采用剖口全熔透焊，主要承擔節點彎矩；梁腹板與柱采用高強螺栓連接，主要承擔節點剪力及軸力。栓焊混合節點的優點是既減少了工地焊接的工作量，又避免了由螺栓承擔彎矩的弊端，因此被廣泛采用。

4梁、梁連接節點

主、次梁的連接主要有兩種連接方式，即剛接和鉸接。當采用鉸接連接時，次梁可視為簡支梁，設計時主要考慮次梁腹板所承受的剪力，并根據螺栓等強連接的模型計算所需螺栓數量。常見的梁梁鉸接節點如下圖1、圖2所示。圖2所示的連接節點，螺栓孔對主梁易產生偏心距使主梁局部承受扭矩，且外伸的連接板在構件的運輸過程中易損壞、變形。因此建議將梁梁連接的鉸接節點采用圖1的節點形式。

篇（8）

2混凝土水池設計

在分析完混凝土水池荷載情況之后，在水池結構設計時需要考慮這些荷載作用.下面我們以矩形鋼筋混凝土水池為例做結構設計分析.首先，完成長高比池壁的計算假定.側向荷載作用下，水池不同長高比受力情況有所差異，根據池壁單向與雙向受力情況做劃分。水池結構的布置要符合設計原則，像矩形水池均為長方形，布置時要考慮地形.基礎形式為擋土墻水池基礎多采用池壁下設置帶形基礎，地板采用鋪砌式結構，地板做成整體式，水池基礎為水平框架式和雙向板式.伸縮縫的設置上要考慮建造位置，比如土基中矩形水池，伸縮縫間隔情況如下：普通≤20m，溫度區間段≤20m，巖基中間隔≤15m；比如建造在土基中的鋼筋混凝土矩形地下式水池，伸縮縫間隔情況如下：普通≤30m，巖基中間隔≤20m.水池池壁結構形式的選擇情況如下：開敞式水池宜選擇變厚池壁，池底厚度為池壁的1.5倍；擋土墻式選擇等厚池壁；水平框架式池壁選擇變厚池壁.遵照以上設計原則，水池的結構設計將會保持合理性與穩定性，利于施工.

3鋼筋混凝土水池施工要點

鋼筋混凝土水池施工中要注意施工縫、混凝土澆筑與養護等施工要點.像施工縫，在底板澆筑完成后，池壁與底板的施工縫要在八字以上1.5m與2m處，底板和柱的施工縫在表面.池壁豎向澆筑要一次澆到施工縫處，并對柱身、柱帽等做兩次澆筑，以確保穩定性.對施工縫還要做鑿毛處理，將不密實表面或者浮漿鑿掉，還要避免損及混凝土棱角，避免剔出粗集料.鋼筋綁扎時可使用板凳筋做法或者排架法.混凝土澆筑過程中要保持池壁模板的穩定，避免變形或硬化失敗.至于施工縫要提前清理，保持合理濕潤度，在澆筑前鋪與混凝土配比相同的水泥砂漿，澆筑部分分層完成，每層厚度≤4m，間隔時間不宜過長，均勻攤鋪.在澆筑頂部時，要暫停1h，在混凝土下沉后做二次震動，消除可能因沉降造成的裂縫，澆筑完成后及時灑水養護.養護根據季節不同有不同注意要點，比如夏季因高溫干燥或者多雨等混凝土強度會受影響出現收縮裂縫后，必須在初凝后聯系養護兩周才能拆模，養護期間還要及時灑水，保證濕潤到位.完成養護拆模時表面還要添加超時的覆蓋層，及時回填土，保證混凝土水池的施工質量.

4鋼筋混凝土水池施工實例分析

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一、前言

輕鋼結構住宅相比于傳統住宅，有其突出的優點：

（1）輕鋼結構配件制作工廠化和機械化程度高，商品化程度高。

（2）現場施工速度快，主要為干作業，有利于文明施工。

（3）鋼結構建筑是環保型的可持續發展產品。

（4）自重輕，抗震性能好。

（5）綜合經濟指標不高于鋼筋混凝土結構。

隨著我國鋼產量的快速增長，對用鋼政策由限制用鋼到合理用鋼到積極用鋼，國務院1999年頒發的72號文件提出要發展鋼結構住宅產業，在沿海大城市限期停止使用粘土磚。因此開發輕鋼結構住宅體系已成為當前住宅結構研究中的熱點。不過，多層輕鋼結構的研究還處于起動階段，研究力度還不夠，實際設計和施工還存在不少爭議和問題。這些都急需解決，以利于輕鋼住宅在我國健康快速發展。

二、結構體系選型

對低、多層住宅，目前國內外常用的結構體系主要有：

（一）冷彎薄壁型鋼體系

構件用薄鋼板冷彎成C形、Z形構件，可單獨使用，也可組合使用，桿件間連接采用自攻螺釘。這種體系節點剛性不易保證，抗側能力較差，一般只用于1～2層住宅或別墅。筆者處理的幾個舊房加層，如薊縣國稅局、天津港派出所等改造工程，使用了該體系，效果較好。

（二）框架

目前，這種體系在多層鋼結構住宅中應用最廣。縱橫向都設成鋼框架，門窗設置靈活，可提供較大的開間，便于用戶二次設計，滿足各種生活需求。鋼框架考慮樓蓋的組合作用，運用在低多層住宅中，一般都能滿足抗側要求。但是由于目前框架柱以H型鋼為主，弱軸方向梁柱連接的剛性難以保證，因此設計施工時須慎重處理。

（三）框架支撐體系

在風載或地震作用較大區域，為提高體系的抗側剛度，增加軸交支撐或偏交支撐效果很好。這種體系為多重抗側體系，而且梁柱節點，柱腳節點可設計成鉸接、半剛接，施工構造簡單，基礎主要承受軸力，體形較小，因此成為人們青睞的對象。

（四）框架剪力墻體系

在低多層住宅中，可以應用傳統的剪力墻體系，如鋼筋混凝土剪力墻或鋼板剪力墻。目前正在研究的空腔結構板是一種理想的抗側結構。空腔結構板是一種新型的輕質板材，采用黃紙制成具有眾多等邊空腔結構的板狀基架，然后經浸漬而成。該板材與鋼框架可靠連接，便可形成新型剪力墻。另外美國，澳大利亞等國還開發了交錯桁架體系，比較新穎。

三、主要構件設計

（一）柱

前已述及，鋼結構住宅一般為大開間，框架柱在兩個方向都承受較大的彎矩，同時應該考慮強柱弱梁的要求。而目前廣泛使用的焊接H型鋼或I字熱軋鋼截面，強弱軸慣性矩之比3～10，勢必造成材料浪費。因此對于軸壓比較大，雙向彎矩接近，梁截面較高的框架柱采用雙軸等強的鋼管柱或方鋼管混凝土柱是適宜的。對于方鋼管混凝土柱，不僅截面受力合理，同時可以提高框架的側向剛度，防火性能好，而且結構破壞時柱體不會迅速屈曲破壞。因此，盡管平面受力結構中，選用H型鋼或I字鋼在受力上還是合理的但總體上，箱形鋼管柱尤其是方鋼管混凝土柱應得到廣泛應用。方鋼管混凝土柱將是鋼結構住宅發展的主要方向，但由于缺乏相應的規范、規程，目前在住宅中應用還很少。尤其鋼管砼梁、柱的連接較為復雜，不利于工廠制作和現場施工，應加大力度開發研究。

（二）樓蓋

在多層輕鋼房屋中，樓蓋結構的選擇至關重要，它除了將豎向荷載直接分配給墻柱外，更主要的作用是保證與抗側力結構的空間協調作用；另外從抗震角度來看，還應采用相應的技術和構造措施減輕樓板自重。常用的樓蓋結構有：壓型鋼板－現澆混凝土組合樓板，現澆鋼筋混凝土板以及鋼－混凝土疊合板，而以第一種最為常用。目前，在多層輕鋼房屋整體分析時，還普遍不考慮樓蓋與鋼梁的組合作用，即使設置抗剪鍵，也偏保守地假設鋼結構承受全部荷載，這樣不僅增加材料用量和結構自重，反而會造成強梁弱柱的不利情況。有一6層算例，表1、表2分別反映了考慮樓蓋組合作用對梁剛度以及結構整體剛度的影響。

表1截面慣性矩對比

構件名稱截面慣性矩組合前后的對比

主梁（負彎矩區）1.51（2.22）1.47

主梁（正彎矩區）1.51（4.28）2.83

次梁0.797（2.48）3.11

注：括號內為考慮年組合作用的情況

表2結構位移對比

結果工況1工況2工況3

樓層梁撓度16.9（10.9）16.9（10.2）/

屋蓋梁撓度35.5（35.4）34.3（34.2）/

底層層間位移16.9（10.2）4.8（3.7）8.4（5.9）

頂點位移/18.2（13.8）49.9（31.0）

注：括號內為考慮年組合作用的情況

算例表明，考慮組合作用后主梁的剛度大大增加，使得梁的撓度和地震作用下柱頂的側移大為減少，此考慮組合作用應予關注。為使樓層高度減到最小，提供更大的空間，組合扁梁樓蓋也成為一種趨勢。

（三）支撐體系

支撐分軸交支撐和近年發展起來的偏交支撐兩種，前者耐震能力較差，后者在強震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且為門窗洞的布置提供了有利條件，目前國內用的還很少，建議在高烈度區首選偏交支撐。剪切型耗能梁段，加勁肋按以下公式設計：

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―――加勁肋間距，d―――梁高，―――腹板厚度，γp―――塑性轉角；彎曲型耗能梁段還需在梁段端點外1.5bf處加設加勁肋。

（四）節點抗震設計

框架梁柱節點一般采用兩種連接方法，根據"常用設計法"，即翼緣連接承受全部彎矩，梁腹板只承受全部剪力的假定進行設計。震害表明，這種設計不能有效滿足"強節點弱桿件"的抗震要求，在高烈度區隱患很大。改進的框架節點設計，在梁端上下翼緣加焊楔形蓋板或者將梁端上下翼緣局部加寬蓋板面積或加大的翼緣截面面積主要由大震下的驗算公式確定：

式中：為基于極限強度最小值的節點連接最大受彎承載力，全部由局部加大后的翼緣連接承擔；為梁件的全塑性受彎承載力；為基于極限強度最小值的節點連接最大受剪承載力，僅由腹板的連接承擔；為梁的凈跨；為梁在重力荷載代表值作用下按簡支梁分析的梁端截面剪力設計值。

四、結論

篇（10）

1.1結構不合理、性能缺少驗證。在高層建筑設計中同時要考慮多種因素，保證結構承載力的前提下盡量減少造價成本，需要將建筑結構從總體至細節進行優化。優化工作多數是將設計圖紙中的一些參數進行計算分析，適當的加固墻體厚度，常出現缺少對地基承載力的實際考察情況。高層建筑的抗震能力規定在中等強度地震時建筑物不會產生高危裂縫，并可通過修補達到預期效果，在發生高強度的地震時建筑物保證結構不出現坍塌。地震發生的幾率很小，一旦發生具有極大的毀滅性，高層建筑抗震性能只停留在設計層面，從數據上分析已經達到了國家要求，但各施工地點基層土壤礦物質組成存在差異，松軟程度也就不同，缺少驗證，真正發生危險時其穩定性很難保證。

1.2結構設計缺少創新。高層建筑結構復雜，設計過程中受多種因素限制，為同時滿足多種需求，工程設計師都施行保守方案，缺少創新精神。鋼筋混凝土材質的墻體承載能力與結構有很大聯系，在剪力墻設計方案中，應充分借鑒國外先進技術，基于傳統結構進行創新，解決承載力不足的問題，同時使高層建筑整體結構更符合大眾審美，減少造價支出。概念設計在結構優化上的運用還受很多施工技術以及設備使用方面的限制，阻礙建筑工程行業進步。

1.3受力分布不均勻。高層建筑上下層的結構是不同的，為保證自身重力不會對建筑物造成破壞，基層修筑中會應用到大量的鋼筋混凝土材料，加固底層的同時削弱上層，可減輕對地基的壓力，同時建筑物承受風力和地震破壞的能力更強。進行概念設計過程中，沒有充分考慮轉換層占據的空間和對受力平衡的影響，承重柱滿足了承載上層壓力的要求，但墻體產生的剪力不能與內部的應力平衡，作用在水平方向時形成了破壞力。概念設計中缺少優化環節導致這一現象的產生，很難保障整體結構的穩定性。

1.4概念設計中常見問題的解決方案。設計過程中不可脫離實際情況，在前期準備工作中對建筑場地進行詳細的測量，將地區可能出現的自然災害進行模擬實驗，根據測試結果對設計結構進行優化。充分考慮建筑物的自重，滿足對抗震性能的要求，同時在結構上進行改進，應用力學知識，節省建筑過程中的原材料使用。合理修筑剪力墻，結構在成體建筑中起到承重作用，但不能破壞空間整體性，注重格局的設計，將各單元的樓梯間進行分別設計，根據不同區域的需求，可將方案進行更改，保證整體結構統一又各有特點。在樓體外觀的設計中加入符合當地人文特色的元素，使建筑物更具有中國特色。應用概念設計法時加強后期的優化工作，注重從宏觀到細致的過渡，設計方案要具有靈動性，應對施工進展過程中的突況工程師要及時進行探討，對原有結構做出更改，保障施工連續進展。設計測量工作中會涉及到很多變量，對這些數據進行反復測量，確定合理的浮動范圍，作為施工開展的有力依據。

2結構選型的問題

2.1結構的超高。在抗震規范與高規中，對結構的總高度都有嚴格的限制，尤其是新規范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為A級高度的建筑外，增加了B級高度的建筑。因此，必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為B級高度建筑甚至超過了B級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中，出現過由于結構類型的變更而忽略該問題，導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規劃的影響相當巨大。

2.2控制柱的軸壓比與短柱問題。在鋼筋混凝土高層建筑結構中，往往為了控制柱軸壓比而使柱的截面很大，而柱的縱向鋼筋卻為構造配筋。即使采用高強混凝土，柱斷面尺寸也不能明顯減小。限制柱的軸壓比是為了使柱子處于大偏壓狀態，防止受拉鋼筋未達屈服而混凝土被壓碎。柱的塑性變形能力小，則結構延性就差，當遭遇地震時，耗散和吸收地震能量少，結構容易被破壞。但是在結構中若能保證強柱弱梁設計，且梁具有良好延性，則柱子進入屈服的可能性就大大減少，此時可放松軸壓比限值。

3結構計算與分析

3.1計算模型的選取。對于常規結構，可采用樓板整體平面內無限剛假定模型；對于多塔或錯層結構，可采用樓板分塊平面內無限剛模型；對于樓板局部開大洞、塔與塔之間上部相連的多塔結構等可采用樓板分塊平面內無限剛，并帶彈性連接板帶模型；而對于樓板開大洞有中庭等共享空間的特殊樓板結構或要求分析精度高的高層結構則可采用彈性樓板模型。在使用中可根據工程經驗和工程實際情況靈活應用，以最少的計算工作量達到預期的分析精度要求，既不能不分情況一概采用剛性樓板模型，造成小墻肢計算值偏小，不安全；也沒必要都采用彈性樓板模型，無謂地增大計算工作量。

3.2抗震等級的確定。對常規高層建筑，可按《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002，J186-2002）第4.8節規定確定抗震等級，與主樓連為整體的裙樓的抗震等級不應低于主樓的抗震等級；對于復雜高層建筑還應符合第10章的規定；對于地下室部分，當地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，地下一層的抗震等級應與上部結構相同，地下一層以下的抗震等級可根據具體情況采用三級或更低等級。

3.3非結構構件的計算與設計。在高層建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內的非結構構件。對這部分內容尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構件進行設計時，由于高層建筑地震作用和風荷載較大，必須嚴格按照新規范中增加的非結構構件的處理措施進行設計。

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1、梁柱主筋受力處鋼筋設計

高層建筑的鋼筋結構中，由于框架柱和框架梁在主筋受力處會產生矛盾，因此在設計中必須考慮框架柱和框架梁的受力問題，堅持“強剪弱彎、強柱弱梁”的設計原則，也就是說，在設計過程中必須保證框架柱受力主筋的位置，避免框架梁截面寬度與框架柱的邊長等長或者是框架梁一邊與框架柱想重合。為保證上述過程，采取的對策主筋從框架柱內側通過，框架梁靠近柱側增加四根鋼筋作為架立，用于保證框架梁截面寬度的長度。效果分析：通過以上方法設計梁柱主筋受力處鋼筋設計，可以保證柱主筋受力位置的確定，并得到設計師的認可，并在施工中得到廣泛應用。

2、墻梁節點鋼筋設計

對于框架-剪力墻結構來說，由于主次框架梁都直接放在筒墻體暗梁或過梁的核心處，易出現：如果框架梁截面、暗梁以及過梁具有相同的截面高度，會使框架梁與核心筒的暗梁或過梁在主筋方面產生矛盾。為了避免此種情況的產生，一般采用的設計原則是：依據框架梁在固定端處的彎矩方式，框架梁在支座處應采用上拉動鐵處，擠壓下鐵位置，同時在暗梁或過梁的位置扭動，但要保證暗梁與連梁在箍筋處的完整。如圖所示為為固接框架梁彎矩的示意圖，可以使大家更好的了解什么是彎矩結構。具體措施為：在過梁的下鐵處設置兩排少于六根主筋的布置，框架梁下鐵則布置在兩排少于六根主筋的位置中間，并依照接頭全部處于支座周圍，并以比例50％錯開；框架梁上鐵應直接放置在過梁上鐵位置，用于保證錨固長度的設計要求；將過、暗梁截面減少5cm，框架梁的上鐵直接放置在過梁位置，來保證鋼筋保護層的深度。效果分析為：為預防過梁箍筋收到破壞，采取的調整框架梁下鐵受力主筋位置的方法已經得到認可；在錨固長度的設計要求下，將過、暗梁截面減少5cm，框架梁的上鐵直接放置在過梁位置，來保證鋼筋保護層的深度，也得到很多的應用。

3、主梁節點和次梁節點的設計

高層建筑鋼筋結構的框架剪力墻設計中，重點是主梁節點和次梁節點的設計，特別是主梁節點的設計已經成為當今剪力墻設計的焦點。傳統的設計是：次梁上鐵設置在主梁鋼筋之上，而板筋卻設置在次梁主筋上，這容易導致位置設置出錯，便不能滿足鋼筋保護層厚度的需求，從而嚴重影響其抗震能力。因此設計的關鍵是：位于主梁上方的次梁應在延伸到懸挑梁處的主梁的上側，因而在設計時應保證懸挑梁的尺寸，不能過小。框架梁與勁性柱在主筋上關于錨固長度關系。

二、高層建筑鋼筋施工技術

在高層建筑鋼筋施工中，首先要做的是統一測量的儀器以及鋼尺的量具。我們知道建造高層大樓設計很多的測量儀器，包括：土建方面的測量儀器和鋼尺、鋼結結構方面的測量儀器和鋼尺等，如果不統一這次儀器和鋼尺，會嚴重影響建造的過程以及傳遞，因而必須采取國家統一的計量單位和標準。其次，應對軸線、標高和地腳螺栓進行定位。一般來說，軸線的定位是依據場地的寬度，在建筑物外部或內部進行確定的。設置控制樁，用于確定經緯儀和激光儀的位置，通常以滿足通視、可視為基準。鋼柱長度一般采用2-3層為一節，來滿足起重量以及運輸。每一節的定位柱子到下一節的定位軸線，應從地面引致高空。地螺栓則是用在第一節鋼柱時，用于控制平面大小和標高所采用臨時措施。再次是鋼柱制作與安裝。鋼柱作為高層建筑中主要的豎向結構部件，在制作過程必須現行規范其驗收的標準。鋼柱柱腳的環板定位及附件安裝為：首先做好防腐或除銹的工作，根據現場吊裝要求及運輸，確定鋼筋長度（一般低于12cm），控制焊接尺寸以及防變形和保持對稱，用于實現焊接后的平直，附件安裝時應符合需求。最后是鋼梁柱的制作與安裝。鋼梁柱在高層建筑中一般采用的是H型結構，這需要較好的任性和連通性。一般在制造過程中，在框架梁所設置懸臂梁，懸臂梁上下翼緣采用剖口熔透焊縫方式與鋼柱相連。在安裝時，應先焊接下翼緣，再焊上翼緣，腹板利用高強度螺栓進行連接。