刚架结构设计论文十篇

刚架结构设计论文篇1

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。

刚架结构设计论文篇2

关键词：商用车横梁；力学性能；优化设计

中图分类号：U463.32 文献标志码： A 文章编号：1005-2550（2013）04-0010-05

商用车常用的横梁种类很多，但是由于没有确切的横梁弯曲和扭转性能参数，因此总布置进行车架设计时往往只根据自己的经验以及系统需求进行布置。这就导致很多车架结构设计不合理，车架扭转大的地方布置了扭转刚度较小的横梁，车架不受扭转的地方布置了扭转刚度很大的横梁，这些不合理的布置直接导致横梁开裂及车架振动问题，同时不利于降低车架自重及成本。为了优化车架横梁的布置，需要知道常用横梁结构的弯曲、扭转性能参数，用有限元手段标定各种横梁的性能参数。

目前商用车底盘常用的横梁有十四种，使用有限元分析软件HyperMesh对横梁进行前处理，使用Optistruct求解器标定各种横梁的绝对弯曲刚度和绝对扭转刚度，并将横梁分别安装在某工程车上，替换原来的第二和第三横梁，验证在整车状态下车架刚度的变化，验证横梁的弯扭性能对车架刚度的实际影响。

1 分析对象

本文选用了目前商用车行业最常见的十四种横梁结构进行分析。

各横梁结构见图1。

2 模型处理

本文使用有限元软件HyperMesh10.0对横梁进行网格划分，用QUAD8单元模拟薄板单元，RBE2单元模拟螺栓头，CBAR单元模拟螺栓连接，CGAP单元模拟板层接触。横梁结构一共划分节点44 061个，单元19 847个，本文使用RADIOSS/OptiStruct求解器进行求解。

3 计算工况

1）结构七和结构十一的扭转刚度最大，在替换工程车车架的第二、第三横梁后，车架的扭转刚度仍然是所有结构中最大的，与表2中的计算结果一致；

2）结构一和结构二的弯曲刚度最大，在替换某工程车车架的第二、第三横梁后，车架的弯曲刚度也仍然是所有结构中最大的，与表1中的计算结果一致；

3）表3的计算结果再一次验证了表1和表2中数据的准确性。

7 结论

通过上述分析，可以得出如下结论：

1）结构一、结构二、结构九和结构十四弯曲刚度大，适用于载重较高、使用工况较好的车型；

2）结构七、结构九和结构十四扭转刚度较大，适用于工程车等使用工况较为恶劣的车型；

3）结构五、结构十三弯曲刚度和扭转刚度性能均衡，但是重量极轻，适用于载重较小的轻量化公路运输车。

综上所述，在车架结构设计时，不同车型以及车架不同的部位所承受的弯曲和扭转都不同，应根据车架的受力情况选取合理的横梁结构及连接方式进行布置，以上对横梁性能的分析可以提供很好的参考。

参考文献：

刚架结构设计论文篇3

关键词：异形柱；抗侧刚度

1 引言

钢筋混凝土异形柱框架结构体系顺应节省土地、墙体改革、建筑节能、工业废渣利用等基本国策，建筑功能优于普通框架结构体系，作为一种新型的结构体系，正在得到广泛应用。异形柱正截面承载力计算方法已有论述[1][2]。在水平荷载作用下，计算框架结构的内力与位移最重要的是首先计算出杆件的抗侧刚度D. 由于异形柱框架结构框架柱截面的特殊性，在外力作用下一般发生双向弯曲，所以无法象矩形截面柱那样计算其抗侧刚度，也就无法象矩形截面柱那样计算结构的内力与位移。本文将从异形柱平面假定及受力性能出发，导出其抗侧刚度公式D。从而，异形柱框架结构的内力计算就象普通框架那样求解。

2 异形柱抗侧刚度

推导异形柱抗侧刚度前，假定楼层的刚度在平面内无限大，则柱的上下两端只有侧移，没有转角，且同一层柱中各端的侧移相等。计算模型如图1所示，图（a）可等效成图（b）和图（c）的叠加。下面分别讨论在弯距 ， 以及在水平荷载 作用下两种情形，以“L”形截面柱为例。

2.1 异形柱在 作用下弯曲讨论[3]

图2所示， ， 轴为横截面上一对相互垂直的形心轴，“L”形柱在 作用下，将在 平面和 平面发生弯曲，同时将产生 方向的位移分量 和 方向的位移分量 。设相应的曲率为 和 ，由几何关系和边界条件可以得出柱顶产生转角为：

2.2 “L”形截面柱在水平荷载 作用下侧移及转角

图3所示“L”形截面柱，下端固定，上端自由， 沿 轴正向作用于柱顶形心。在 作用下，柱将产生 方向的位移分量 和 方向的位移分量 ，可得出柱顶产生转角为：

2.3 异形截面柱抗侧刚度的确定

根据平面假定，柱的上下两端只有侧移，没有转角可得：

根据抗侧刚度的定义，当 ， 即为“L”形截面柱的抗侧刚度

由结构力学可知，矩形柱的抗侧刚度为：

应当指出：由以上分析可知，抗侧刚度公式与杆件的几何形状和尺寸无关，可以推广到“T”，“十”等其他截面柱抗侧刚度计算。

3.异形柱框架结构内力计算[4]

算例：某8层住宅楼，层高2.8m，采用异形柱框架结构，标准层平面如图4所示，从下到上各层所受地震力分别为42，75.6，112，148.6，185.1，221.6，258，216KN，作用方向如图所示，计算该框架在地震作用下的内力和位移。

以上推导了异形柱的抗侧刚度D值，在水平荷载作用下计算异形柱框架结构的内力和位移就可以采用D值法，按平面框架进行内力分析。计算结果见表―1和表―2。

4 结束语

本文给出了异形截面柱抗侧刚度的计算方法，为异形柱框架结构设计提供了一定的理论基础。有了异形截面柱的抗侧刚度计算公式，在水平荷载作用下异形柱矿框架结构内力和位移计算就可以采用D值法。

参考文献：

[1]李九宏 异形截面钢筋砼偏心受压构件正截面承载能力计算[J]，《建筑结构》 1994

[2]张首伟 异形柱正截面承载力设计[J] 工程设计CAD与智能建筑 1999

刚架结构设计论文篇4

[关键词]：门式刚架，抽柱，计算模型，节点设计

1、工程概况

博兴铝业公司年产10万吨铝合金带坯工程熔铸―冷轧车间，位于青海省高新区，抗震设防烈度为7度。新建厂房要求采用全钢结构厂房，建筑面积约16650m2，长198m，横向宽84 m，分别为一个24m跨和2个连续30m跨，共三跨，两个不对称的双坡屋面，坡度为1：20，且第三跨为高低跨的高跨，均有通风屋脊，如平面布置图所示。吊车型号及轨顶标高详见剖面图所示。

2、结构设计

2.2结构方案

刚架柱为焊接工字型实腹式单阶柱，刚架梁为焊接工字型实腹式变截面梁，梁分段节点采用摩擦型高强螺栓连接；梁柱连接采用端板竖放式摩擦型高强螺栓连接节点；柱脚为插入式刚性连接。檩条、墙梁均采用C型或Z型冷弯薄壁型钢。屋面支撑采用型钢十字形支撑加刚性系杆体系。

2.3刚架形式的确定

在实际设计中首先遇到的问题是刚架形式的确定。基本柱距选定为9m， C列柱距有9m和18m两种，除常规的9m柱距门式刚架结构外，因为抽柱的情况出现就存在两种特殊的刚架形式，见下图刚架形式a、b。对于每一种刚架形式，边柱的受荷面积肯定是9m的，无论是恒载、活载、风载、吊车荷载均不例外，而对C列中柱来说就有两种情况，即9m、18m，用门式刚架计算存在诸多的问题。

对于抽柱刚架，是否同排架计算一样，多出一跨和一个柱。排架的屋面梁刚度很大，受力后的轴向变形可忽略不计，当排架受力后，横梁两端两个柱子的柱顶水平位移相等，而刚架与排架完全不同，显然这种形式不能照搬排架计算模式。

经过认真分析、讨论，先是考虑从调整构件刚度入手来解决问题，就刚架②为例，抽柱位置柱为一个刚度，其他柱为1.5刚度，横梁为1.5个刚度，当然这样的一榀刚架的计算结果只有抽柱位置的柱是可用的，对于刚架③而言，刚架柱为一个刚度，而梁在托架处的简支支座又成了一个无法解决的问题，假如这个问题能得到解决，这榀刚架计算结果的梁和柱都是可用的。虽然从构件的刚度出发可以解决问题，但是由于这种方案实用性太差，所以实际设计未被采纳。

经过反复论证，最后在实际设计中采用的一种方案是构件刚度不做调整，而是从梁、柱所承受的荷载出发来考虑。

2.4刚架梁柱受荷面积的确定

如何解决梁受荷面积均为9m，而柱受荷面积有9m、18m的情况，每一个问题的出现都要经过多次反复讨论，为了解决这个问题，笔者先后提出两种可供采取的计算方案：

第一种方案是计算一个9m单元，采用他的梁计算结果，再计算一个18m单元，采用它的柱计算结果，这样虽然理论上是可行的，但实际操作却比较繁琐，特别是对最后的施工图绘制带来相当大的困难，因为目前我们所用的钢结构软件施工图绘制时，梁和柱不是分开的，而是成套绘制的，包括连接节点、材料表等。

第二种解决方案，也是实际设计中采用的方案，梁上仍为9m的均布线荷载，在中柱（受荷面积超过9m的中柱）顶部加一集中荷载，这一集中荷载相当于托架传过来的9m荷载，这样处理后即符合实际情况，又可直接利用计算机成图，节省很多时间。同时在屋面支撑系统布置上考虑构造加强，即沿抽柱位置柱列两侧设置屋面纵向水平支撑，其两端各伸过抽柱位置一个柱距，进而提高抽柱位置门刚厂房的空间刚度，以保证吊车和风荷载所产生的水平力能分布到邻近的刚架上去。

2.5吊车荷载的输入

STS程序对每一跨的吊车荷载设置的主要参数为：（1）最大轮压产生的吊车竖向荷载Dmax（千牛）；（2）最小轮压产生的吊车竖向荷载Dmin（千牛）；（3）吊车横向荷载对柱子的作用力Tmax（千牛）；（4）吊车荷载作用的跨左节点N1；（5）吊车荷载作用的跨右节点N2；（6）吊车竖向荷载与左节点的竖向偏心EC1（米）（右偏为正）；（7）吊车竖向荷载与右节点的竖向偏心EC2（米）；（8）吊车横向荷载对柱子的作用力与与节点的垂直距离Lt（米）；（9）考虑空间工作和扭转影响的效应调整系数；（10）吊车桥架引起的地震剪力和弯矩增大系数；（11）吊车桥架重量（千牛）。

从以上11个参数可知，牵涉到每一跨的吊车荷载大小的参数主要为（1）（2）（3）三个参数，但对于有抽柱计算单元的跨间来说，一列柱9m，一列柱18m，这就存在6个参数，即吊车最大轮压作用在左节点时，各节点的吊车荷载；以及吊车最大轮压作用在右节点时，各节点的吊车竖向荷载；还有各节点的吊车横向水平荷载，即要根据抽柱的实际情况选用抽柱排架吊车数据输入，由于在门式刚架中普通排架吊车荷载在任一跨中的两个节点上的吊车荷载是完全相同的，而抽柱情况下，任一跨中的两个节点上的吊车荷载则是不同的，这是抽柱情况下用STS程序计算门式刚架的抽柱刚架特别需要留意的。

2.6刚架梁支承在托架上支座的输入

首先问题的提出有以下几个原因：（1）STS门式刚架程序中无法输入一个简支点，梁的支承点必须是与柱形成的铰接点或刚接点，所以托架作为梁的支承点是无法直接输入的。（2）吊车荷载是针对某一跨来输入的，就拿前面所述的刚架④为例，如何输入B～C跨和C～D跨的吊车荷载。

为了解决以上的问题，需在简支点处设一模拟柱，即上下均为铰接的摇摆柱，这样既解决了梁的支承点问题，又可输入相邻柱列的吊车荷载，如下图示。摇摆柱截面刚度应适当减小，但太小又会导致绘制施工图时出现异常。

高低跨位置先是考虑用钢托梁支撑屋面梁，即用两根钢托梁分别支撑高、低跨屋面梁，但低跨钢托梁在竖向位置上恰好与高跨吊车梁制动系统相碰，因而也就无法在该位置上设钢托梁；转过来考虑采用单个钢托架代替钢托梁，即在高低跨屋面梁之间设联合钢托架，这样不但解决钢托梁与吊车制动系统相碰的矛盾，而且将两片钢托架在平面外用缀条连接，形成空间桁架，不仅缩短了钢托架平面外的计算长度，而且还大大增强了钢托架的平面外刚度，这样就顺利解决了高低跨屋面梁的可靠支撑问题。如下图示。

3.结语

刚架结构设计论文篇5

关键词：框架结构；强柱弱梁；概念设计

1 引言

概念设计对于结构设计来说十分重要，甚至可以说概念设计是结构设计的根本。概念设计有几个重要原则：“强柱弱梁”，“强节点弱构件”，“强剪弱弯”。本文重点讨论框架结构的强柱弱梁问题。

框架结构设计上要求强柱弱梁，以保证结构的延性，用以提高结构的变形能力，防止在强烈地震作用下倒塌。强柱弱梁不仅是手段，也是目的，其手段表现在人们对柱的设计弯矩人为放大，对梁不放大。其目的表现在调整后，柱的抗弯能力比之前强了，而梁不变。即柱的能力提高程度比梁大。这样梁柱一起受力时，梁端可以先于柱屈服。

2 规范的相关规定

《建筑抗震设计规范》（GB5011-2010）第6.2.2条规定：一、二、三级框架的梁柱节点处，除框架顶层和柱轴压比小于0.15者及框支梁与框支柱的节点外，柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求：

∑Mc =ηc∑Mb （1）

一级框架结构及9度时尚应符合

∑Mc =1 .2∑Mbua （2）

式中各符号意义见规范。

当反弯点不在柱的层高范围内时，柱端截面组合的弯矩设计值可乘以上述柱端弯矩增大系数。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第6.2.1条以及《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）第11.4.1条均有相似的规定。

3 问题

但汶川地震的结果并不如预想的一样，如下列图：

4 讨论如何从设计上保证强柱弱梁

（1） 框架梁端弯矩调幅

由于钢筋混凝土结构具有塑性内力重分布性质，在竖向荷载下可以考虑适当降低梁端弯矩，进行调幅。

优点：①减少负弯矩钢筋的拥挤现象。

②有利于实现强柱弱梁

③减少梁端，增大跨中，梁构件偏于安全。

（2）中梁刚度放大系数

《高规》第5.2.2条规定：在结构内力和位移计算中，现浇楼板和装配整体式楼面中梁的刚度可考虑翼缘的作用予以放大。其建议中梁该系数取2，边梁取1.5。

规范对于梁刚度的放大主要是为了考虑楼板翼缘对梁刚度和承载能力的贡献，因此规范规定可通过采用梁刚度放大的方法来近似考虑。

但在实际操作过程中，若对中梁刚度进行放大，一般情况下梁的内力会增加，相应配筋也会变大，因为T形截面的钢筋全配在了矩形截面里。结构有由强柱弱梁往强梁弱柱转化的趋势。

所以建议算梁内力时，中梁刚度放大系数取1.0，算位移时，可以考虑中梁刚度放大。

（3）柱梁的线刚度比

虽然规范没有规定框架结构柱梁线刚度比。但是框架柱作为竖向构件，有必要截面适当的强，对于传递竖向力的水平构件的框架梁也有必要适当的弱。在抗震设防区，框架柱与框架梁的线刚度比宜控制在1.5～2.5范围较为合理。但有些情况不宜实现，往往框架柱与框架梁的线刚度比值还会很小，比如框架柱与井字梁的边梁的线刚度比值。此时建议结合柱轴压比进行控制，轴压比应比规范规定限值要小多些。

（4）控制柱子配筋率

《混凝土结构设计规范》规定柱中全部纵向钢筋的配筋率不宜大于5%。

但本人认为最好控制在1%～2.5%，一方面经济性较好，另一方面说明柱截面尺寸相对合适。当柱配筋较大时说明柱截面尺寸相对较小，带来的必然是柱的线刚度较小。

5 中梁刚度放大系数的影响

《高规》第 5.2.2 条规定：在结构内力与位移计算中，现浇楼面和装配整体式楼面中梁的刚度可考虑翼缘的作用予以放大。楼面梁刚度增大系数可根据翼缘情况取1.3―2.0。按照《高规》条文说明中的建议，当近似以梁刚度增大系数考虑时，应根据梁翼缘尺寸与梁截面尺寸的比例予以确定，通常边框架梁取1.5，中框架梁取2.0。

在水平地震力作用下，梁刚度对于结构内力、位移、周期等均有影响。一般情况下，梁的刚度增大，其内力也会相应增大，配筋增加，导致梁承载力得到提高。而对于大多数柱子而言，即使柱端弯矩增加，其配筋面积仍然为构造配筋，承载力并没有相应得到增加，这样就使结构存在由强柱弱梁向强梁弱柱转变的趋势。并且，即使框架柱是计算配筋，在水平地震力作用下，由于梁刚度增大很多，使内力更多地分配给了框架梁，从而造成框架柱内力减小，配筋减小，承载力降低，更有可能使结构转变成强梁弱柱，对抗震更加不利。

所以，笔者认为在计算框架梁柱配筋时，要合理考虑设置梁刚度放大系数，并且相应增加框架柱的计算和构造措施。比如，在实配柱纵筋和箍筋时，应考虑由于梁翼缘板的作用和梁裂缝宽度验算所导致增加梁纵筋的影响；增大框架柱的最小截面尺寸及最小配筋率等。

6 结论

强柱弱梁概念设计对框架结构的延性及安全性起着重要作用，因为一旦柱端先与梁端出现塑性铰，轻者引起局部坍塌，重者引起整幢楼倒塌。因此结构设计时应充分重视强柱弱梁的实现。本文从结构设计过程中指出应该注意的问题和指标。对结构设计有一定的指导意义。

参考文献：

[1] GB50010-2002，混凝土结构设计规范[S].

[2] JGJ3-2002/J186-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S].

刚架结构设计论文篇6

【关键字】轻钢结构，厂房设计，分析研究

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

在建筑结构设计中，轻型钢钢架的设计是比较常见的，但是，其设计并不是十分的容易。如何进行轻型钢结构的设计是我们进行设计时首要考虑的问题。但由于目前国内系统的论述轻钢结构的书籍还比较缺乏，设计人员大都根据《轻型房屋钢结构技术规程》和《钢结构设计规范》进行设计，而部分结构设计人员从事设计时间不长，对设计规程、规范理解不够全面，对轻钢结构厂房的设计经验不足，以致在设计中出现技术经济不合理现象，甚至造成安全隐患。

二、轻钢结构典型优势

轻钢结构属轻型钢结构的一种类型，其结构体系，简言之，是由刚架为承重结构，配套轻型屋盖和墙体围护结构，以及相应的支撑系统所组成的结构体系。轻钢结构和其他材料的结构相比，具有如下优点 。

（一）自重轻

轻钢框架结构重量比很高，墙厚较薄，因此可以使房屋的跨度达到很大，钢材可根据不同用途合理分配截面尺寸的高宽比，使用面积较其他结构要提高很多。这种截面模数大，具有优良的力学性能和优越的使用性能，结构强度高。轻钢结构与混凝土结构相比，自重约为后者的一半 。在工程设计中可以根据实际情况达到个性化的要求 。

（二）结构稳定性好，抗震性能突出

轻钢框架结构稳定性良好 ，钢梁、钢柱组成柔性框架，可充分发挥钢材强度高、延性好 、塑性变形能力强的特点，以吸收部分地震能量，房屋的抗拉伸、扭曲 、震动的能力得以强化。一般而言，其抗震能力是砖混结构的2倍以上，在高烈度的地震灾害后，用于修复的费用减少 。而且适合建造在各种地质条件的地基上，提高了结构的安全可靠性 。

（三）施工速度快

一般情况下，轻钢框架结构建筑的施工由于设计标准化、定型化，构件加工制作工业化，另外加上现场安装施工的过程中不受气候影响，简单快捷，时间相对钢混结构住宅缩短工时1／3~1／2，加快了资金周转，大大提高了投资回报速度 。

三、轻型钢结构厂房的优化设计

1. 刚架最优柱距的确定

刚架的柱距与刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因素有关。随着刚架柱距的增大，刚架用钢量是逐步下降的，但当柱距增大到一定的数值后，刚架的用钢量随着柱距的增大其下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、墙梁的用钢量随着柱距的增大而增加，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降后上升。大量计算数据表明：一般情况下，门式刚架的最优柱距为6—9 m，柱距不宜超过9m，超过9m屋面檩条与墙梁体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。因此，从综合分析的角度看，确定合理的柱距才能既节省钢材，又使设计真正做到定型化、专门化、标准化以及轻型化，从而推动门式刚架轻型房屋结构体系在我国的发展。

2．合理跨度的确定

在设计中，应该根据具体房屋的高度来确定合理的跨度，总体来说，当荷载和柱高一定时，我们在设计中就应适当加大房屋的跨度，这样一来，刚架的用钢量整体增加不明显，但却很大程度上节省了空间。通过大量计算得出：当檐口高度为7 m、柱距8．5 m，荷载情况完全一致的情况下，跨度在18—48 m之间的刚架单位用钢量为18～35 kg／m²，当檐口高度为12 m时(其他情况相同)，跨度在18—48 m之间的刚架单位用钢量(Q235一B)为25—40 kg／m²，因此，在工艺要求允许的情况下，设计人员选择方案时应选择较为经济合理的跨度，不宜盲目追求大跨度。

3. 截面优化设计

实现截面优化的方法主要有两种：

（一）穷举法。首先仔细计算和比较各种合理的构件截面形式，并在满足具体设计要求的情况下，以用钢量最少或造价最低作为控制条件，得到满意的截面尺寸。门式刚架常采用变化构件的截面来适应弯矩的变化以达到节约钢材的目的。除腹板的高度变化外，厚度也可根据需要变化，上、下翼缘可以用不同截面，相邻单元的翼缘也可采用不同的截面形式。因此，影响整个刚架用钢量的因素有上、下翼缘宽度、厚度，腹板的厚度，构件大头、小头的高度，而且这些因素之间也互相影响，互相不独立。工程设计从形式上来说，是一种非常严格的力学和数学方法的精确运算过程。

（二）用最优化理论。首先可以把问题归纳为一个单目标的问题，用钢量最少或造价最低最为优化的具体目标函数，应力、位移等可以作为约束条件，最后用我们的数学方法得到最满意的解。

事实上，结构设计中起重要作用的并不是那些运算方法和数学处理，而是一系列难以用精确的计算解决的、具有主观色彩的决策问题。所以，完全用最优化理论来解决截面优化设计有很大的复杂性。当设计人员决定了结构形式后，截面优化比较简单易行的方法是按照构件的内力来调整截面尺寸，经过试算来确定重量最小的截面。这种方法不但计算次数少，而且可以人工干预截面优化范围，快速的得到比较理想的截面尺寸。

4. 柱脚设计

轻钢结构柱脚形式有两种：即铰接柱脚和刚接柱脚。对于铰接柱脚，基础仅受轴心荷载作用，设计相对比较简单。但部分轻钢节结构厂房都有吊车，依据《轻钢结构刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定：用于工业厂房且有5 t以上的桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接；《技术措施结构2003)规定：当设有桥式和梁式吊车时，轻钢结构刚架柱宜采用等截面构件，柱脚应设计成刚接。因此5 t以上的桥式和梁式吊车的门刚结构柱脚应设计成刚接；3 t及以下悬挂式吊车和无吊车的门刚结构，柱脚才可以设计成铰接。有较大吊车的房屋，柱顶位移较大，柱脚采用刚接，使得每榀刚架形成超静定结构，不但能减小柱顶位移而且具有更大的安全储备。对于高宽比和风荷载较大的无吊车门刚结构，柱脚也宜设计成刚接。

同时当柱底板与混凝土基础间的摩阻力不足以抵抗全部的水平剪力时柱脚还应设置抗剪键，抗剪键的设置需要计算。在基础施工时应留置键槽，键槽每侧宽出抗剪键不小于30 mm，底部空隙高度不小于20mm。在柱脚底板和基础顶面之间留有一定空间，柱脚铰接时不宜大于50 mm，柱脚刚接时不宜大于100 mm。

五．结束语

近年来，我国的建筑工程建设事业也在快速的发展着，同时由于近些年我国彩色刚的产量的增加，轻型钢逐渐在建筑工程中的应用越来越普遍，已经成为现代大跨度厂房的首选了。轻型钢门式钢架结构在建筑结构设计中是普遍存在的，因为这种结构设计具有很强的优势，是其他一些建筑结构设计所无法比拟的。但是这种钢结构设计在某些地区目前还不是很成熟，在建筑工程中的应用不是很好。因此，为了更大范围的发挥这种结构设计的优势，确保这种钢结构设计的质量，我们就需要对该种钢结构设计进行分析，克服在轻型钢门式结构设计中存在的问题，掌握其设计技术，使轻型钢门式结构设计得到更大的发展。

参考文献：

[1] 白洪源; 余洋 关于轻钢厂房结构设计的几处解惑工程建设与设计2011-08-20期刊

[2] 贺剑 门式刚架轻钢结构厂房的鉴定与加固方法研究同济大学2008-03-01硕士

[3] 邹剑强; 付桂宏; 徐克利 设有100/20t吊车的重型钢结构厂房结构设计建筑结构2006-06-15期刊

[4]徐可心; 杨金澄 浅谈轻型门式钢架结构厂房的设计吉林省土木建筑学会2011年学术年会论文集2011-12-06中国会议

刚架结构设计论文篇7

【关键词】高层钢结构 工业厂房 厂房设计 钢结构设计 高层结构设计 框架

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

一．引言。

高层钢结构，一般是指层数为6层以上或者是高度为30米以上的，主要采用型钢、钢板连接或者是采用焊接成为构件，在经过焊接连接而成的结构体系。高层钢结构通常分为钢框架结构和钢框架—混凝土核心筒结构形式。钢结构框架是采用钢材制作为主的建筑结构，也是最主要的建筑结构类型之一，由于钢结构刚度大、强度高、自重轻等优点，被广泛应用于超重型、超高、大跨度的建筑物结构设计中。钢框架-混凝土核心筒结构一般用于现代高层或是超高层钢结构建筑中，其实质是钢—混凝土混合结构，应用较为广泛。

二．工业厂房高层钢结构方案选择。

 1.工程概况。

国内某铜冶炼厂需要从国外引进3台奥斯麦特炉，其中有沉降炉、熔炼炉、吹炼炉各有一台，需要将设备集中放置于熔炼炉的主厂房内。熔炼炉主厂房车间平面为矩形厂房，长度为36米，宽度为25米，主跨度为21米，副跨度为4米，其檐口标高为47.2米，总建筑面积为5000平方米。主跨内设置有50T和10T重量级的桥式起重机各一台，其轨顶标高为41.77米，在屋面梁下悬挂有供炉子提升氧枪所用的2台10T电动葫芦，该厂房楼面的大部分活载为30kN/㎡。

工程工艺较为新颖，要求较为严格，施工流程较为复杂，同时室内具有高温热源，受到二氧化硫等气体的腐蚀影响，楼层间的高低差距较大，工程位于7度地震区，厂房业主要求工期较为紧迫。

2.方案选择。

由于该工程的特殊性，同时考虑工艺流程配置的特殊要求，综合考虑其他因素，确定采用钢框架结构较为适宜。考虑到厂房形式为自下而上的敞开大空间，没有完整的楼层，其结构空间刚度较弱，在厂房四周设置垂直的支撑，设计时室内柱间无障碍物，便于设备管线的布置。采用钢框架结构的结构体系，具有较为稳定的抗侧刚度，其稳定性取决于柱和梁的连接接点刚度及其延性。

3.结构类型选择参考。

钢结构工业厂房设计中，通常采用的建筑结构形式有三种:

(1)第一种为框架和支撑体系，设计时将横向设计为刚接框架，钢架梁和柱子也为刚接；纵向设计成为柱-支撑体系，框架梁和柱子为铰接，各柱间的支撑抵抗水平的荷载。此种结构比较适合横向较短，纵向较长的工业厂房，结构较为经济，比较节省钢材，其缺点为各柱间的支撑可能会影响到上部钢结构的使用。

（2）纯框架结构体系。此种结构为将纵向和横向两个方向上都设计为刚接框架，不在各柱间设置支撑。纯框架结构体系的使用空间不容易受到影响，在设计时不适合采用工字型截面柱，一般适宜采用口形或圆形等两个方向上惯性矩差别不大的截面形式，采用此结构需要较多的钢材用量，施工制作相对较为困难。

（3）钢架+支撑混合体系。钢架和支撑混合体系综合了框架和支撑体系、纯框架结构体系两种结构体系的优点，结构设计时将纵向设计为钢架和支撑混合的结构形式，在厂房的外侧设置柱间支撑，依靠二者的共同作用来抵抗水平力。钢架和支撑混合体系将少了柱子的纵向弯矩，柱间的支撑抵抗水平力效果较好，设计可以采用工字型的截面柱，此种结构需要较大的楼层刚度，适合采用钢筋混凝土楼面来保证整体的空间刚度，其截面宽度较大。

结合工程要求和钢结构各结构体系的优缺点，本方案选择钢架和支撑混合体系。

三.高层钢结构工业厂房设计。

1.高层钢结构工业厂房刚度保证。

工业厂房中的钢结构体系具有较好的延性，非常利于建筑的抗震设计。钢结构体系要满足建筑结构使用要求，就必须保证结构中的钢材具有足够的刚度。因此，在高层钢结构工业厂房的设计中，要从结构计算和结构构造两个方面来保证建筑厂房的刚度要求。

（1）结构计算。

本工程内厂房没有较为完整的楼层，其建筑空间工作性能较差，在进行厂房设计时，要根据平面框架体系来进行计算，其结构的侧向变形要严格控制。

在厂房外部风荷载作用下，其顶点的侧移要低于建筑物高度的1/500，各层间的位移要低于建筑楼层的1/400;考虑吊车的水平横向上的刹车力作用，要将厂房柱在吊车梁的顶面处横向变为控制在小于Ht/2000。考虑厂房位于7度地震区内，在地震的水平力作用影响下，建筑结构在弹性阶段的层间位移不能高于结构层高的1/250。根据设备提供方的所标明的设备安装工艺要求，在标高21.2米处，受到风荷载作用影响时，最大的水平位移要控制在35mm以内。

（2）结构构造。

高层钢结构厂房设计的结构构造是要通过加强构造措施，来保证结构关键和薄弱部位，来提升结构设计。结合本工程的实际情况，要从多方面来考虑。

结构设计中，在不影响生产操作的大前提条件下，在厂房的四周上要设置水平和垂直的支撑，来加强支撑体系。在本方案中，厂房高度为47米，楼层层数为9层，各层高平均为5.2米，层高是普通民用建筑的2倍之多，楼层中最矮的层高为3米，楼层最高的层高为7米。在整个楼层建筑中，基本上没有一个是较为完整的楼层，部分楼层还是钢格板，其建筑空间的工作性能较差。为了保证结构安装时的稳定性和加强厂房的刚度，在厂房的部分要增设柱间支撑，在每隔一层楼板的位置，沿着厂房的外侧来设置宽度大于3米的水平支撑。

厂房设计时，要考虑框架梁的侧向支撑。考虑抗震设计要求，在框架的各节点中，距离柱轴线的1/10梁跨处，为防止框架梁在弹塑性的状态下的侧向屈曲，有可能出现塑性铰的位置上要设置侧向的支撑构件。结合本方案情况，在设计时需要考虑一下两种情况：第一，当梁上翼缘和楼板相连在一起时，可只设置下翼缘受压区的侧向支撑；第二，独立框架梁在上下翼缘都设置有支撑时，其基本方式是要在互相垂直的两根梁的中间部位设置偶撑。

结构设计中，要在框架的纵横两个方向上都要采用刚性节点的方式，各柱脚位置要采用外包式的刚性柱柱脚。

2.钢结构厂房在设计时需要考虑的因素。

钢结构的发展是随着我国建材市场的发展而得到广泛应用，现代的工程通常都采用了钢结构的厂房，其由于抗震性能好、自重较轻、施工速度较快等诸多优点，被广泛应用到建筑工程中。本工程案例就是钢结构应用的典型。作为建筑结构类型之一的钢结构，在进行高层厂房设计时，需要考虑多方面因素。

（1）钢结构工业厂房的图纸设计的重要性。

工业建筑工程的图纸是工程施工的重要依据，在高层钢结构工业厂房的设计期间，要组织专业的技术人员对设计图纸进行严格审核，要检查施工图纸中是否存在“漏、错、缺”等问题，要力争将问题在施工之前进行解决，要尽量减少因施工图纸对工程施工进度和施工质量产生影响。高层钢结构工业厂房在工程设计中要针对制作阶段和工程安装阶段分别编制对应的施工组织设计，在结构中的制作工艺要包括制作阶段工序、分项的技术要求和质量标准，要为提高建筑结构的产品质量制定各类具体措施。

（2）高层钢结构工业厂房的支撑系统设计原则。

高层钢结构工业厂房具有特殊的结构形式，为了保证厂房空间工作性能，要提高建筑结构的整体刚度，要能承受和传递纵向方面的水平力，最大程度的防治杆件产生过大变形，要避免压杆出现失稳，以此来保证结构的整体稳定。设计中要根据厂房的结构形式，设置车间吊车、振动设备、厂房跨度以及厂房的高度、温度区段的长度等等基本情况来设置稳定可靠的支撑系统。在厂房结构中，对每一温度区段要设置较为稳定的柱间支撑系统，要同屋盖的横向水平支撑保持相互协调的布置。作为决定厂房在纵向结构变形方向上的重要因素，要控制下柱的支撑位置，并减少下柱支撑位置对温度应力的影响，要考虑吊车梁等纵向构件会由于温度的变化而在自由区段向两端伸缩。在温度区段的长度较小时，通常情况下要在温度区段的中间位置设置一道下端柱支撑，当温度区段的程度超过150米时，要在温度区段内设置两道下段柱支撑，以此来保证和提升厂房的纵向刚度，下段柱的布置位置要尽可能布置在温度区段中间的1/3位置范围内，同时，为了考虑避免出现过大的温度应力，在两道支撑的中心距离要控制在72米以内。

（3）高层钢结构工业厂房抗震设计要点。

在进行高层钢结构工业厂房设计时，要考虑厂房的抗震性能。在厂房的总体布置要求上，要将厂房结构刚度和质量进行均匀分布，保证厂房的均匀受力，通过协调变形，来尽量避免厂房因结构的刚度不均匀造成厂房抗震影响。钢结构厂房的横向结构采用钢架或屋架和柱的框架连接，要保证钢结构的受力性能，避免减少横向结构的变形。通常情况下，钢结构的厂房破坏主要是由于杆件的强度不足高层杆件失稳而造成的，所以要通过合理布置支撑系统，来提升厂房结构的整体稳定性能。同时，要考虑在地震的作用下，存在低周疲劳作用影响，在设计时 要考虑其对高层钢结构工业厂房的影响。钢结构的连接点设计时，要保证节点的破坏不能先于结构构件的截面屈服，要在结构构件能够进入塑性工作时，能够充分吸收地震的能量，能充分发挥结构的抗震能力。

（4）高层钢结构工业厂房的耐热能力设计。

钢结构的工业厂房本身具有较差的防火能力，在钢材受热温度超过100℃以上时，随着温度升高，钢材的抗拉强度逐渐降低，同时其塑性增大；在受热温度超过250℃时，钢材的抗拉强度增大，但是塑性却降低，容易出现蓝脆现象；在钢结构的表面温度基本上出于150℃时，要必须做好隔热和防火设计，一般都通过涂刷耐热涂料来处理，同时也可以在钢结构构件外包耐火砖、硬质防火板材、混凝土等来进行隔离处理。

（5）高层钢结构工业厂房的防锈蚀设计。

由于工业钢结构厂房外部无其他保护措施，都是直接暴露在空气中，因而容易受到空气中的侵蚀介质和在刚结构构件受到外部潮湿环境，产生结构锈蚀或构件损坏等问题。钢结构的锈蚀造成构件截面厚度变薄，同时会在构件饿表层形成局部的锈坑，当修饰时间较长时，锈坑的长期锈蚀，会形成空洞，在结构构件受力较为集中时，会造成结构的过早破坏。因此，在进行高层钢结构工业厂房设计时，钢结构构件的防锈蚀要引起足够的重视。在进行设计时，要考虑厂房的侵蚀介质情况和环境条件，设计中要在厂房布置、结构内部、工艺布置、结构选型、材料选择上来设置相对应的对策和相关措施，以此来保证钢结构厂房的安全。通常情况下，钢结构的防锈蚀一般多采用涂刷防锈漆到构件表面，来提升构件防锈蚀的能力，涂刷的层数和涂刷厚度根据涂层性质和构件使用环境来进行确定。室内钢结构在自然大气介质作用下，钢构件的涂层厚度约为100μm左右，通常涂刷形式为底漆两遍、面漆两遍的形式。对露天的钢结构长期暴露在工业大气的侵蚀下，要求的涂刷总厚度为150μm至200μm以上。在钢柱的柱脚部位，地面以下部分涂刷强度和等级要超过C20混凝土的包裹，涂刷的保护层厚度要超过50mm。高层钢结构工业厂房中，有侵蚀介质的厂房中的受力构件，设计时的型钢厚度不得少于8mm，其受力焊接的厚度不能低于8mm。

（6）刚性节点设计控制因素。

高层钢结构工业厂房在进行刚性节点设计时，其节点的构造要尽量保持和设计的假定相符，在受力后的节点产生转动时，要同节点连接各杆件的夹角要保持不变，虽然这是一种较为理想的假定，但由于节点部位并不是绝对的刚度，会存在一定的剪切变形，为了能够减少刚性节点的剪切变形作用，在进行厂房设计时，要采取构造措施，来增加劲板来加强节点区的刚度。各节点的杆件之间要能保证具有相互传递剪力和弯矩的能力，要尽可能采用直接传力的方式来进行传递。同时，要尽可能设计较为简单的构造，达到节省材料的目的。虽然，节省材料、构造简单和传力安全可靠有所矛盾，但是要根据负荷大小和节点的重要性，来综合考虑。根据节点的具体情况来选择合理的节点形式。为了提高节点的运输能力和安全能力，要在安装时便于固定和调整，在进行设计时，要在节点部分杆件主材连接外，要适当增加连接件，同时要注意，连接件越多时，在制作过程中需要切割下料和拼接焊接时的工作量会有所增加，这点在进行设计时要引起注意。

四．结束语

高层钢结构工业厂房是常见的厂房结构形式，其具有空间工作性能好，其具有的高空间能力、较高抗震水平，被广泛应用于现代工业建设中。在进行设计时，要综合考虑多方面因素，来提升钢结构的整体性能，保障建筑结构安全。

参考文献：

[1] 杨萍 高层钢结构工业厂房设计 [期刊论文] 《沈阳大学学报》 -2004年4期

[2] 魏利金 高层钢结构在工业厂房中的应用 [期刊论文] 《钢结构》 -2000年3期

[3] 何乃文 陈四川 高层钢结构工业厂房制造安装施工技术 [会议论文] 2004 - 第18届全国高层建筑结构学术交流会

[4] 江利 浅议多高层钢结构厂房的结构设计 [期刊论文] 《中华民居》 -2012年19期

[5] 赵正旭 辽镁海城高纯镁砂工程高层钢结构厂房建筑设计 [会议论文] 1987 - 中国金属学会冶金建筑及建筑物理专业学术会议

刚架结构设计论文篇8

【关键词】工业建筑；刚架结构；结构选型

0 前言

现代工业生产任务各不相同且种类繁多，工业建筑即是为了满足各种工业生产需要和工艺要求而建造的建筑物。生产工艺、工业原料和制成品运输路线以及工业生产设备布置顺序决定了工业建筑平面形状和布置。由于现代工业生产工艺复杂，工业建筑往往要求能够同时布置多台大体量设备，且有不同型号运输和起重设备通行，致使工业建筑内部需形成较高较大通敞空间，同时，为了满足建筑室内环境和屋顶防水排水各项要求，致使工业建筑屋顶面积大且构造复杂。与民用建筑相比，工业建筑对结构设计要求更高。

工业建筑按层数分为单层、多层和高层建筑，工业建筑的结构类型包括排架结构、刚架结构、拱结构等。其中单层刚架工业建筑具有内外交通联系方便、杆件较少和结构内部空间较大利于大型设备布置等优点，是应用较多的一种类型。

1 刚架结构的种类

建筑刚架结构是指由梁柱通过刚性节点联接的单层建筑结构，当刚架横梁与立柱刚接夹角大于90时，又称为“门式刚架”。门式刚架由于横梁斜向布置使室内空间加大，并且由结构形成屋面排水坡度节省了构造找坡的材料和费用。门式刚架屋面多使用轻型屋面结构，屋面排水坡度常用i=1/8～1/20。

按照结构体系几何不变组成规则，单层刚架结构可布置为三铰刚架、两铰刚架和无铰刚架三种类型，分别如图1所示。三铰刚架为静定结构，两铰刚架为一次超静定结构，无铰刚架为三次超静定结构。

（a）三铰刚架 （b）两铰刚架 （c）无铰刚架

图1 单层平面刚架简图

2 刚架结构的受力特点及节点构造

由于梁柱刚接而形成互为约束，单层刚架结构在常规工业建筑荷载作用下内力得到优化，与排架结构比较，梁柱弯矩均有所降低，故刚架结构受力比排架结构优越。但是，当结构跨度较大时，刚架结构单根构件长度过大刚度降低，尤其是在吊车起重量较大情况下大跨度刚架结构不能满足建筑结构适用度和经济性要求。单层刚架工业建筑常用跨度为9m～36m，建筑高度一般不超过10m。

从结构组成上看，三种单层刚架结构均可作为承受荷载的结构形式，但是在相同荷载作用下，三种刚架结构的内力响应和结构适应性存在显著差别，构造方式及经济性也各不相同。三铰刚架为静定结构，在荷载作用下梁柱节点处弯矩较大，屋脊节点和支座节点处无弯矩存在，当地基基础存在不均匀沉降时，不会产生结构附加内力，但结构整体刚度较差。两铰刚架是超静定结构，结构整体刚度较大，由于梁柱刚接和屋脊节点刚接使得梁柱弯矩有所降低，柱与基础铰接使基础顶面无弯矩作用，降低了材料消耗量。无铰刚架超静定次数更高使结构整体刚度进一步增大，但其对基础不均匀沉降较敏感，且由于基础顶面存在弯矩作用使基础材料消耗量显著增加。

三铰刚架有三个铰接节点（即两个柱与基础铰接支座节点和一个屋脊铰接节点），由于柱与基础铰接使得柱底无弯矩，钢筋混凝土三铰刚架结构柱底铰接节点需使用杯口基础与预制柱柔性连接构造，钢结构则需使用铰接柱脚，当柱底反力不大时可设计成板式铰接柱脚；屋脊处铰接点处理也应保证有足够的转动能力。两铰刚架的两个支座节点为铰接节点，构造方式与三铰刚架相同；屋脊处为刚性节点，钢筋混凝土刚性节点可采用整浇弯折梁节点构造，钢结构则可采用高强螺栓群刚性节点构造。无铰刚架所有节点均为刚性节点，节点处理时需保证能够传递弯矩。

3 刚架结构支撑系统设置

在结构整体布置过程中，应使结构在纵横两个方向均具有足够的刚度，而刚架结构是一种典型的横向平面结构，在建筑刚架结构纵向需通过设置支撑系统以满足纵向刚度要求。支撑系统包括；屋面支撑和柱间支撑，屋面支撑设于温度区段两端开间和设有柱间支撑开间处，屋面支撑采用交叉型张进圆钢，在其它开间需设置纵向刚性系杆；柱间支撑一般设于结构两端和温度区段中部。

4 结论

由以上分析可知：

①建筑刚架结构常采用两铰刚架和三铰刚架两种形式；

②刚架结构中梁柱构件中存在较大的弯矩，不能充分发挥结构材料的力学性能；

③刚架结构常用于无动荷载或吊车荷载较小的工业建筑中；

④刚架结构是一种典型的平面结构形式，为获得足够的结构空间刚度和稳定性，需要设置屋面支撑系统和柱间支撑系统。

【参考文献】

[1]王心田.建筑结构体系与选型[M].上海：同济大学出版社，2003.

[2]叶献国，等.建筑结构选型概论[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003

刚架结构设计论文篇9

【关键词】剪力墙；结构设计；探讨

一、框架剪力墙的结构分析

1.1框架剪力墙结构的受力与变形

框架-剪力墙结构是由两个不同的横向受力结构的构成。剪力墙结构如同竖向的悬臂梁，其受力形式和变形曲线与横向悬臂梁类似，和横向悬臂梁一样，梁的长度越长，受力后其边缘的位移增长速率越大。框架结构的受力形式如同受剪切力的悬臂梁，梁的长度越长，受力后其边缘的位移增长速率越小。由于剪力墙的侧移刚度大于框架，因此剪力墙所承受的侧向力要大于框架的侧向受力，同时随着高度的不同框剪结构的水平受力也不断的在调整。框架剪力墙结构承受水平力的主要部位在中上部，因此在做框架剪力墙设计时要考虑协同工作的问题，不能按照纯框架的结构形式来计算，否则会造成结构中上部安全性能低等缺点。

1.2荷载倾斜与偏心的影响

我们知道在使用理论公式对地基承载力进行求解时，我们都是按照建筑轴心受荷而考虑问题的，可见荷载倾斜与偏心对地基强度也是有影响的。所以说，荷载倾斜与偏心不但是影响地基强度的一个因素，还是建筑结构设计中的重点内容。一般来说，钢筋混凝土楼板和屋盖的整体性能好，在适当位置布设构造柱，并配置相应的构造钢筋，不但能够消除滑移、偏心等问题，还能加强楼板的刚度值、适当放宽对建筑的平面要求，对于建筑的层间变形，也非常容易控制。建筑物作为许多细节构件连接而成的整体，是一个具备空间刚度的结构体系，其能否承受惊人的荷载力量，全看各构件间能不能实现协调工作、有机地形成一个整体，换言之就是建筑各个构建是否形成了轴心体。

1.3框架剪力墙的抗震性能

根据我国抗震设计规范的要求“小震不坏，中震可修，大震不倒”的基本原则，当遭遇小震破坏时房屋应该处于正常使用状态，可以进行弹性反应谱进行弹性研究；当房屋处于中震破坏时，也就是房屋可修的情况，此时的状态为非弹性状态，可以通过构造要求来进行结构安全的满足；当房屋处于大震破坏时，由于房屋处于较大的非弹性破坏，因此要保证房屋不能倒塌。

二、剪力墙结构形式以及抗侧移刚度的改进

地震作用是房屋破坏的主要原因之一，对于一些高层建筑来说就不得不考虑用剪力墙结构。因此需要设计人员设计出剪力墙的合理数量。剪力墙数量过多固然结构抗侧移刚度越大，抗地震作用也就相对的较强一些。但是，当结构刚度过大时，由于周期过短，地震作用反而有可能会更加强烈，而且浪费了一定的材料。因此只从抗震方面来看，剪力墙并不是越多越好，选取合理的剪力墙数量才能达到结构稳定的优化。在地震作用中一直存在着刚性与柔性的说法。

剪力墙抗侧移刚度此外还受到基底倾斜和地面倾斜的影响，比如说两个相邻基础的影响、地基与上部结构共同作用的影响与加荷速率的影响等等。那么怎么样对一个工程项目实施建筑的基底与地面的布局与结构布置？这通常与建筑物剪力墙的平立面直接相关。有地震数据表明，简单、规则的建筑其抗震能力普遍较强。这是因为复杂式建筑在地震发生时基底构件的强度与刚度达不到一致规律，导致结构扭转非常明显。因此，在对建筑剪力墙结构的设计中务必加强措施，尽可能遵循建筑物的均匀对称原则，从总体上保证建筑物的基底与地面的稳定性，确保相关的地震反应数据计算审核无误，这样就可以在建筑物发生沉降时可以明确荷载的传递途径，最大化地避免基底倾斜和地面倾斜对建筑物剪力墙构成的影响。

通过实践我们可以知道，不同的建筑形式在相同的受力荷载作用下地基破坏程度也不同，比如说L形、T形、Y形等不规则平面建筑，较之其他结构形式建筑，它们的破坏率明显增高；对于那些大底盘式的高层建筑，在相邻楼层质量突变较大的情况下，其破坏程度势必加重；此外，由于建筑结构形式差异，防震缝设置的宽度问题也有可能导致建筑物发生沉降破坏；楼层平面形心与重心偏移越大，对建筑地基强度的损耗越大。剪力墙抗侧移刚度作为建筑设计中的重要内容，在确定建筑结构体系阶段，会受到许多外界因素如建筑高度、经济状况、场地布置、施工材料等影响，是一个涉及面极广的技术问题，必须经过谨慎的思考才能确定。

三、框架剪力墙结构的连梁

3.1剪跨比不同的两种连梁

在框架剪力墙结构中，连梁起到影响结构整体稳定性的作用，因此合理的设计连梁对于结构的安全性能至关重要。当连梁的剪跨比小于5时，竖向荷载作用下，其承受的力很小，连梁的所承受的弯矩也很小，因此不会影响配筋的作用。但在水平荷载作用下时，其所承受的剪力很大，所承受的剪切弯矩相应的也很大，容易发生剪切破坏。因此当连梁设计剪跨比小于5时，其抗震等级需要与剪力墙抗震等级相同。当连梁的剪跨比大于5时，可按照框架结构设计。

3.2框架与剪力墙的连接方式

通常情况下，认为框架与剪力墙的连接方式有两种，一种是刚接，一种是铰接。当框架与剪力墙的连接方式为刚接时，连梁的作用就得到了体现。其结构主要是通过连梁把框架与剪力墙进行连接的，这样连梁和剪力墙就能共同工作，使结构的整体刚度得到了保障。同时，在遇到大的地震作用下，连梁首先承受地震的作用，首先进入了塑性阶段来缓解地震作用，这样结构的整体稳定性得到了一定的满足。当框架与剪力墙的连接方式为铰接时，在设计中连梁的作用发挥不大，主要的作用需要考虑楼板的连接。但通常情况下，楼板需要开设孔洞，例如楼梯、电梯井等。所以楼板的连接就起不到很好的作用，这样剪力墙的约束就会减少，结构整体的刚度就会变小，结构的整体稳定性就得不到满足。

四、结束语

伴随着人类社会的几何式发展，建筑的高度越来越高。高层建筑与其他建筑最大的不同就在于垂直面荷载密集，并由于建筑物竖向不稳定性，导致受风荷载与地震荷载的影响十分巨大，这无疑对建筑框架剪力墙结构设计技术提出了更高的要求。笔者结合自身经验，介绍了框架剪力墙的结构的受力与变形，剪力墙抗侧移刚度以及数量的改进，以及框剪结构的连梁的设计问题，从结构的刚度、稳定性等进行了分析和探讨，希望通过文中内容能够给框架剪力墙结构设计技术带来一定的启示作用，也为有效提高建筑工程质量提供理论参考。

参考文献

刚架结构设计论文篇10

关键词：半刚性节点 无侧移刚架 稳定承载力

Abstract: for the simplified calculation, in the engineering design of beam-column connection nodes are usually seen as completely just answer. But the actual node in the force between when there is always some beam-column corner, as a rigid node calculation more tally with the actual situation. This paper beam-column joints the flexibility to no lateral stability of the frame are analyzed, the results show that, when the node rotary stiffness big load line 6 times of stiffness, the existing standard of design without lateral stability basic frame can be fulfilled.

Keywords: semi-rigid node without sway frame stable bearing capacity

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

一 引言

为了简化分析和设计，通常将框架中的梁柱连接节点视为理想刚接或者铰接。但实际上节点的连接性能通常是半刚性的[1]，采用能够明确考虑连接柔性影响的分析方法才能更接近结构的实际情况[2]。我国《钢结构设计规范》[3]没有具体规定如何对半刚接钢框架进行稳定验算。本文分析了常用梁柱线刚度情况下，节点刚度对刚架稳定承载力的影响，以研究完全刚性假设是否会造成刚架结构存在安全隐患。

二 半刚性节点无侧移刚架的弹性屈曲荷载公式

由于工程上通常把无侧移刚架的柱脚连接处理成完全刚性的形式，故本文主要针对柱脚刚接的无侧移刚架进行分析。记刚架的梁柱节点的转动刚度为R，刚架梁和柱之间的相对转角可表示为（如图1）[2]：

(1)

分别对梁和柱建立平衡微分方程，联立后代入边界条件，可解得柱脚刚接的无侧移刚家的稳定承载力计算公式[4]：

(2)

式中,为梁柱线刚度之比；

，定义为节点的相对刚度，等于节点的转动刚度与梁线刚度的比值，是一个无量纲的量。

三 半刚性刚架的稳定承载力

1. 节点相对刚度变化对稳定承载力的影响

由式（2）可见，梁柱连接节点的刚度和梁柱线刚度比对刚架的稳定性影响较大。

表1列出了柱脚铰接刚架的稳定承载力随节点刚度变化的情况。表中数值乘以EIc/lc2即为对应K1和r*值下刚架的稳定承载力。当 时，根据式（3）计算得出的结果与根据《钢结构设计规范》计算得出的刚架稳定承载力基本一致。

表1柱脚刚接的刚架稳定承载力随节点相对刚度变化的情况（单位：×EIc/lc2）

1 2 3 4

5 23.98 26.73 28.76 30.29

10 24.50 27.48 29.58 31.11

15 24.71 27.76 29.89 31.42

20 24.82 27.91 30.04 31.57

∞ 25.18 28.40 30.55 32.06

规范值 21.01 23.05 26.07 28.04

2. 按完全刚性假定计算的误差分析

为了研究当梁柱节点的相对刚度大于何值时，按照完全刚性假定计算误差不至于太大，本文计算了Pcr/Pcr0随节点相对刚度变化的情况。其中，Pcr0为节点刚接时刚架的屈曲荷载， Pcr/Pcr0为半刚性节点情况下刚架的屈曲荷载与节点刚接时刚架的屈曲荷载之比。图2为利用Matlab计算得出的不同K1值下Pcr/Pcr0随节点刚度变化的情况曲线。图中曲线从上至下分别代表K1=1、2、3、4时的情况。由图可见，当梁柱节点的相对刚度大于6时，Pcr/Pcr0>95%。此时可以认为按照节点完全刚性假定计算得出的结果与按照节点半刚性假定计算得出的结果相差不大，刚架的稳定性能能够得到满足。反之，如果节点的相对转动刚度小于5，刚架的实际稳定承载力较之完全刚接情况下的计算值（即规范值）误差较大，可能造成所设计门式刚架不安全。

四 结论

本文分析了把梁柱节点作为半刚性节点计算时柱脚刚接的无侧移刚架的稳定承载力。结果表明，当节点转动刚度较小（小于梁线刚度的6倍）时，把半刚性节点当做刚性计算造成的刚架稳定承载力误差较大，此时按照刚接节点假设设计计算的刚架安全性可能得不到保证；而当节点转动刚度大于梁线刚度的6倍时，将半刚性节点看作刚性节点计算造成的钢架稳定承载力误差小于5%，此时可认为按照刚性节点假设设计的刚架是安全的。因此，本文建议设计计算柱脚刚接的无侧移刚架时应考虑节点实际刚度的影响，当节点转动刚度大于梁线刚度的6倍时可以按照完全刚性节点假定设计。

五 参考文献

[1] Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1.8: Design of joints. Brussels: European Committee for Standardisation [S]. May 2005

[2] 陈惠发.钢框架稳定设计.世界图书出版公司[S]. 1999

[3] 钢结构设计规范GB 50017-2003[S]. 2003

[4] Ioannis G Raftoyiannis. The effect of semi-rigid joints and an elastic bracing system on the buckling load of simple rectangular steel frames. Journal of Constructional Steel Research[J]. 2005

[5] 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南.中国建筑工业出版社[M]. 1996

[6] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS 102:98[S].2002