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钢结构的优化设计
随着我国经济的快速增长，钢结构越来越多的被应用在民用及工业建筑中。与钢筋砼结构相比,钢结构具有轻质高强的特点,其强度重量比指数是钢筋砼结构的5倍以上,可显著降低基础的造价,能显著减轻结构自重25%以上。由于钢材轻质高强,其梁柱截面尺寸相对较小,可节约使用面积;钢结构工厂化程度高,构件均在工厂加工制作,现场安装,一般比钢筋砼结构施工速度约快1.5倍,可为整个项目的安全投产争取了很多宝贵时间。同时钢结构柱网尺寸可以比砼结构大,便于使用。正因为钢结构具有以上的优点,目前钢框架结构才被广泛的应用在主厂房、准车间中。
一、钢框架结构布置
1、布置原则:
对于平面、竖向不规则的要求与钢筋砼结构相同,抗震设计要符合“强节点弱构件、强柱弱梁、强焊缝弱钢材”的原则,对于框架,使节点的承载力高于构件的承载力,防止节点的破坏先干构件的破坏,是确保构件整体性的必要条件,但节点又不可过强,应允许地震时梁、柱节点域的板件能产生一定量的剪切屈服变形,以提高整个框架的延性,“强柱弱梁”的道理与钢筋砼结构一样,有利于提高框架的防倒塌能力;由于构件焊缝的延性,一般低于被连接构件的钢材延性,因此要求焊缝的承载力应高于被连接钢材板件的承载力,可以使构件的屈服截面避开焊缝而位于钢板件之中,从而提高构件以至整个结构的延性,螺栓连接的延性等抗震性能优于焊缝连接,重要的构件和节点宜采用高强度螺栓连接。
2、柱、梁布置；
钢框架柱截面形式常用的有箱形截面、H型截面、十字工形截面等。箱形截面的受弯载力较强,截面性能没有强、弱轴之分,截面尺寸可以按照两个方面的刚度强度要求而定,经济、合理,缺点是需要拼装焊接,焊接工艺要求高,加工量大；轧制宽翼缘H型钢优点是加工、杆件连接容易,但有强、弱轴之分，当层高较高时，弱轴的长细比就不容易满足；十字形截面钢柱的两侧刚度都较大，能很好的承受柱侧钢梁传来的弯矩。十字形截面钢柱的两侧刚度一致，长细比容易满足，梁柱节点也制作方便。鉴于主厂房内大型设备多，楼层荷载很重，加上有时候大层高，大跨度，使得钢柱两侧的弯矩均很大，钢柱本身的轴力也很大，这时候采用十字形截面钢柱是比较合适的。Ⅰ字形截面梁的经济跨度为6～12m,一般框架梁、次梁均选用Ⅰ字形梁。次梁是钢结构中数量最多的构件,占结构用钢量的比例较大。布置次梁时应有利于荷载均匀分布和明确传力途径。钢次梁一般宜与主梁铰接相连,连续的组合梁虽可减小梁的跨中弯矩和挠度,但与主梁受弯节点要求采用栓焊法或在钢梁上、下翼缘设置钢盖板法相连时,将增加较多的焊接工作量,实际工程中很少采用。次梁的间距一般为1.5～2.5m，在震动设备比较集中，荷载比较大的地方间距还要适量减小。
3、楼板布置
钢结构的楼板宜采用压型钢板现浇钢筋砼组合楼板或非组合楼板。也可同钢筋砼结构一样采用钢筋砼现浇楼板。在无抗震设防要求时,可采用予制楼板（限于厂房内埋件较多，不适用）。组合楼板在使用阶段压型钢板可作为砼楼板的受拉钢筋。压型钢板镀锌量不多,板厚不应小于0.75mm,在板底需刷防火涂料,目前防火涂料价格还是较高而且量又大,因此采用组合楼板造价一般较高。非组合楼板在使用阶段,压型钢板不代替砼板的受拉钢筋,按普通钢筋砼楼板计算。其承载力在施工阶段,要考虑由压型钢板承担未结硬的湿砼板的重量和施工活荷载。压型钢板宜采用具有防锈功能的镀锌板,板底不需刷防火涂料,板厚不应小于O.5mm,压型钢板仅做为模板使用。组合楼板、非组合楼板及钢筋砼楼板均需在钢梁顶设置圆柱头栓钉,栓钉需穿透钢板焊于钢梁翼缘上,栓钉直径d根据板跨度大小,13<d<19mm,柱顶间距一般≥4d,栓钉高度高出压型钢板顶面30mm以上,顶面砼保护层厚度≥15mm。浇注混凝土的压型钢板波槽平均宽度不应小于50mm，当在槽内设置栓钉等时，压型钢板的总高度不应大于80mm。
二、节点设计
多高层钢结构节点的受力状况比较复杂，构造要求相当严格，故节点的设计至关重要。节点设计的基本原则：
1)、节点受力应该力求简捷、明确；
2)、保证节点足够的强度，后于构件破坏；
3)、节点连接应具有良好的延性，故设计中应采用合理的细部构造，不宜采用约束度大的和易产生层状撕裂的连接形式；
4)、构件拼接一般按等强度原则；
5)、尽量简化节点构造，以便于加工、安装。
1、梁柱节点
梁柱节点通常采用刚性连接,并通常采用栓焊混合连接;梁的上、下翼缘用坡口全熔透焊缝与柱翼缘连接,腹板用摩擦型高强度螺栓与柱翼缘上的剪力板连接,原则上梁端弯矩由梁翼缘负担,梁端剪力由梁腹板承担,在梁的对应位置设置柱的水平加劲肋。对抗震设防的结构,水平加劲肋应与梁翼缘等厚,水平加劲肋与柱采用坡口全熔透焊缝焊接,当柱两侧梁高度不等时,每个梁翼缘对应位置均应设置柱的水平加劲肋,加劲肋之间的距离不小于150mm,也可设置坡度小于1:3