刚架结构设计论文精选(九篇)

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第1篇：刚架结构设计论文范文

关键词：门式钢架; 基础；节点; 支撑

中图分类号：TU391文献标识码： A

引言

从传统意义上来说，轻质钢结构都是一些小角钢和圆钢组成的钢架或小型或小跨度屋架结构，一般是用作仓库或小型的厂房。随着新型钢材的出现，相继出现了冷弯薄壁型钢和彩色压型钢板，这使得轻型钢结构发生了根本性的变革。这种新型的钢材不仅具有传统钢结构的优势，对于轻的优势很是明显，具体优势表现在：造型新颖，即外观造型轻巧美观，对于建筑的表现力强，对于一些单多层工业、民用建筑和大中小跨度尤为适合，同时可以配合间距柱网，使得布置更加灵活；劳动强度比较轻，即在施工时可以使用小型机吊装，这样降低了劳动强度，减少了施工时间；构件轻，即通过设计后，这种高强度钢材承受相同重量时截面积小，用钢量相对较低；恒荷载较轻，即由于钢材较轻，所以恒载荷和地震作用减少明显，同时对地基的要求也较低。

此外，轻型钢结构符合环保和可持续发展的要求，还可以代替砖石和木材结构。但是轻型钢材是一种技术新、科技含量高的材料，所以对于施工和设计人员的要求就相对较高，还要进行一些专业的培训。这样一来，在生产线的建立上就会投入很大。此外，这种刚才还需要防火和防腐的处理。

大概在20世纪初期才开始形成装配式轻质钢房屋体系，当时主要应用于车库的建设。到了20年代，定型化生产的厂房开始出现在人民的视野。在二战期间，轻质钢房屋的建设如喷井之势飞速发展，那是多用于军事飞机库的建设。二战结束后，面临着重建的问题，轻质钢房屋需求量更大，这进一步的刺激了轻质钢房屋的发展。到40年代时，门式钢结构开始出现，60年代得到了大批量的应用。就目前来讲，一些发达国家也是使用轻质钢结构进行建设。美国在门式钢架上的设计不仅在理论上，而且在制造工艺上都比较先进。

2.门式钢架房屋机构存在的问题

2.1 屋面活荷载取值

根据2008年《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》的规定：在使用压型钢板轻型房屋时，按照水平投影的面积来算，在屋内的竖向均布活载的标准值应为0.5kN/m2。但是并不是所有都是这个要求，当钢架构件的受荷水平投影的面积是60m2时，竖向均布活载的标准值为0.3kN/m2。对于载荷效应来说，必须符合以下原则：a、将雪载荷、积灰载荷或屋面均布载荷同时考虑，得到最大值；b、雪载荷和屋面均布载荷不能同时考虑，把两者比较选出最大值；c、当使用多台吊车时，应当符合《建筑结构荷载规范》的国家标准规定来执行；d、不能把地震作用和风载荷同时考虑；e、由施工或者检修带来的载荷不和屋面材料及檩条自重以外的其它荷载一块考虑。在应对各种载荷的计算时，应该把各种载荷按照载荷的组合原则进行计算，这样能够避免因重复计算带来的浪费问题。

2.2 斜梁设计时,计算长度取值的问题:

a、对于屋面坡度较小的情况，根据GB50018的规定，在钢架平面内计算其强度时，按照压弯构件计算。但是对斜梁轴力小的情况时，把钢架的计算长度近似为竖向支撑点间的距离。b、对于屋面坡度较大的情况，不论是在钢架的平面内还是在平面外，轴力的稳定性都不能被忽略；c、从原则上来讲，平面外计算长度一般是侧向支撑点间的距离。但是，钢梁的上下翼的边缘都会有约束，一般有以下约束：①屋面系杆的支撑系统对其的约束作用；②檩条和屋面板对上翼缘约束作用；③檩条和隅撑的共同作用对下翼边缘的约束。在计算时，我们一般把隅撑的设置作为钢梁平面外长度，并不是将檩条的间距作为钢梁平面外长度。然而，隅撑的位置设置又得根据钢梁平面外长度作为量度。然而有些设计师将钢梁的平面外长度定位3m，但是在制造的过程中却省去了隅撑位置，最终造成了整个设计具有安全隐患。

2.3 构件的挠度问题

根据门式钢架规程的规定，当钢架斜梁只用于支撑冷弯型钢檩条和压型钢板屋面时，则钢架构件的竖向挠度限制是L/180；对于有吊顶的构件，竖向挠度限制是L/240；对于有悬挂起重机的构件，竖向挠度限制取L/400。对于具有一定载荷并且跨度较大的轻型钢结构厂房的设计，挠度值将控制着构件的截面积的大小。很多的设计师在进行这方面的设计时，往往会忽略挠度对结构的控制，仅仅为了能够满足强度的设计做法是不对的。然而，在实际应用中，梁挠度的影响是非常大的，它不仅会影响到建筑物的正常使用，还会造成屋内积水，甚至出现漏水的情况，这些都会加大屋面的载荷，给整个结构带来很大的安全隐患。我们可以加设摇摆柱的方法来应对那些跨度大、挠度难控制的钢架，这样做可以使挠度起不到控制的作用，而且还能把因挠度控制造成的截面过大的问题降到最低。

2.4 钢梁高厚比问题

门式钢架一般都是全钢结构的，由于檐口位置和钢柱的连接位置的弯矩较大，所以一般将钢梁做成变截面型钢梁。由于使用了这种变截面的钢梁，所以在设计的过程中可能会造成高厚比招标的问题，所以对设计结构的就算需要最终检查。根据2008年版CECS102:第6.1.1条规定，对于腹板高度的变化高于60mm/m时，将不考虑受剪板幅屈曲后强度对腹板高度比的控制，所以计算时不能将幅屈曲后强度考虑进去。具体的解决办法如下：a、可以在构件的腹板设置一个横向加劲肋，这样做可以更加不考虑屈曲后强度，还可以提高其容许的高厚比；b、为了满足高厚比，可以增加腹板的厚度，但是这样可能会较大的使用钢量；c、通过调节构件端部的高度和调整梁的变截面长度来使腹板的高度变化不超过60mm/m。

2.5 结构形式及布置方面

对于门式钢结构房屋，冷弯薄壁型钢檩条和压型钢板屋面板作为屋盖和外墙最合适，而变截面实腹钢架作为主钢架最合适。同时我们还可以根据载荷、跨度和高度的不同，而采用等截面或变截面的焊接工字型或轧制H型的截面来设计门式钢架的柱和梁。在设计吊车梁时，最好把等截面作为门式钢架的柱。对于门式钢架的柱脚，我们通常采用支撑设计来铰接，一般用一对或两对螺栓作为平板支座。这样设计柱脚铰接，不仅可以避免弯矩过大的问题，而且还可以减少基础混凝土的造价问题。钢接柱脚通常用于有吊车的厂房，这样设计有利于吊车的平稳运作。采用一些隔热卷材作保温层和隔热层，还可以用具有隔热效果的板材做屋面来解决对房屋或厂房的隔热要求。

2.6 屋盖铰接问题

在进行钢结构屋盖厂房的设计中，有些设计人员会把钢梁和砼柱相连接的位置用刚接的计算方法来计算，所以在施工之后，连接处的受力是不是真正的刚接，这会带来很大的安全隐患。为了安全起见，我们把砼柱面和钢梁的链接用铰接的形式来计算。

2.7 抽柱问题

有时由于空间原因，在某些厂房的设计中往往采用抽柱的屋架形式，即通过一些托或支撑来架梁。有些设计人员在对抽柱进行计算时，认为抽柱榀屋架就是直接把标准榀屋架删掉柱子，然后加上托梁和铰接的接点这么简单。如此做法会出现梁截面严重不足的现象，这是由于弯矩是靠钢梁在檐口的钢柱约束传递的，而对于托梁，托梁和屋面梁是按铰接的形式受力的，所以这样会造成屋脊的弯矩最大，而截面却最小的问题。此外，在对抽柱屋架进行计算时，托梁对屋架的弹性约束是必须要考虑的，具体的说就是把托梁和屋面梁的连接作为弹性支座，然后计算其对钢梁的约束作用，并非是简单的按照铰接来进行计算。对厂房的抽柱计算时，建议从整体上把握，利用整体建模计算，结构的受力情况，最后选出最优截面。

2.8 有吊车设计图纸的标识问题

对于有吊车的厂房设计，设计的图纸中不仅要有构架的设计，还要表明吊车的型号、台数、吊重重量和跨度能数据。防止因为标注不明确带来安全隐患的问题。

2.9 其他

除以上问题外，可能还会有焊缝质量、涂装、保温隔热防水的问题。其中，《钢结构设计规范》中对焊缝质量做出了明确规定，值得注意的是要把评定等级，检验等级和焊缝质量等级区分开来。对于涂装，对于钢材都需要做一些防火或防锈涂层，《建筑设计防火规范》( GBJ16—87)第 7.2.8 条做出了规定。对于保温隔热防水问题，室内的温度要求可能会比较高，所以要对冷桥接点做一些处理，例如选用一些高档保温材料能够较好的减轻结露和冷凝的现象。

3. 结语

由于现阶段钢结构厂房的日益增多和广泛使用，对其安全问题提出了更高的要求。所以在门式钢架设计中要避免以上问题的同时，做到规范、实用和美观相结合。

参考文献

[1] 赵建成 ,周观根 ,鲁永贵.轻钢结构中屋面挠度对屋面防水影响[J].第三届全国现代结构工程学术研究会,2003,3.

[2] 仝迅 .抽柱门式钢架的设计计算[J].工程建筑与设计,2004,12.

[3] 陈章洪.建筑结构选型手册.北京.中国建筑工业出版社.2000.

[4] 蔡益燕.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102: 2002) 修订介绍. 2003.

第2篇：刚架结构设计论文范文

关键词：工业厂房；门式钢架；轻钢结构；PHC管桩；预应力；结构设计

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

某工业厂房位于湖南长沙星沙经济开发区东二路，厂房长度144 m，跨度为26+26 m，两侧檐口高分别为12 m和15 m，建筑面积8414 m2。两台15t中级工作制吊车，吊车轨顶标高为7.93 m和11.3 m(详见图1)。柱脚采用刚接，采用门式刚架结构，主刚架采用热轧H型钢， Q345级。屋面坡度采用1/10和0.85/10，基础选取PHC预应力管桩。计算软件采用钢结构STS软件和广厦GSCAD。

图1

2 基础设计

2.1 地质条件及单桩承载力计算

本工程地质条件及PHC管桩系数详见表1。

表1

单桩承载力根据《建筑大家基础设计规范》(GB50007-2002)第(8.5.5-1)公式:Ra=qpaAp+up∑qsiali和《预应力混凝土管桩基础技术规程》(DBJ/T15-22-98)第(5.2.8)公式:Uk=∑ξsiλiqsikuli进行估算。

2.1.1桩侧阻力特征值计算(选取PHC壁厚90 mm,桩径400 mm预应力管桩) 桩端端阻力特征值qpaAp=502kN；单桩竖向承载力特征值Ra=1297kN；总拔极限承载力标准值Uk=448kN；再根据《预应力混凝土管桩基础技术规程》(DBJ/T15-22-98)第(5.2.9)公式Rpl=σpcA=328kN

2.1.2分析

根据工程地质条件及电算结果,由于业主工期要求快,故采用PHC预应力高强管桩,取单桩竖向承载力特征值R=1200kN,由于柱脚固接,吊车作用下,柱底弯矩较大,桩可能会现拉力,而形成抗拨桩,因此必须采用双桩,而且需要验算桩抗拨力,由于Uk>Rpl,故应按Rpl考虑桩的抗拔力。本工程边柱最大轴压力N=621kN, M=-444kN, V=-21kN。根据广厦计算结果,桩距取3.5d:桩最小反力Nmin=-15kN

3上部结构设计

本工程为两跨26m,两台15t重级工作制吊车,柱距8m,共有18跨固接的门式刚架,为保证吊车正常运转,厂房稳定,满足位移变形要求加强支撑设计和吊车制动桁架来增加厂房的整体空间刚度,全长144 m,墙体采用压型钢板。选用热轧变截面H型钢经STS电算定下,用钢量最低的刚架尺寸(详见图1)。

3.1柱间支撑设计

若支撑设置不当,吊车行走时,就会造成刚架晃动,存在安全隐患,因此支撑的设置非常关键,又因选用用钢量小的窄翼缘H型钢,因此柱平面外计算长度仅能取4m,在高4m处设置一道焊接钢管侧向水平支撑。交叉支撑采用角钢,在厂房的头、尾跨设置柱间支撑,中间跨每隔4跨设置一道。在设置柱间支撑的同一跨并设屋面支撑,为能更好传递风荷载在屋面每隔4m设一道水平钢管刚性系杆。

3.2抗震措施

工程地处设防烈度6度区,房屋自重小,承载力不受地震作用效应组合控制,可不进行抗震计算。仅针对轻钢结构的特点采取抗震构造措施。构件之间的连接均采用螺栓连接,斜梁下翼缘与刚架柱的连接均加腋,柱脚底板设抗剪键。增设吊车制动桁架。

3.3隅撑的设计

隅撑可以用来提高屋面梁式柱的受压翼缘稳定能力,因此在檐口位置,刚架斜梁与柱内翼缘交接点附近的檩条和墙梁处,各设置一对隅撑。在斜梁下翼缘受压区隔一檩条设隅撑,并使其间距不大于相应受压翼缘宽度的16倍(详见图2)。

图2

3.4高强螺栓连接设计

由于屋面荷载很轻,在设计荷载作用下,斜梁与柱的连接部位主要承受弯矩作用,剪力很小,高强螺栓以受拉为主。剪力由连接构件间的摩擦力传递剪力。本工程建筑大量采用阳光板,开窗面积少,风顺力大减少,相应剪力也小,选用摩擦型高强螺栓,因此表面可不作专门处理。不必进行摩擦而抗滑移试验,这有助于提高效益和降低成本。

3.5檩条设计

檩条的设计计算是最为困难的。首先,在目前设计规范或规程中尚无简单实用的计算公式供设计人员采用,其次,为节省钢材,轻钢结构中的檩条除用于承担梁的功能外往往兼作支撑体系中的压杆,同时还通过隅撑对门式刚架的梁和柱提供侧向支承。如果考虑门式刚架房屋中的蒙皮效应,则檩条的构造和受力计算更为复杂。檩条通常由薄钢板冷弯成型,计算中还需考虑屈曲后的有效截面等问题,因此,精确计算檩条的承载力非常困难。在竖向荷载作用下,檩条的自由翼缘受拉,受压翼缘由于和屋面有可靠的连接面不存在稳定问题。

由于Z型连续檩条是拱接而成的连续檩条,其内力分布较均匀刚度大,能节省用钢量,同时在制作、运输、安装诸方面都很便利,因此本工程采用Q345Z型檩条,内力计算按如下一种简单通用的模式考虑:按等截面连续梁计算模式,考虑活荷载按不利分布作用,光按50%活载均匀满布得到一个效应值S1,再用50%活荷载按最不利隔跨分布得到一个效应S2。两者相加即为最不利活荷载所产生的效应S。另外再考虑在支座处因搭接嵌套松动所产生的弯矩释放10%。

在风吸力作用下,檩条的自由翼缘受压。因此,当檩条下翼缘无面板侧向支撑时,必须对檩条的下翼缘进行稳定性验算。开平地区基本风压为0.6 kN/m2,按门式刚架技术规程附录E公式计算结果得知,是风吸力作用下稳定计算起控制作用。选用Z220×75×20×2.0 Q345,檩距1.2m,可以满足要求。

4采用预应力门式钢架的构想

为了进一步提高门式钢架轻钢结构的刚度和承载力，降低钢耗，笔者认为可在门式钢架的不同部位，有针对性的施加预应力。如通过强迫上升或下降中间柱的柱脚标高，可调整跨中弯矩和中柱负弯矩的峰值。施加预应力的方法，可通过预先计算好的提升量，用千斤顶升高中柱或边柱，再塞垫板，进行锚固。

在门式钢架横梁上的中下部位置，直接布置预应力索，并在跨中四分之一的位置，以一对栓钩拉住钢索，拧紧栓钩螺母，下拉钢索，索内产生拉力（预应力），栓钩处产生上压力，是附加的卸载力，栓钩处可视作钢架横梁的中间弹性支点。这种横向张索法用于钢架立柱，立柱则视为增加了中间支座，改变立柱边界条件，提高临界荷载力。

对于屋面檩条，可在檩条中间二分之一处，先将檩条与蒙皮固定，再在檩条与檩条连接处，强力钉入碶块，拉伸蒙皮，引入预应力，再栓接固定檩条 ，最后将蒙皮与檩条固定成整体。

5结语

门式轻钢结构的优点是节材高效,耗钢少,自重轻,制造安装运输简便,工期短,可拆迁,定型批量生产易于实现商品化等。近年来发展迅速,应用领域日益广泛。本工程采用刚接柱脚和Q345钢使用钢量减少了许多,经对比验算采用Q345钢的用钢量比采用Q235钢的用钢量下降16%左右,采用较平缓坡度(1/10)的门式刚度也可节约钢材。

在本工程的设计实践中，未能充分引入预应力技术，但笔者认为在门式钢架轻钢结构中应用预应力技术以加强结构刚度和承载力，提高结构稳定性，若能在檩条中张拉板材可以防止风吸力下的局部失稳和提高弹性受力幅值，将可大大减少檩条的用钢量，这也是完全可行的。为此，在谋求改进方面希望本文能起到抛砖引玉的作用，期待着与专家同行的合作，请大家共同关注与探讨并指正。

参考文献

1、郑明星,陈京芳;轻钢结构设计若干问题的探讨[J];钢结构;2005年04期。

第3篇：刚架结构设计论文范文

关键词：轻型门式刚架；支撑系统；常见

中图分类号：C35文献标识码： A

引言：

轻型门式刚架房屋结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期，以其质量轻、柱网布置比较灵活、工业化程度高、施工周期短、综合经济效益高等特点，近年来得到迅速的发展，已广泛应用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等工程。但因忽视支撑设置以及安装质量不规范等因素，导致质量事故甚至失稳破坏的案例时有发生，因此，本文针对轻型门式钢架支撑系统的种类、布置和作用，以及该体系常见问题作一系统归纳与分析。

1、轻型门式刚架结构的特点

1.1、质量轻

轻型门式刚架结构的围护结构一般都采用轻型材料，屋檩和墙檩一般采用冷弯C形钢或Z形钢，屋面板和墙面板多采用压型金属板，因而结构自重较轻。即使是在工业厂房中，因为《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012年版)》(CECS102:2002)中规定轻型门式刚架结构中仅可设置起重量不大于20t的A1－A5工作级别的桥式吊车或3t的悬挂式起重机，结构所承受的总荷载相对也较小。根据国内工程实例统计，单层轻型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为10～30kg/m2，自重约为同等条件下钢筋混凝土结构的1/20～1/30。由于荷载较小，基础所用材料也较少，地基处理难度相应降低，结构地震反应也较小。

1.2、工业化程度高，施工周期短

轻型门式刚架结构的主要构件和配件均为工厂制作，质量更能够保证。将构件运到施工现场后，构件间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速。

1.3、结构布置灵活，不受模数限制

传统的钢筋混凝土结构由于受屋面板等尺寸限制，柱距多为6m，当采用12m或其他柱距时，需设置托架等，较为麻烦。而轻型门式刚架结构的维护体系采用压型金属板，故柱网布置灵活，一般仅需考虑使用要求和用钢量。

1.4、综合经济效益高

轻型门式刚架结构设计周期短，原材料种类单一，构件采用自动化设备成批量生产，单位价格相对较低，且门式刚架结构施工周期短，资金周转率高，发挥投资效益快。

2、轻型门式钢支撑系统概述

2.1、支撑布置及作用

横向水平支撑一般设置在房屋两端或横向温度伸缩缝区段两端的第一柱间的屋盖系统上，有时也可设在第二个柱间；一般由十字交叉斜腹杆（拉杆）和竖腹杆（压杆）组成；横向支撑的间距不宜大于60m。所以，当温度区段较长时，在区段中间尚应增设横向水平支撑作用以承受地震荷载或由山墙传来的纵向风荷载，保证屋盖系统的整体性，提高空间刚度，是构成空间稳定结构体系的基础之一。

2.2、柱间支撑

2.2.1、布置

设置部位同横向水平支撑，一般与横向水平支撑对应地布置在同一柱间距内；可分为柔性（圆钢）和刚性（型钢）两种，当设有起重量不小于5t的桥式吊车时，应采用刚性柱间支撑；当钢柱高度相对于柱距较大或设有吊车时，柱间支撑应分层设置。

2.2.2、作用

它的主要作用是与横向水平支撑共同形成稳定的空间结构体系，提高厂房纵向刚度和稳定性，可承受和传递厂房纵向的各种荷载与作用。

2.3、刚性系杆

布置刚性系杆一般设置在刚架转折处(边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶)，应沿房屋全长设置；当端部横向水平支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置也应设置刚性系杆。刚性系杆一般采用钢管或型钢。

作用主要有两个方面：①承受山墙传递到屋面上的水平荷载（风载或地震荷载）；②形成一个稳定空间结构体系的重要支撑之一。

3、轻型门式刚架结构设计中需注意的问题

由于轻钢结构自身的特点与普通钢结构有较大区别，设计中应采取一些有针对性的措施，以保证结构的受力性能。已有许多专家、学者和工程技术人员对此问题进行过分析研究，因此，本文仅对一些设计中常出现的问题进行总结。

3.1、应合理设置支撑体系

单榀门式刚架在刚架平面内刚度较大，能有效抵抗水平荷载，但是在刚架平面内刚度则较差，需通过设置支撑来保证纵向水平荷载的传递。支撑设置时需注意将屋面横向水平支撑和柱间支撑布置在同一跨间，以构成稳定的空间结构体系，既可承受和传递房屋纵向的各种荷载和作用，又便于结构的施工和安装。在房屋的各温度区段内，均需设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。屋面横向水平支撑一般布置在温度区段端部第一开间，也可以布置在第二开间，但此时需在第一开间相应于屋面横向水平支撑竖腹杆位置布置刚性系杆。屋面横向水平支撑的竖腹杆需按刚性压杆设计，才能组成几何不变体系。屋面横向水平支撑的节点应与抗风柱布置相协调，将节点布置在抗风柱处，以直接传递抗风柱柱顶反力，避免刚架斜梁受扭。在刚架转折处，如边柱柱顶、屋脊处、多跨房屋中间柱柱顶等位置，需沿房屋纵向全长设置刚性系杆，既可承受和传递纵向水平荷载，还能在安装过程中增加刚架的侧向刚度，保证结构安全。支撑的常见布置见图1。

图1支撑布置

3.2、柱脚

柱脚部分未采用混凝土包裹防护，容易钢材锈蚀而产生安全隐患；柱脚锚栓未采用双螺帽；柱脚与基础顶面二次灌浆未采用灌浆料填实。

3.3、 梁柱节点常见问题有：①摩擦面涂漆；②顶紧接触面积偏小（小于75%）；③边缘最大间隙过大（大于0.8mm）；④高强螺栓丝扣未外露；⑤端板厚度偏小（小于16mm）。上述存在问题可能会导致节点不能有效形成刚性连接而产生安全隐患。

3.4、屋面

为钢结构斜梁、立柱为混凝土排架结构该结构体系与门式刚架不同；由于主钢架斜梁与混凝土柱很难形成刚接，立柱存在水平推力，可能导致结构严重不安全。

3.5、隅撑缺失

主刚架斜梁下翼缘和刚架柱内侧翼缘未设置与檩条或墙梁相连接的隅撑，可能会导致钢梁平面外失稳。钢梁变截面处钢梁在翼缘转折处（变截面处）未设置横向加劲肋；由于该处应力复杂，设置横向加劲肋主要对腹板予以加强。

3.6、锚栓不铅直

锚栓不铅直会严重影响房屋的外观。由于框架柱柱脚的水平度差锚栓又不够铅直经常使柱子安装后东倒西歪不在一条直线上。影响外观的同时还容易造成安全隐患使房屋经不住长时间的考验。最近国对轻钢施工的验收规程进行了讨论许多专家都强调了一种比较严谨的方法。就是在安装锚栓时坚持先将底板用下部调整螺栓调平再用无收缩砂浆二次灌浆填实。这种方法的应用将明显减少锚栓不铅直对房屋构架的影响。25门式刚架的安装。有些刚架在大风时柱子被拔起因此在风荷载较大的地区刚柱受拉时在柱脚更应考虑抗拔构造例如锚栓端部设锚板等。另外预埋地脚螺栓与混凝土短柱边距离过近在刚架吊装时经常不可避免的会人为产生一些侧向外力而将柱顶部混凝土拉碎或拉崩。在预埋螺栓时钢柱侧边螺栓不能过于靠边应与柱边留有足够的距离。同时混凝土短柱要保证达到设计强度后方可组织刚架的吊装工作。另外施工时遗忘抗剪槽的留置和抗剪件的设置柱脚螺栓按承受拉力设计计算时不考虑螺栓承受水平力。若未设置抗剪件所有由侧向风荷载水平地震荷载吊车水平荷载等产生的柱底剪力几乎都由柱脚螺栓承担从而破坏柱脚螺栓。有些工程地脚螺栓位置不准确为了方便刚架吊装就位在现场对地板进行二次打孔汪意切割造成柱脚底板开孔过大使得柱脚固定不牢螺栓最小边距不能满足规范要求。

3.7、模条计算不安全

《冷弯薄壁型钢构件技术规程》中提到有些设计软件并没有考虑到与檀条相关的有效宽度理论。因此在进行设计时不能单纯依赖软件软件没有考虑到的内容要自己考虑。如檀条特有构件应采用有效宽度理论计算强度,这就需要自己熟悉理解规范结合规范和软件做出正确判断后在计算。《规程》封7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。而实际设计中常常会忽略掉应用净截面计算强度如果不用净截面进行计算,实际应力将高于计算值。也容易忽略针孔减弱。而当这种减弱达到6%一巧%时就会对对小截面窄翼缘的梁产生较大影响。14钢柱换硷柱。为了节省钢材降低造价肩少数单位在设计门式刚架时将钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成斜梁用竖放式端板与硷柱中的预埋螺栓相连形成刚接。但厂房中符合设计的框架的梁柱不能用刚接只能用铰接。因混凝土是一种脆性的材料抗拉、抗冲切的陛能很差在外力作用下容易出现松动和破坏。在实际施工中采用硷柱加钢梁作成排架是可以的但由于连接不同构件内力不同可能造成工程斜梁过细安全隐患增加可见将刚架的钢柱换成硷柱而钢梁不变是不可以的。

3.8、注意风吸力的影响

轻型门式刚架结构由于采用了轻型屋面材料，自重较轻，当屋面坡度在一定范围时，风荷载的作用方向会向上，即为风吸力。在普通钢结构中，风吸力会抵消部分重力荷载，起有利作用，因而不考虑。但对于轻型门式刚架结构来说，风吸力的大小可能超过屋面结构自重，叠加后产生向上作用的荷载，使结构构件中产生反向内力，如不考虑风吸力，可能导致结构不安全。2.4不得随意改变结构材料和体系部分设计人员在设计门式刚架结构时，根据业主要求或其他考虑，将刚架柱改为钢筋混凝土柱，刚架斜梁仍为钢梁，仍按照门式刚架结构体系进行设计，这样做可能会产生工程事故。因为门式刚架结构中刚架斜梁与刚架柱必须做成刚接，而钢结构斜梁与钢筋混凝土柱较难实现刚接，做出来更接近与排架结构，与刚架结构是完全不同的两种结构体系，这样设计出来的结构可能会严重不安全。

4、结论

①应充分重视支撑系统的设置，合理完善的支撑系统是形成稳定的空间结构体系的重要保证。②应严格按照规范标准精心施工，以消除因细节重视不够而导致工程质量事故的发生。

参考文献：

[1]张亚江.门式钢刚架火灾升降温作用全过程响应分析[D].长安大学,2012.

[2]杨晋,王超.浅析门式钢架结构在池窑拉丝厂中的应用[J].玻璃纤维,2014,03:43-46.

第4篇：刚架结构设计论文范文

【关键词】钢结构；厂房设计；技术问题

1 引言

本文主要对钢结构厂房进行设计分析和研究，以期从中能够找到可靠有效合理的结构优化设计方法，并以此和广大同行分享。

2 钢结构厂房空间结构解析

为了使本论文的钢结构厂房分析设计更具有针对性和信服力，这里以实际的炼钢厂房钢结构厂房为具体研究对象进行分析讨论。由于钢铁工业是国民经济的支柱产业，炼钢厂就成了一个重要的生产场所，属于抗震规范中的乙类设防建筑。由于工艺布置的特殊性和生产设备的需要，炼钢厂主厂房往往具有质量、刚度分布严重不均匀的特点。又基于建设周期及抗震性能等的综合考虑，这类厂房大都采用全钢结构建造。本文中以某设计生产能力为50吨的转炉炼钢厂为研究对象。

由于工艺要求的复杂性，该厂房由炉渣跨、加料跨、炉子跨、钢水接收跨、连铸浇铸跨、连铸出坯跨共六跨组成，核心设备布置在炉子跨中部的塔楼内。该转炉炼钢厂房主要由塔楼、散状料上料系统、柱子系统、屋盖系统和吊车梁系统几大部分组成，各部分的结构大都是由型钢和钢板焊接或螺栓连接而成。

2.1 塔楼部分

塔楼是整个厂房的核心部分，高50米左右，其周围单层厂房高低不平，依靠屋面系统与其相连。塔楼中设有若干平台，炼钢的主要设备就分布在塔楼的各层平台上。设备按用途不同，重量由不足一吨到几百吨不等并且位置不均衡，其中的相当部分还会引起动载荷。塔楼中不但布置了吊车，还与前部的通廊相连接。因而塔楼部分是三维空间结构中质量、刚度最大的部分，结构也就最复杂，其构件众多且外形尺寸相差很大。

2.2 散状料上料系统

散状料上料系统属于转炉上料系统中重要的环节，包括通廊、转运站、地下料仓等部分，其作用是通过通廊中的皮带输送，使散状矿石进入转炉。因为这一系统位于第4及第5跨间的屋面上，与屋面大梁铰接，并且与塔楼相连，受地震影响较大，所以按实际结构建立模型。

2.3 屋面系统

屋面系统是厂房中构造最复杂的部分，包括屋架、托架、柃条、屋面支撑及天窗等部分，正是通过它将各跨单个的柱和塔楼部分联系在一起。由于炼钢厂生产工艺的原，屋面灰载荷是一个不可忽略的因素。另外，上料系统中的通廊和转运站部分也放置在屋面上。为了在满足结构稳定要求的同时减轻自重，屋面系统大量采用了空间桁架结构，因而不同位置的构件尺寸相差很大。

2.4 柱子系统

柱子系统是整个厂房的竖向承重部件，大量的采用了格构式柱和牛腿等构造来满足设计要求。

2.5 吊车梁系统

工业建筑的特点之一就是厂房内布置有大量的吊车，这座转炉厂房也不例外，厂房内除布置有单层吊车外，还布置有双层吊车甚至三层吊车，而且吊车的吨位由几吨到上百吨不等。吊车梁系统主要由吊车梁、走道板、水平桁架和竖直桁架构成，它们构成了一个空间整体。

总的说来，该钢结构厂房属于质量、刚度分布严重不均匀的不规则建筑，而且规模大、结构复杂、构件多，所涉及的型钢型号多，尺寸差别悬殊。此外，由于工艺布置的特殊性，使得塔楼与其余厂房难以脱开，或者难以完全脱开；由于受场地限制，该厂房并没有设置伸缩缝、沉降缝或者抗震缝。这就给抗震安全性提出了更高的要求。为达到真实地反映厂房空间地震效应的目的，因此完整的建立了厂房的空间模型，只在局部作了简化，从而在模型中最大限度的把握了原结构三维空间的真实性。

3 钢结构厂房设计中应注意的问题分析

3.1 结构布置中应注意的问题

钢刚架的跨度和柱距主要根据工艺和建筑要求确定。结构布置要考虑的主要问题是温度区间的确定和支撑体系的布置。

考虑到温度效应，轻型钢结构建筑的纵向温度区段长度不应大于300m，横向温度区段不应大于150m。当建筑尺寸超过时，应设置温度伸缩缝。温度伸缩缝可通过设置双柱，或设置次结构及擦条的可调节构造来实现。

支撑布置的目的是使每个温度区段或分期建设的区段建筑能构成稳定的空间结构骨架。布置的主要原则如下：

3.1.1 柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内形成抵抗纵向荷载的支撑析架。支撑析架的直杆和单斜杆应采用刚性系杆，交叉斜杆可采用柔性构件。刚性系杆是指圆管、H型截面、Z或C型冷弯薄壁截面等，柔性构件是指圆钢、拉索等只受拉截面。柔性拉杆必须施加预紧力以抵消其自重作用引起的下垂；

3.1.2 支撑的间距一般为30m-40m，不应大于60m；

3.1.3 支撑可布置在温度区间的第一个或第二个开间，当布置在第二个开间时，第一开间的相应位置应设置刚性系杆；

3.1.4 45°的支撑斜杆能最有效地传递水平荷载，当柱子较高导致单层支撑构件角度过大时应考虑设置双层柱间支撑；

3.1.5 刚架柱顶、屋脊等转折处应设置刚性系杆。结构纵向于支撑析架节点处应设置通长的刚性系杆；

3.1.6 轻钢结构的刚性系杆可由相应位置处的擦条兼作，刚度或承载力不足时设置附加系杆。

除了结构设计中必须正确设置支撑体系以确保其整体稳定性之外，还必须注意结构安装过程中的整体稳定性。安装时应该首先构建稳定的区格单元，然后逐榻将平面刚架连接于稳定单元上直至完成全部结构。在稳定的区格单元形成前，必须施加临时支撑固定已安装的刚架部分。

3.2 钢结构厂房的加固技术应用

对于钢结构的厂房，其钢结构加固技术必须要再设计中加以重视，否则就容易成为豆腐渣工程。从设计的角度讲，可以从以下几个方面实施钢结构的加固技术应用：

3.2.1 减轻荷载：改用轻质材料或其它减少荷载的方法。如工业厂房的屋架可在下弦增设临时支柱，或组成撑杆式结构的方法来卸荷；托架的卸荷可以采用上述方法，也可以利用吊车梁作为支点使托架卸荷；柱子一般采用设置临时支柱卸去屋架和吊车梁的荷载；平台结构因其高度不高，一般采用临时支柱进行卸荷。

3.2.2 改变结构的静力计算图形：采取措施使结构发生符合设计意图的内力重分布，以调整原有结构中的应力，改善被加固构件的受力情况。如增加支撑或辅助构件以增加结构或构件的刚度，使结构可以按空间结构进行验算，挖掘结构潜力，也可以改善结构的抗振性能；变更荷载的分布情况，或变更构件的支座情况，或施加预应力等来改变构件的弯矩图形；增设撑杆、加设拉杆或将静定结构变为超静定结构来改变精架的内力；将被加固构件与其它结构共同工作形成混合结构，以改善受力情况。

3.2.3 原结构的构件截面和连接进行补强。此方法在钢结构加固中是常用的方法，因其涉及面窄，施工较为简便，尤其是在一定的前提条件下，可在负荷状态下加固，这对厂房内的生产影响较小。采用此方法时，应注意以下几点：

（1）注意加固时净空的限制，要使杆件不与其它杆件或零件相碰；

（2）能适应原有构件的几何尺寸或己发生的变形清况，以利于施工；

（3）应尽量减少加固施工的工作量；

（4）尽可能使补强构件的重心位置不变，减少偏心所产生的弯矩；

（5）当采用焊接补强时，应采用合理的焊接顺序，减小焊接变形和焊接应力；

（6）补强后构件应便于维护和油漆。

4 结语

由于钢结构已经广泛应用于现代化工程建设中，从厂房到住宅到商场，对于钢结构建筑的设计应用已经成为当前建筑领域的研究热点。

参考文献：

[1]魏明钟.钢结构设计新规范应用讲评[M].北京:中国建筑工业出版社,1991.

[2]李春祥,黄金枝,金兢.高层钢结构抗风抗震控制若干问题探讨[J].振动与冲击,2000, 19(2): 57-58.

第5篇：刚架结构设计论文范文

【关键词】双排桩；土弹簧；计算模型；冠梁

中图分类号：U231文献标识码： A

一、引言

双排桩支护结构是深基坑工程中一种新型的支护形式，在大多工程中取得了良好的效果。这种支护形式是由前、后两排钢筋混凝土桩及冠梁，通过桩顶的连梁形成的门架式空间超静定结构，属于悬臂式空间组合支护结构。整体刚度大，加上前后排桩形成与侧压力反向作用的力偶的原因，使双排桩支护结构的位移明显减小，同时桩身内力也有所下降。当场地土软弱，开挖深度大或周边环境限制时，与单排桩相比，有较好的侧抗弯刚度，和限制侧向变形的能力。因此，在城市密集建筑区更具优势，当基坑空间大，不适合采用支内撑而对变形有严格要求的深基坑工程，采用双排桩支护结构具有明显的优势和实际的应用价值。

在计算双排桩支护结构时，首先必须确定土压力在前后排桩的分布及桩端的嵌固情况，由此可引出多种计算模型。这些计算模型主要分为3 类，一类是基于经典土压力理论确定的计算模型也叫分配系数模型；一类是基于winkle 假定的计算模型就是前后排桩共同作用模型也是2012规程计算双排桩所选用的模型；另一类是基于土拱理论和土抗力法建立的计算模型这三类计算模型都在不同程度上讨论了土压力作用在前后桩体上的分布规律，但一般都不考虑由于滑移面的存在而引起的桩间土作用在前后桩体上土压力的差异，同时关于土压力的空间效应、冠梁的变形协调作用和排距对土压力分布的影响以及这些因素如何在计算模型中得到体现还有待进一步深入研究。

本文就分配系数模型和基坑2012规程的模型，分析了双排桩的受力和变形特性并做了理论和计算的比较。提出了两种模型各自的利弊，并进行了论证。

二、分配系数模型

基于何颐华等（1996年）的前后排桩所受土压力分配的基础上提出：由于考虑了桩间土对土压力的传递作用，前后排桩土压力是不同的，前排桩和后排桩桩背所受土压力根据后排桩两侧滑裂土体重量之比来分配主动土压力，土抗力的作用范围为前排桩所受土坑力在基坑开挖面以下，后排桩所受土抗力在滑裂面与后排桩交界面以下，桩底采用嵌固假设。

图1-1 分配系数模型

这类模型的双排桩只进行主动土压力计算，由于考虑桩间土对土压力的传递作用，一般情况，前排桩和后排桩土压力是不同的。前桩上土压力按开挖面确定，后桩土压力按等效开挖面确定。

计算假定：

将冠梁看作是一个底部嵌固，顶部为直角刚接点的刚架结构；

由于连梁与桩长相比很小，且实际工程用的连梁刚度较大所以可将连梁看作是只能平移而不产生转角；

由于连梁为刚体，不产生压缩或拉伸变形，因此前后桩顶的位移相同；

这种计算模型相对计算简单，概念比较明确，被较多的设计者所采用，但因前后排桩的土压力尤其是被动土压力分配过于悬殊，对桩长和最大弯矩的确定均产生较大的影响。

A、等效开挖面深度

程序中等效开挖面深度H1 分两种情况

L0 >L

 （1-1）

H1 ―― 后排桩的等效开挖面深度（m）；

H ―― 基坑的开挖深度（m）；

L ―― 前后排桩的排距（m）；

L0 ―― 滑动面延伸至地表处到基坑边缘的水平距离（m）；

 ；

φ ―― 土层的内摩擦角度，取值为开挖面以上的加权平均值（m）。

⑵ L0≤ L

等效开挖面深度取为零，即H1＝0。 

B、 前、后排桩土压力

双排桩计算时按前后排桩各自的等效开挖面计算各自土压力的数值σa，再分别乘以前桩、后桩的分担系数，得到作用在前、后桩上的土压力。按双排桩的布置形式分为以下两种：

⑴ 前后排桩桩间距相同对齐排列

图1-2  双排桩的矩形分布

土压力通过桩间土传递，由于前后排相对，在土方开挖后，主动土压力可假定仅作用在后排桩上，桩间土压力取为Δσa，模型分析表明，开挖后Δσa减少，并小于后排桩土体一侧的土压力，前后排桩土压力分别为：

前排桩： （1-2）

后排桩： （1-3）

⑵当前后排桩梅花形或间距不等排列时，

图1-3双排桩土的梅花形或间距不等分布

其土压力的分配按下式确定：

前排桩： （1-4）

后排桩： （1-5）

其中分担系数α：当时，；其中，,

分担系数α是按后排桩靠基坑侧滑动土体占整个滑动土体的重量比例来确定的。

当时，。

分配系数模型的特点：

不考虑土层在水平方向的变化，按前桩处的土参数计算土压力；

前后排桩的分担系数交互时各自独立，且随开挖工况改变；

前后桩底标高不一致时，超出的部分承担全部的土压力；

梅花形或间距不等布置时前、后排桩的土压力分担宽度仅为桩间距的1/2；

前排桩的抗力弹簧范围为开挖面起之下，后排桩的抗力弹簧范围为H1起面之下；

后排桩等效开挖面以上桩前土体不考虑被动土压力；

三、2012规程模型

基于郑刚提出的模型，双排桩抗倾覆能力之所以强主要是因为它相当于一个插入土体的刚架，桩土之间的相互作用不容忽略。这也是《建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012》计算双排桩时所采用的模型。

将桩间土简化为土弹簧将后排桩所受的土压力传递，对前后排桩进行位移协调。土弹簧刚度对整个模型起着至关重要的作用。由于桩间土体宽度一般很小，可以把前后排桩及桩间土体看作一个整体，则作用在这个整体上的外力包括后排桩受到的主动土压力和坑底以下前排桩受到的被动土压力，这两种土压力在前后排桩之间分配应该取决于双排桩结构自身变形和桩间土体的性质。

土压力的分配就靠这种弹簧与前后排桩的位移协调来实现，桩间土刚度的大小就是桩间土的水平向地基反力系数K，认为当桩长大于4d且每一排内桩距不大时，认为桩间土是竖向压缩薄层，K可以有简化式来确定：K=Ea/H。Ea为桩间土的平均压缩模量，H为桩间土层厚度。桩侧摩阻力采用桩土界面传递函数法加以考虑，把桩划分成许多弹性单元，第一单元与土体之间用非线性弹簧联系，以模拟桩土之间的荷载传递关系。

考虑到双排桩产生位移时可能对坑底以上桩间土产生夹带作用，因此忽略其对前排桩可能提供的侧摩阻力，前排桩侧阻弹簧仅在坑底以下布置。前排桩桩端以下土体对前排桩桩端的竖向位移的约束用文克尔地基模型考虑，后排桩桩后土压力采用朗肯主动土压力，利用弹性法有限元理论可以计算出桩身的弯矩和变形。

图2-1共同作用模型

前、后排桩的桩间土体对桩侧的压力可按下列公式计算：

（2-1）

式中 ：

pc ―― 前、后排桩间土体对桩侧的压力；可按作用在前、后排桩上的压力相等考虑；

kc ―― 桩间土的水平刚度系数，按式2-2计算；

Δvc ―― 前、后排桩水平位移的差值：当其相对位移减小时为正值；当其相对位移增加时，取Δvc＝0。

pco ―― 前、后排桩间土体对桩侧的初始压力(kPa)，按式2-3计算

 

桩间土的水平刚度系数kc可按下列公式计算：

（2-2）

式中：

Es ―― 计算深度处，前、后排桩间土体的压缩模量；当为成层土时，应按计算点的深度分别取相应土层的压缩模量。

sy ―― 双排桩的间距(m)；

d ―― 桩的直径(m)。

由上式可知，刚度系数是随着桩间距的增大而减小的，因此，桩间距增大时，桩间土的约束刚度减小使得整个模型的侧向刚度减小，得出位移和弯矩偏大。由于共同作用模型是将桩间土简化为土弹簧将后排桩所受的土压力进行传递，并对前后排桩进行位移协调。因此，土弹簧的刚度系数对整个模型起着至关重要的作用，而土弹簧的刚度系数根据计算公式来看，在土质条件一定的情况下，土弹簧刚度只和前后排桩间距有关。

前、后排桩间土体对桩侧的初始压力可按下列公式计算：

（2-3）

（2-4）

式中：

pak ―― 支护结构外侧，第i层土中计算点的主动土压力强度标准值(kPa)。

h ―― 基坑深度(m)；

φm ―― 基坑底面以上各土层按土层厚度加权的等效内摩擦角平均值(°)；

α ―― 计算系数，当计算的α大于1时，取α＝1

四、双排桩冠梁的协调分析

双排桩支护结构空间形状如图3-1所示。以冠梁为研究对象，双排桩对冠梁有水平作用力、垂直作用力和扭矩。前后排桩对冠梁的垂直作用力形成力偶，与作用在冠梁上的扭矩相平衡，总体上双排桩对冠梁的合扭矩是比较小的。在此假定下，冠梁只发生平移，不发生转

动。

图2-1共同作用模型

以矩形排列双排桩为例：

在此将冠梁的作用分解为两个部分，一是协调前后排桩桩顶的位移，假定为联系前后排桩桩顶的刚性梁；二是空间变形协调作用假定为在双排桩刚架结构顶端的水平支撑弹簧。

（1）冠梁的空间协调作用在双排桩支护结构中的作用是明显的，对于整个双排桩支护结构的稳定性起到重要的作用，计算模型中考虑冠梁的空间协调作用是必要的。

（2）前后排桩之间的桩间土由于滑移面的存在，作用在前后桩体上的土压力存在差异。

（3）排距的变化直接影响到作用在前后排桩上的土压力，从而也影响了前后排桩的侧向位移；随着排距的增大，后排桩的挡土作用减弱。当排距超出滑移面影响范围以外，冠梁纵向起到拉杆作用，也就意味着此时的后排桩为桩顶受力的水平承载桩。

五、算例分析

[ 基本信息 ]

图3-1 等效开挖面模型的内力图

图3-2 共同作用模型的内力

按水平刚架计算，前排桩和后排桩的桩顶弯矩不是0，有一定的弯矩，仍然是悬臂桩，与单排桩内力分布完全不同。

由于双排桩支护结构的优势性主要是体现在前后排桩和桩间土作为一个整体具有很大的侧向抗弯刚度，因此，简化的计算模型必须要考虑桩土之间的相互作用。共同作用模型较好的考虑了桩间土的作用，从图中可以看出，它体现了前后排桩的变形协调。

而假设分配系数的简化方法难以反映双排桩结构自身变形和桩间土体性质的影响，使得前后排桩的土压力分配悬殊，由结构力学计算刚架的方法，将前后排桩内力求出，得到前后排桩最大内力值差距较大。

六、结语

（1）双排桩结构的优势体现在前后排桩和桩间土作为一个整体具有很大的侧向抗弯刚度，所以，无论是什么样的简化模型都要考虑桩土之间的相互作用。

（2）冠梁的空间协调作用在双排桩支护结构中的作用是明显的，对于整个双排桩支护结构的稳定性起到重要的作用，计算模型中考虑冠梁的空间协调作用是必要的。

（3）前后排桩之间的桩间土由于滑移面的存在，作用在前后桩体上的土压力存在差异。目前规范的计算模型为双排桩前、后两排等距布置，没有前后排桩不等距布置的情况，而分配系数模型可以实在前、后排不等距的双排桩支护体系的简化计算。所以，当使用等效开挖面模型分析计算双排桩时，要通过计算和经验准确确定其前后排桩的分担系数。

【参考文献】

(1)      中华人民共和国行业标准，建筑基坑支护技术规程，JGJ 120-99，1999，中国建筑工业出版社，1999年5月第一版，1999年5月第一次印刷。

(2)      中华人民共和国行业标准，建筑基坑支护技术规程，JGJ 120-2012，2012，中国建筑工业出版社，2012年9月第一版，2012年9月第一次印刷。

(3)  中华人民共和国行业标准，混凝土结构设计规范，GB 50010-2010，中国建筑工业出版社，2011年5月第一版，2011年5月第一次印刷。

(4)  陈仲颐、周景星、王洪瑾著，土力学，清华大学出版社，1994年4月第1版，2000年8月第4次印刷。

第6篇：刚架结构设计论文范文

关键词 钢结构；抗震；性能；节点；设计；

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

引言

随着我国经济的进一步发展和建筑技术的逐渐进步,钢结构也越来越广泛的应用于建筑当中,其中在建筑结构中,钢结构具有良好抗震性,并且工业化生产程度较高,钢结构施工周期较短,并且具体节能环保、延展性好等优点,特别对于钢结构建筑具有的延展性可以对地震波产生衰减作用,减少地震对钢结构建筑的破坏。针对钢结构建筑的如此突出的优点,美国等等国家的钢结构建筑已占到所在国内建筑总量的一半以上。日本是地震多发的国家,钢结构建筑在日本建筑当中的占有率更是达到了65％左右。根据日本阪神地震后资料的显示,在地震中钢结构建筑的受损程度和受损概率要远低于混凝土结构。2008年四川汶川地震中,作为钢结构建筑的绵阳体育馆也没有受到损坏,成为安置地震灾民的主要地点。

一、钢结构的抗震性能

不同的结构形式,抗震性能明显不同。混凝土结构的房屋受压较好,但不抗拉力,两种力的差距达10倍。当地震来临时,房屋在地震波循环荷载情况下,极易发生整体垮塌。

而钢结构具有良好的延展性,可以将地震波的能耗抵消掉。钢材基本上属各向同性材料,扛拉、抗压、扛剪强度均很高,而且具有良好的延展性,特别是钢结构凭着自己特有的高延展性减轻了地震反应。钢结构还可以看作比较理想的弹塑性结构,可以通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量,从而具有较高的抵抗强烈地震的能力。钢结构相对于其他结构自重轻,这也大大减轻了地震作用的影响。钢结构除了抗震性能高,施工周期短、工业化程度高、环保性能好的特点也显著优于混凝土结构。

二、钢结构破坏部位

钢结构的震害主要有节结构的整体倒塌、构件的破坏和点连接的破坏等三种形式。

2.1 节点连接的破坏

2.1.1 框架梁柱节点区的破坏原因

对节点破坏原因的分析:(1)裂缝主要出现在节点下翼缘,是因为钢结构梁上翼缘有楼板加强,并且上翼缘焊缝无腹板妨碍施焊;(2)梁端焊缝通过孔边缘会出现应力集中,引发裂缝;(3)梁翼缘端部全熔透坡口焊的衬板边缘形成人工缝,缝隙在竖向力作用下扩大;(4)焊缝存在缺陷,特别是下翼缘梁端现场焊缝的中部,因为腹板妨碍焊接和检查,出现不连续;(5)焊缝金属的冲击韧性低。

2.1.2 支撑连接的破坏

采用螺栓连接的支撑破坏形式,包括支撑杆件螺孔间剪切滑移的破坏、节点板端部剪切滑移的破坏、以及支撑截面削弱处断裂。支撑是框架一支撑结构当中最重要的抗侧力部分,一旦发生地震的时候,它将首先承受水平地震作用,如某层的支撑发生破坏,将使这个楼层成为薄弱层,造成严重后果。

2.2 构件的破坏

2.2.1 支撑杆件的整体失稳、局部失稳和断裂破坏

当支撑构件的组成板件宽厚比较大时,往往伴随着整体失稳出现板件的局部失稳现象,进而引发低周疲劳和断裂破坏,这在以往的震害中并不少见。试验研究表明,要防止板件在往复塑性应变作用下发生局部失稳,进而引发低周疲劳破坏,必须对支撑板件的宽厚比进行限制,且应比塑性设计的还要严格。

2.2.2 钢柱脆性断裂

在1995年阪神地震当中,位于芦屋市海滨城高层住宅小区,小区当中的2l栋巨型钢框架结构的住宅楼共有57根钢柱发生了断裂现象,所有箱形截面柱的断裂都发生在14层以下的楼层里,并且都是脆性受拉断裂,断口呈水平的形状。

我们分析认为:①有的钢柱断裂发生在拼接焊缝附近,这里可能正是焊接缺陷构成的薄弱部位;②钢柱暴露于室外,当时正值日本的严冬,钢材温度低于0摄氏度;③箱形截面柱的壁厚达50mm,厚板焊接时过热,使焊缝附近钢材延展性降低;④竖向地震及倾覆力矩在柱中产生较大的拉力。

2.3 结构的倒塌破坏

1985年墨西哥发生的大地震中,墨西哥市的某个综合大楼的3个22层的钢结构塔楼之一发生倒塌,其余2栋钢结构塔楼也发生了严重破坏,其中1栋已经接近倒塌。这3栋塔楼的结构体系都是框架-支撑结构。有关分析证明,塔楼发生倒塌或者严重破坏的主要原因,是因为纵横向垂直支撑偏位设置,从而导致刚度中心和质量重心相距太大,所以在地震中产生了较大的扭转效应,致使钢柱的承载力小于作用力大于,引发了3栋相同的塔楼发生了严重破坏甚至倒塌。由此可见,规则对称的结构体系对抗震是十分有利的。

三、钢结构抗震设计方法的建议

弹性结构在地震作用下的阻尼力c通常总是很小，可以忽略。弹性结构经历的最大地震力Fmax，可以采用绝对最大加速度表示：

Fmax=kymax=一m(+ag)max (1)

如果只是用Fmax做结构设计，则结构在地震作用下应当保持弹性，不会破坏。

为了结构抗震设计方便，引进了加速度的动力放大系数βmax谱，反应谱的形状和分段记号见图1。我国采用的是平均谱，βmax取为2．25。采用弹性谱确定地震力，则

FE=ZβW (2)

式中：Z为地震系数，是地震最大加速度与重力加速度的比值；W为结构的重量；β是动力放大系数，按β谱取值。

图1 β谱

我国《建筑抗震设计规范》自GBJ11―89以来，采用了以概率可靠度为基础的三水准(小震不坏、中震可修、大震不倒)、两阶段(小震下的截面抗震验算和大震下的结构变形验算)的抗震设计思想。目前国际上对“不倒”有比较统一的认识，对钢框架结构层间位移角在1/50～1/30，就能够保证其“不倒”。

在三水准设防目标的描述中，“抗震设防烈度”的概念非常重要，结构抗震设计要设防的最重要目标是：在遭遇本地区抗震设防烈度的地震作用下，可能损坏，经一般修理仍可使用。

抗震设计不能按弹性反应要求来对结构进行设计，其主要理由有三点：①按式(2)来计算地震作用，在遭受设防烈度的地震作用时，结构仍然处于弹性阶段，因此肯定是安全的。但按式(2)计算的地震作用到底有多大?举个例子：按8度设防烈度，Z=0．2，β=2．25，则FE=0．2×2．25W=0．45W，相当于竖向荷载的45％的水平力作用在结构上，这个结构将非常强大才能抵抗这个水平力，因此采用完全弹性的计算地震力，从经济上考虑，无法承受；②历次地震表明，让结构经受一定程度的塑性变形，对结构的安全并没有什么大的影响；从弹性反应谱知道，结构的地震作用受到结构固有周期的影响。如果结构的刚度小，周期长，则地震作用越小。如果在地震过程中，结构的刚度也能减小(通过塑性变形)，特别是在最大地震加速度到来之前发生塑性变形，刚度下降，则这个结构遭受的地震作用将显著地降低。所以，结构工程专家们的一致意见是，结构应恰当设计，使其既满足规范地震力要求，又符合构造要求(如对材料的要求、长细比、宽厚比、轴压比等)，抗震安全才达到可接受水平。

规范要求：水平地震影响系数最大值amax见表1；钢结构的弹性位移角限值为1/300；弹塑性位移角限值为1/50。

表1规范规定的amax值

在我国进行钢结构建筑设计时，采用上述抗震设计法的指导思想就是，即便发生大震，钢骨架(特别是梁)将产生适当的塑性变形来吸收地震能量，避免建筑物全体倒塌破坏。为了使钢框架实现梁铰倒塌机制，确保建筑物的性能，需要使用抗震性能好的钢材。

结束语

由于本人的能力和精力所限，本文还存在许多不足，钢结构抗震问题一直是设计行业的一大难点，规范中也不过是寥寥几页就带过了。论文对于某些问题的论述应该收集更多的数据，增加定量分析将更具有说服力；由于时间关系没能作具体的个案研究也是本文一大却憾。以上不足之处将是今后努力的方向，结构设计是一个长期的课题，以后将在工作之余继续努力深入实践，将这一课题的研究不断的完善，使研究成果具有更大的实际应用价值。

参考文献

[1]张晓波,从汶川地震看钢结构预制构件拼接建筑结构的应用和发展[J].住宅产业,2008(7).

[2]崔辉辉等,支撑布置方式对具水平加强层全钢高层结构抗震性能的影响分析[J].福建建筑,2008(9).

第7篇：刚架结构设计论文范文

论文摘要：《工程力学》是工程管理专业的一门主要的技术基础课，在专业课程学习中起着承上启下的重要作用，但是由于教学对象的特殊性，使得工程力学在工程管理专业的教学过程中遇到了很多问题：学生们对于课程的不重视、学生们觉得学习起来特别难、力学课堂容易沉闷、在较少课时内需要完成三大力学的教学内容……这些问题使得工程力学课程在工程管理专业学生的授课过程中往往不容易取得良好的教学效果，所以本篇文章就针对教学过程中容易存在的问题进行进一步的探讨，提出相应的改革措施，以供大家参考。

《工程力学》是工程管理专业的一门主要的技术基础课，在专业课程学习中起着承上启下的重要作用，其任务是使学生具备解决工程实际问题所需的基础知识。本课程涉及到的重要内容是研究物体的受力分析、平衡规律和各类构件承载力（强度、刚度、稳定性方面）的分析方法、计算理论；研究杆系结构的组成与受力特点，及求解杆系结构内力与变形的方法，其教学内容里包含了很多力学理论推导和计算过程，这些知识在传授给工程管理专业学生的过程中，他们通常觉得接受起来比较有难度，所以根据多年的教学经验，对工程管理专业《工程力学》课程进行一定的教学改革探讨是非常有必要的。

1工程管理专业对《工程力学》课程的特殊要求

工程管理专业的力学课程与工民建专业的力学课程有很大的不同。工民建专业的力学课程将《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》分为三大课程分别讲授，将每种力学理论的推导原理和计算过程都讲解的非常详细，对学生掌握程度的要求也比较高，因为工民建的学生未来很多要从事结构设计工作，力学知识对于结构安全性的设计起着至关重要的作用。而工程管理专业和工民建专业的学生未来从事工作的性质有很大不同，他们未来的工作可能从事项目的管理工作，或者监理的工作，也可能从事工程造价的工作，而力学知识在这些工作中的应用不会像在专业设计工作中那么多。所以，工程管理专业的学生对于工程力学知识的要求也必然和工民建的学生有所不同，如果按照同一个标准进行教学，势必会影响针对工程管理学生的教学效果。目前，大多数工程管理专业的力学课程仅设置一门《工程力学》（授课学时为64-80），并在这一门课程中贯穿了理论力学、材料力学、结构力学这三大力学的理论计算知识，如何在这么短的时间内将三大力学的理论计算知识有效的传递给学生，是一个值得思考的问题。

另外，在从事工程管理专业《工程力学》课程教学工作的过程中，我发现学生们对于本门课程的重视程度不足，这就直接影响了学生们对于本课程的接受程度。工程管理专业的学生常常会觉得力学课程在未来的工作中应用不多，没必要学，所以在学习的过程中往往不愿意动脑筋去领会复杂的力学理论原理，仅仅是为了应付考试而对步骤进行简单的死记硬背，这就使得本门课程的教学效果大打折扣，如何选择更有用的教学内容调动学生们的学习积极性也是一个很重要的问题。

2工程管理专业《工程力学》课程的改革建议

2.1教学目标的调整课程教学的目标决定课程的教学方向，如果力学课程的教学目标定得过于侧重力学理论原理的讲解，则对于工程管理专业学生的针对性不足，毕竟他们将来主要从事生产第一线的施工、安装、管理、设备维护等技术工作，对于他们而言，真正涉及到力学计算的地方可能不多。所以我们在确定教学目标的时候要“弱化理论分析”，转而侧重讲述力学知识的应用，让工程管理专业的学生能很快地理解掌握力学知识在建筑结构方面是如何应用的，这能够增加力学课程对于工程管理专业学生的针对性。另一方面，由于力学课程的特殊性，除了教学方向上制定的目标外，还应该更加侧重对学生思维能力的培养，通过力学体系、授课案例的合理设置，增强学生的逻辑分析能力和严密的思维，有助于将来更好的从事工程管理工作。 转贴于

2.2教学内容的调整

2.2.1围绕主线精选教学内容以研究结构体系的力平衡和变形协调以及二者之间的物理关系为主线，贯穿全书，建立对工程力学的整体认识。在理论力学部分通过重点讲解平面力系给出力学平衡的知识，并进一步引申到空间力系，让学生对于力学平衡有整体系统的认识；在材料力学部分通过重点讲解结构构件的内力和应力给出内力和变形的知识，并且进一步灌输内力和变形在强度、刚度和稳定性中的应用；在结构力学部分通过重点讲解力法和位移法的内容深入理解力平衡和变形协调的物理关系在结构体系中的应用。按此教学线路去均衡的安排教学时数，适当删减不必要的理论内容，侧重内容的应用性[1]。

2.2.2教学内容结合工程结构分析从工程的角度讲，力学知识如果完全脱离了工程结构和施工去讲解，则失去了它的实用价值，工程管理的学生日后经常要和房屋的搭建以及相关的施工器械打交道，教学的内容多结合结构骨架和施工机械会起到非常良好的效果。比如谈到铰接和刚接的问题时，可以联系到工厂的承重体系，并且涉及到承重体系基础的问题，通过分析不同厂房承重体系基础形式的不同，让大家了解铰接和刚接的区别，进一步了解排架和刚架承重体系的区别。这样，学生就不会认为学习力学是没有的，就会感觉到力学和大家从事的行业有着紧密的关系[2]。

2.2.3教学内容结合施工分析在教学内容中结合学生在工地上的上所见所闻，专业思想教育和职业道德进行渗透，以培养高素质的工程技术人员。比如受力分析中的弯矩问题可以联系到塔架结构或者吊车的平衡分析，当学生初到工地看到塔吊的时候，肯定也会疑问为什么高处的吊车臂除了吊需要的结构材料以外，还有一些吊块悬于空中，那么可以通过力学知识给大家提供解释，告诉大家吊车可以通过该变平衡重的重量来控制吊车的载重，以免吊车翻转。如果把这样的问题放到讲解弯矩内容的过程中，会增加学生们的学习兴趣。

2.3工程管理专业《工程力学》课程教学方法的改进工程管理学生《工程力学》的教学不能单一的侧重理论讲解过程，而应采取灵活的教学方法调动学生的积极性。

2.3.1精讲多练由于工程力学要在比较少的学时里给大家交代三大力学的内容，所以要非常精的选择教学内容、案例和作业，并且课上多练习，及时发现问题，及时纠正学生在学习过程中存在的问题。比如，我在多年的授课过程中，发现一个问题，就是老师讲的再多学生不练习也仍旧不会，尤其是力学这门课程，学生们普遍认为是非常难学的课程，这样就更需要加大练习的力度。在课堂时间的安排上要更多的安排学生练习的时间，让学生当堂到黑板上做题，老师会在这个过程中及时发现学生学习方面存在的问题，有针对性地解决学生学习中的不足之处，教学效果会更好。

2.3.2启发思考力学课程很重要的一方面目标就是要培养学生的思维能力，所以教师要经常通过提问让大家思考，并鼓励学生发现问题，养成善于思考的习惯。教师可以通过给学生讲解实验或实际工程等例子，逐步引导大家思考，引出重要的概念和理论；通过比较不同的例子，让大家思考理论之间的关联性；通过总结让大家更清晰的看到问题的本质。比如，在讲授如何绘制梁的内力图时，可以拿出一个作用有分布荷载和弯矩作用的简支梁，让大家分别用列方程法、简易规律法和叠加法绘制弯矩图，这样在解答这道题的过程中，不仅复习了求解支座反力的知识，而且将绘制弯矩图的几种方法对比的应用到一个案例，让大家不仅对这部分知识记忆深刻，而且理解认识也会更深一层。总之，通过一系列的启发教学，培养大家的思考能力、联想能力、归纳能力，甚至发散思维等等[3]。

2.3.3课堂讨论课堂讨论往往是英语等课程常用的教学手段，在力学课程当中很少有应用，可是通常的力学课特别容易让人感觉沉闷，所以可以考虑把这种灵活的教学手法应用到力学的教学中。拿出一个案例让大家讨论可以用什么样的力学理论去解答，或者拿出一个案例让大家讨论可以用几种力学方法解答，这些讨论案例的设置不仅会增加学生们的学习兴趣，而且会让学生们对于所学的内容印象非常深刻。

工程力学课程是后续课程的重要基础课程之一，为将来的结构课程和施工课程的学习打下了重要知识基础，教学中进行了上述教学目标、内容、方法的改革研究和实践操作，必定能大大提高了学生的学习热情，使学生们对于工程结构和施工具有一定的初步了解，激发他们对工程方面知识的学习兴趣，并能把力学知识用到实处，培养出新时代的复合型人才。

参考文献

[1]王秀华.“工程力学”课程教学的探讨[J]考试周刊，2007，(50)

第8篇：刚架结构设计论文范文

关键词：钢框架震害节点设计衬板

1．前言

1994年1月17日发生在美国加州圣费南多谷地的北岭地震（NorthridgeEarthquake）和正好一年后1995年1月17日发生在日本兵库县南部地区的阪神地震(Hyogoken-NanbuEarthquake)是两次陆域型强震，都导致了焊接钢框架梁-柱附性连接节点的广泛破坏。震后两国进行了大量的调查和研究，揭示了破坏的原因，在此基础上提出了改进钢框架节点设计的技术措施。两国在此期间都发表了不少论文，所作的讨论开拓了人们的眼界，提供了对钢框架的节点设计的更多了解，对今后钢框架节点设计有深远的影响。我们受中国建筑科学研究院抗震所委托，对有关资料进行了搜集、整理和归纳，现将其主要内容在此作一介绍。

2．美日两国钢框架节点的破坏情况

两国钢框架破坏情况的报导，主要集中在梁柱混合连接节点上，因此本文也以梁柱混合连接为主要对象。混合连接是一种现场连接，其中梁翼缘与柱用全熔透坡口对接焊缝连接，梁腹板通过连接板与柱用高强度螺栓连接。美国惯常采用焊接工字形柱，日本则广泛采用箱形柱，仅在一个方向组成刚架时采用工字形柱。在梁翼缘连接处，工字形柱腹板上要设置加劲肋(美国称为连续板)，在箱形柱中则要设置隔板。

美、日两国梁杠混合连接节点的典型构造。在节点设计上，两国都采用弯矩由翼缘连接承受和剪力由腹板连接承受的设计方法，美国还规定，当梁翼缘承受的弯矩小于截面总弯矩的70％或梁腹板承受的弯矩大于截面总弯矩的30％时，要将梁腹板与连接板的角部用角焊缝焊接。日本则规定腹板螺栓连接应按保有耐力即框架达到塑性阶段时的承载力设计，螺栓应设置2-3列，也是为了考虑腹板可能承受的的弯矩。梁翼缘处的柱加劲肋，美国过去根据传力的需要由计算确定，其截面较小。日本根据构造要求采用，其截面较大。

2.1美国北岭地震后对刚框架节点破坏的调查

从70年代以来，美国采用高强螺栓联接钢框架已很普遍，北岭地震后出现破坏的有100多幢[3](有的报导说90多幢[7]、150多幢[1]或200多幢[5])。为了弄清破坏的原因，北岭地震后不久，在美国联邦应急管理局(FEMA)资肋下，有加州结构工程协会(SEAOC)、应用技术研究会(ATC)和加州一些大学的地震工程研究单位(CU)等组成了被称为SAC和联合动机构，对此开展了深入调查和研究，以便弄清破坏原因和提出改进措施。

美国的钢框架梁-柱连接，在50年代多采用铆钉连接，60年代逐步改用高强度螺栓连接。为了评估栓焊混合连接的有效性，曾进行过一系列试验，这种由翼缘焊缝抗弯和腹板螺栓连接抗剪的节点，美国以前规定其塑性转角应达到O．015rad(≈1／65)，但大量试验表明，塑性转角的试验结果很离散，且出现了早期破坏，总的说来性能很不稳定。北岭地震前，德州大学教授Engelhardt就曾对这种连接在大震时的性能产生疑问，指出在大震时要密切注意，对它的的设计方法和连接构造要进行改进[7]。

北岭地震证实了这一疑虑，为此SAC通过柏克莱加州大学地震工程研究中心(EERC)等4个试验场地，进行了以了解震前节点的变形响应和修复性能为目的的足尺试验和改进后的节点试验。对北岭地震前通常做法的节点及破坏后重新修复节点的试验表明全部试验都观察到了与现场裂缝类似的早期裂缝，试验的特性曲线亦与以前的试验结果相同，梁的塑性转动能力平均为0.05弧度，是SAC经过研究后确定的目标值0．03弧度的1／6，说明北岭地震前钢框架节点连接性能很差，这与地震中的连接破坏是吻合的。而且破坏前没有看到或很少看到有延性表现，与设想能发展很大延性e6钢框架设计意图是违背的。焊接钢框架节点的破坏，主要发生在梁的下翼缘，而且一般是由焊缝根部萌生的脆性破坏裂纹引起的。裂纹扩展的途径是多样的，由焊根进入母材或热影响区。一旦翼缘坏了，由螺栓或焊缝连接的剪力连接板往往被拉开，沿连接线由下向上扩展。最具潜在危险的是由焊缝根部通过柱翼缘和腹板扩展的断裂裂缝。

从破坏的程度看，可见裂缝约占20-30％，大量的是用超声波探伤等方法才能发现的不可见裂纹。裂纹在上翼缘和下翼缘之间出现的比例为1：5-1：20，在焊缝和母材上出现的比例约为1：10到1：100。一般认为，混凝土楼板的组合作用减小了上翼缘的破坏，也有人认为上翼缘焊缝根部不象下翼缘那样位于梁的最外侧，因此焊根中引起的应力较低，减少了上翼缘破坏的概率[1]。

美国斯坦福大学Krawinkler教授对北岭地震中几种主要连接破坏形式作了归纳，由下翼缘焊缝根部开始出现的这样或那样的破坏，最多的是沿焊缝金属的边缘破坏，另有沿柱翼缘表面附近裂开的剥离破坏，也有沿腹板板切角端部开始的梁翼缘断裂破坏，或从柱翼缘穿透柱腹板的断裂破坏。

北岭地震虽然没有使钢框架房屋倒塌，也没有因钢框架节点破坏引起人身伤亡，但使业主和保险公司支付了大量的修复费用。仅就检查费用而言，不需挪动石棉时为每个节点800-1000美元，需挪动石棉时为每个节点1000-2000美元，对于有石膏抹灰和吊顶的高级住宅，每个节点达2000-5000美元，修复费用更高211。更重要的当然是对过去长期沿用的节点在抗震中的安全问题提出了疑问，必须认真研究和解决。

2．2日本贩神地震后对钢框架节点破坏的调查

阪神地震后，日本建设省建筑研究所成立了地震对策本部，组织了各方面人士多次参加的建筑应急危险度和震害的调查，民间有关团体也开展了各类领域的震害调查，但因钢结构相对于其它结构的震害较少，除新发现了钢柱脆断或柱脚拔起外，钢框架节点的破坏主要表现在扇形切角(scallop)工艺孔部位，但因结构体被内外装修所隐蔽，一般业主、设计或施工人员对此震害调查不太积极，对钢框架系统震害的调查遇到一定困难。仅管如此，日本学者还是就腹板切角工艺孔方面的问题进行了探索，如日本建筑学会结构连接委员会和钢材俱乐部等单位，专就工艺孔破坏状态等问题作了系统深入的研究。

日本对于混合连接的研究，早在1978年以后的石油危机中，就曾利用建筑处于低潮机会结合自屏蔽电弧焊的出现和应用，系统地开展过。进入90年代后，随着高层、超高层和大跨度钢结构建筑的增多，梁柱截面增大，若采用过去的梁悬臂段形式，由于运输尺寸上的限制，悬臂长度大致不能超过1m；另一方面，由于梁翼缘板厚增大，拼接螺栓增多，结果梁端至最近螺栓的距离只有500mm左右，截面受到很大削弱，对保证梁端塑性变形很不利。这样，在大型钢结构工程中，现在较多采用梁与柱的混合连接。图1是采用箱形柱时的混合连接示意图梁翼缘与箱形柱隔板直接焊接[7]。

日本在美国北岭地震前不久，曾对此种连接进行了试验研究，结果表明，梁端翼缘焊缝处的破坏几乎都是在梁下翼缘从扇形切角工艺孔端开始的，没有看到象在美国试验中和地震中出现的沿焊缝金属及其边缘破坏的情况，通过试验和版神地震观察到的梁端工艺孔处的裂缝发展情况。

日本钢材俱乐部研究了扇形切角工艺孔带衬板及底部有焊缝的两种节点试验。

美、日两国钢框架在地震中的梁柱节点破坏形式是有区别的，北岭地震中的裂缝多向柱段范围扩展，而阪神地震中的裂缝则多向梁段范围发展。对两国节点破坏情况的这种差异与其与构造差异的关系，还有待进一步探讨。

3．节点破坏原因与分析

北岭地震后，美日两国学者就节点破坏原因，通过现场调查、室内试验和现场检验，进行了结构响应分析、有限元分析、断裂力学分析等，还作了很多补充试验，结合震前研究，对节点破坏原因提出了一些看法。首先认为节点破坏与加劲板、补强板腹板附加焊缝等的变动，并没有什么直接关系，也并不是仅由设计或施工不良所能说明的，而是应从节点本身存在根本性缺陷方面去找原因。有以下几方面因素，被认为是决定和和影响节点性能而导致了破坏。

3．1焊缝金属冲击韧性低[3]

美国北岭地震前，焊缝多采用E70T-4或E70T-7自屏蔽药芯焊条施焊，这种焊条提供的最小抗拉强度480MPa，恰帕冲击韧性无规定，试验室试件和从实际破坏的结构中取出的连接试件在室温下的试验表明，其冲击韧性往往只有10-15J，这样低的冲击韧性使得连接很易产生脆性破坏，成为引发节点破坏的重要因素。在北岭地震后不久所作的大型验证性试验，对焊缝进行十分仔细的操作，做到了确保焊接质量，排除了焊接操作产生的影响。焊缝采用E70T-4型低韧性焊条，尽管焊接操作的质量很高，连接还是出现了早期破坏，从而证明了焊接缝金属冲击韧性低,是焊接破坏的因素之一。

3．2焊缝存在的缺陷[3]

对破坏的连接所作调查表明，焊接质量往往很差，很多缺陷可以看出明显违背了规范规定的焊接质量要求，不但焊接操作有问题，焊缝检查也有问题。很多缺陷说明，裂缝萌生在下翼缘焊缝中腹板的焊条通过孔附近，该处的下翼缘焊缝是中断的，使缺陷更为明显。该部位进行超声波检查也比较困难，因为梁腹板妨碍探头的设置。因此，主要的连接焊缝中由于施焊困难和探伤困难出现了质量极差的部位。上冀缘焊缝的施焊和探伤不存在梁腹板妨碍的问题，因此可以认为是上翼缘焊缝破坏较少的原因之一。

3．3坡口焊缝处的衬板和引弧板造成人工缝[4]

实际工程中，往往焊接后将焊接衬板留在原处，这种做法已经表明，对连接的破坏具有重要影响。在加州大学进行的试验表明，衬板与柱翼缘之间形成一条未熔化的垂直界面，相当于一条人工缝，在梁翼缘的拉力作用下会使该裂缝扩大，引起脆性破坏。其它人员的研究也得出相同结果。

1995年加州大学Popov等所作的试验，再现了节点的脆性破坏，破裂的速度很高，事前并无延性表现，因此破坏是灾难性的。研究指出,受拉时切口部位应力最大，破坏是三轴应力引起的，表现为脆性破坏，外观无屈服。他们还通过有限元模拟计算，得出最大应力集中系数出现在梁缘焊接衬板连接处中部，破坏时裂缝将从应力集中系数最大的地方开始,此一结论已为试验所证实。研究表明：大多数节点破坏都起源于下部衬板处。引弧板同样也会引发裂缝。

3.4梁翼缘坡口焊缝出现的超应力[3]

北岭地震后对震前节点进行的分析表明，当梁发展到塑性弯矩时,梁下翼缘坡口焊缝处会出现超高应力。超应力的出现因素有：当螺栓连接的腹板不足以参加弯矩传递时，柱翼缘受弯导致梁翼缘中段存在着较大的集中应力；在供焊条通过的焊接工艺孔处，存着附加集中应力；据观察，有一大部分剪力实际是由翼缘焊缝传递，而不是象通常设计假设的那样由腹板的连接传递。梁翼缘坡口焊缝的应力很高，很可能对节点破坏起了不利影响。Popov[4]采用8节点块体单元有限元模拟分析发现，节点应力分布的最高应力点，是在梁的翼缘焊缝处和节点板域，节点板域的屈服从中心开始，然后向四周扩散。岭前进行的大量试验表明,当焊缝不出现裂纹时，节点受力情况也常常不能满足坡口焊缝近处梁翼缘母材不出现超应力的要求。日本利用震前带有工艺孔的节点，在试验荷载下由应变仪测得的工艺孔端点翼缘内外的应变分布，应变集中倾向出现在翼缘外侧端部，内侧则在工艺孔端部，最大应变发生在工艺孔端点位置上.应变集中的原因,不仅大于工艺孔造成的不连续性，还在于工艺孔部分梁腹板负担的一部分剪力由翼缘去承担了，使翼缘和柱隔板上产生了二阶弯曲应力。这些试验与分析均指出，今后对节点性能的改进，不仅应改善焊缝，而且还应降低梁翼缘坡口焊缝处的应力水平。

3．5其它因素[3]

有很多其它因素也被认为对节点破坏产生潜在影响，包括：梁的屈服应力比规定的最小值高出很多；柱翼缘板在厚度方向的抗拉强度和延性不确定；柱节点域过大的剪切屈服和变形产生不利影响；组合楼板产生负面影响。这些影响因素可能还需要一定时间进行争论,才能弄清楚。

4．改进节点设计的途径

4．1将塑性铰的位置外移[2][3][4]

在北岭地震之前，美国UBC和NEHRP两本法规对节点设计的规定，都是根据在柱面产生塑性铰的假定提出的。由于在北岭地震中发现梁在柱面并没有产生塑性变性，却出现了裂缝。切口处的破坏是由三轴应力引起的，从而导致了脆性破坏。过去采用的焊接钢框架节点标准构造，不能提供可靠的非弹性变形。试验表明，其节点转动能力不超过O．005rad，大大小于SAC建议的最小塑性转动能力0．03rad。另一方面，从受力情况看，塑性铰出现在柱面附近的梁上，还可能在柱翼缘的材料中引起很大的厚度方向应变，并对焊缝金属及其周围的热影响区提出较高的塑性变形要求，这些情况也可能导致脆性破坏。因此，为了取得可靠的性能，最好还是将梁柱连接在构造上使塑性铰外移。将塑性位置从柱面外移有两种方法，一种是将节点部位局部加强，一种是在离开柱面一定距离处将梁截面局部削弱。钢梁中的塑性铰典型长度约为梁高的一半，当对节点局部加强时，可取塑性铰位置为距加强部分的边缘处梁高的1／3。节点局部加强固然也可使塑性铰外移，但应十分注意不要因此出现弱柱，有背强柱弱梁的原则。

也有一部分专业技术人员认为，在构造上采取某些措施仍可使塑性铰出现在柱面附近，这些措施包括限制构件的截面，控制梁柱钢材的有关强度，使母材和焊缝金属有足够的冲击韧性，在节点构件上消除缺口效应等。但是由于没有足够的研究来肯定这些建议，使得这种建议在美国迟迟未能落实。而将塑性铰自柱面外移的建议，试验已表明是可行的和行之有效的。目前，美国对节点局部加强及梁截面减弱，都已提出了若干构造方案。实际上，将梁截面减弱使塑性铰外移的方法，早在北岭地震以前即有学者提出过，北岭地震后又作了研究，在技术上己较成熟[4]，从近期在美国盐湖城建造的25层办公楼中采用的犬骨式(dog-bone)连接，就可以看到它的构造细节。目前，美国虽未提出今后在抗震框架中推荐采用何种节点形式，但从实际情况看，上述犬骨式连接已成为主导形式[3]。因它制作方便、省工，由美国公司设计的我国天津国贸大厦钢框架中也已采用了这种节点形式。

日本阪神地震后，没有象美国采用将塑性铰外移的方案。日本1996年发表的《钢结构工程技术指针》和1997年发表的《钢结构技术指针》JASS6等，仅提出了钢框架梁柱连接节点的构造改进形式，对节点构造特别是扇形切角工艺孔作了不少规定，目的也是消除可能出现的裂缝，保证结构的非弹性变形。也就是说，日本与美国分别采用了不同的避免脆性破坏的途径。

4.2梁冀缘焊缝衬板缺口效应的处理[11][6]

在北岭地震前，美国钢框架节点施工中，通常将衬板和引弧板焊接后留在原处，这种做法，如前所述存在缺口效应，会导致开裂，现在则在焊后将下翼缘的衬板和引弧板割除，同时对焊缝进行检查[11]。正如前面曾指出的，在下翼缘的焊缝中部由于焊条通过切角困难，焊接和探伤操作都要被迫中断，通常存在缺陷，割除衬板后可以目视观察，从而减少在此部位不易查看到的裂纹。衬板和引弧板可用气刨割除后再清根补焊，但费用较高，操作不慎还可能伤及母材。研究表明，衬板也可不去除，而将衬板底面边缘与柱焊接，缺点是无法象去除衬板后能对焊缝进行仔细检查。

由于上翼缘焊缝处衬板的缺口效应不严重，而且它对焊接和超探也没有妨碍，出于费用考虑，割除上翼缘衬板可能不合算，如果将上翼缘衬板边缘用焊缝封闭，试验表明并无利影响，因此美国现时做法是上翼缘衬板仍然保留并用焊缝封口。

坡口焊缝的引弧板，在上下翼缘处通常都切除，因为引弧和灭弧处通常都有很多缺用气切切除后还需打磨，才能消除潜在的裂缝源。

在消除衬板的缺口效应方面，日本是非常重视的。在阪神地震后发表的技术规定中,对采用H型钢梁、组合梁，以及采用组合梁时梁预先焊接或与衬板同时装配，不论是否切角，均采用衬板，对其构造包括引弧板，分别作了详细规定。

4．3扇形切角构造的改进[8][9]

在日本阪神大地震中，由于扇形切角工艺孔的端部起点存在产生裂缝的危险，是否设置形切角以及如何设置，已成为关系到抗震安全的一项重要问题。日本震后发表的技术规范中，对扇形切角的设置也提出一系列规定，包括不开扇形切角和开扇形切角两大类，并规定扇形切角可采用不同形状；对于柱贯通形和梁贯通形节点分别规定了不同的构造形式。柱贯通型节点的扇形切角形式有两种，其特点是将扇形切角端部与梁翼缘连接处圆弧半径减小，以便减少应力集中。日本早就研究不设扇形切角以提高梁变形能力的方案，在最近公布的技术规定中，根据目前的焊接技术水平已将此种方案付诸实施[8][9]。

4．4选用有较高冲击韧性的焊缝[2][6]

如前所述，焊缝冲击韧性不足会引起节点破坏。那么焊缝究竟要有多大的冲击韧性才能防止裂纹出现呢?美国提出，焊缝的恰帕冲击韧性(CVN)最小值取-29℃时27J(相当于-200F时20ft-1bs)是合适的，可以发展成为事实上的标准。在最近美国的实际工程中，采用E71T-8型和E70TG-K2型焊条的普通手工焊电弧焊已表明焊缝最小冲击韧性可满足上述要求，而采用E7018型药芯焊条的''''贴紧焊''''焊缝冲击韧性值更高，但都必须按AWS规定的焊接和探伤方法操作。

4．5将梁腹板与柱焊接[3]

美国SAC在采用犬骨式连接时建议：将以往的腹板栓接改为焊接，用全熔透坡口焊缝将梁腹板直接焊在柱上或通过较厚连接板焊接。在北岭地震前，就已有很多研究指出腹板焊接比栓接性能好，它能更好地传力，从而减小梁冀缘和翼缘坡口焊缝的应力。日本在阪神地震前的研究也已指出，梁端腹板用高强度螺栓连接时，与焊接相比抗弯能力变小，塑性变形能力有明显差异，但在日本新规定中尚未看到与美国提出的相类似的要求。

5.美、日节点构造的比较、根据美、日钢框架梁-柱节点构造及震后的改进情况，可以看到下列差异：

1)美国认为梁端不能产生塑性变形，采取了将塑性铰外移的基本对策，提出将节点局部加强或将梁局部削弱的方法，虽然目前尚无定论，但从实际发展情况看，因削弱梁截面的方法省工、效果好，已在某些工程中采用。但日本却没有采用将塑性铰外移的方法，而是采取在原构造的基础上消除裂缝的病灶的方法。

2)两国都注意到了梁翼缘坡口焊缝的焊接衬板边缘存在的缺口效应所带来的严重后果，在北岭地震和阪神地震后都采取了相应对策。美国SAC建议，下翼缘焊缝的衬板宜割除，然后清根补焊；考虑上翼缘焊缝缺陷一般较少，受力条件较有利以及费用等原因，可对衬边缘用焊缝封闭。而日本则对H型钢梁和焊接组合梁(包括梁先焊好和梁与衬板同时装配两种情况)以及节点为柱贯通型或梁贯通型时衬板的设置，作了详细规定。

3)美国在梁腹板端部衬板通过处采用矩形切角(端部呈半圆形)，而不象日本采用圆弧形切角，由于腹板受弯矩较大时将连接板与腹板焊接，从有关震害情况报导看，没有发现这种形式的切角引发多少裂缝。日本为消除梁端扇形切角端部的应力集中，作出一系列规定，包括不作扇形切角、梁腹板用直线切剖不设扇形切角的方法以及允许采用不同形式的切角等，如在与梁翼缘连接处将曲率半径变小和采用类似美国采用的切角形式。

4)美日两国都规定，节点按翼缘连接受弯矩和腹板连接受剪力的要求设计。美国附加规定了当梁翼缘的受弯承载力小于截面受弯承载力的70％或梁腹板受弯承载力大于截面受弯承载力的30％时，在柱连接板角部应将梁腹板与连接板焊接。日本过去在梁端混合连接中，采用弯矩由翼缘连接承受，剪力由腹板连接承受的设计方法，螺栓一般配置一列。在94年的文献[5]中指出，"现在该处的连接必需满足保有耐力连接的条件，考虑腹板高强螺栓连接也要部分地承受弯矩，要求布置2列到3列，与以前的连接相比，抗弯承载力储备提高了，这是结构设计上的一个特点。"这些都是北岭和阪神地震前的情况，震后基本上没有改变。只是北岭地震后，美国建议将梁腹板直接与柱焊接或与连接板焊接，以便减小梁翼缘焊缝处的焊缝应力，日本则尚无此规定。

5)与梁翼缘对应位置的柱加劲肋(美国叫做连续板)，日本一贯规定应比对应的梁翼缘厚度大一级，认为这是关键部位，为此多用一点材料是很值得的。美国过去根据传递梁翼缘压力的需要确定，考虑一部分内力由柱腹板直接传递，加劲肋厚度显著小于梁翼缘厚度。而且曾有一些设计规定，例如可取厚度等于梁翼缘厚度的一半。有的文献认为，太厚了可能产生较大残余应力，最好用试验确定。北岭地震中，有些加劲肋屈曲了，有的学者己提出改为与梁翼缘等厚的建议。

6)美国强调焊缝冲击韧性的重要性，规定了节点翼缘焊缝的冲击韧性指标，严格焊接工艺的探伤要求。日本一贯重视焊接质量，还没有看到在这方面有什么新的规定。

7)美国认为，钢材屈服点高出标准值较多是钢框架震害的重要原因之一，这也许在美国特别突出。美国钢材屈服点超过标准值很多，过去就有报导，如低碳钢A36的屈服强度可高达48ksi，抗拉强度可高达701Csi，它使连接实际要求的承载力大大提高，当按设计不能满足时，就要出现破坏。根据美国型钢生产商研究会所作调查和建议，AISC于97年规定将框架连接计算中的强度增大系数由过去的1.2提高到1.5(对A36)和1.3(对A572)，其它钢号仍保留1.2，强柱弱梁条件式中柱的抗弯承载力也作了相应提高。

6．我国采取的对策

我国早期的高层建筑钢结构基本上都是国外设计的，我国的设计施工规程是在学习国外先进技术的基础上制订的。由于日本设计的我国高层钢结构建筑较多，我国的设计、制作和安装人员对日本的钢结构构造方法比较熟悉，设计规定特别是节点设计，大部分是参照日本规定适当考虑我国特点制订的，部分规定吸收了美国的经验。美国北岭地震和日本阪神地震后所发表的报导，对我们有很大启示，在我国抗震规范中对高层钢结构的节点设计拟提出如下建议：

1)将梁截面局部削弱，可以确保塑性铰外移，这种构造具有优越的抗震性能。根据美国报导，梁翼缘削弱后可将受弯承载力降至0．8Mp，因钢材用量要增多，结合我国情况作为主要形式推广将难以接受，可将此方案列入了条文说明，必要时可参考采用。

2)参考日本新规定，将混合连接上端扇形切角的上部圆弧半径改为10-15mm，与半径35mm的切角相接；同时，规定圆弧起点与衬板外侧焊缝间保持10-15mm的间隔，以减小焊接热影响区的相互影响。至于日本采用的不开切角以及直通式不设切角的构造，因为我们没有经验，不敢贸然采用，有持今后对其性能进行验证后再作取舍。

3)在消除衬板的缺口效应方面，考虑割除衬板弄得不好会伤及母材，且费用较高，故采用角焊缝封闭衬板边缘的方法。上翼缘衬板影响较小，暂不作处理。下翼缘衬板边缘建议用6mm角焊缝沿下翼缘全宽封闭。因仰焊施工不便，角焊缝最多只能做到6mm；为了更好地消除缺口效应，应要求焊沿翼缘全宽满焊。

4)在翼缘焊接腹板栓接的混合连接中，按照弯矩仅由翼缘连接承受和剪力仅由腹板连接承受的原则设计时，在某些情况下是不安全的，因为当腹板的截面模量较大时，腹板要承受一部分弯矩。抗震规范修订草案除规定腹板螺栓连接应能承受梁端屈服时的剪力外，还规定当梁翼缘截面模量小于梁截面模量70％时，腹板螺栓不得少于2列，每列的螺栓数不得少于采用一列时的数量。

5)我国在梁翼缘对应位置设置的柱加劲肋，从一开始就注意到了日本的经验，规定了与梁翼缘等厚，北岭地震表明这样规定是适合的。

6)翼缘焊缝的冲击韧性要满足-30℃时27J的要求，这种试验我国过去没有做过，对于我国钢结构制作单位是否可以做到，需待调查后再确定是否列入。

这时要附带说明，美国SAC的有关规定是适用于美国3、4类地区，大体相当于7度强、8、9度地区，我国6度地区可适当放宽。

参考文献

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9.日本建筑学会，铁骨工事技术指针--工场制作编，5.16新技术·新工法介绍，1996

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