建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点研究

1 工程概况

　　某15层钢框架结构住宅标准层建筑平面图，建筑平面尺寸为34×11.7m，层高均为3.0m，室内外高差均为0.3m，建筑总高度为45.3m。下图1为工程结构平面图。

　　该建筑场地为II类。设计年限按n=50年考虑，基本风压为0.40kN/?O，抗震设防烈度为7度（0.1g），设计地震分组为第一组。楼板采用压型钢板混凝土组合楼盖。模型横向抗侧力结构选用框架结构，横向框架梁与柱刚接。框架柱、梁承受的荷载都比较大，故在材料选用时应优先考虑强度较高的钢材，本工程柱子和主梁采用Q345钢材，查《热轧H型钢和部分T型钢》（GB/T11263），材料性能应满足《低合金高强度结构钢》（GB/T1591）的要求。

　　2 建筑工程中钢结构设计方案分析

　　2.1 结构布置方案

　　根据建筑方案进行了结构布置，结构体系选型为钢框架结构。且水平和竖向规则，没有大的刚度突变，可以采用横向承重方案，时结合建筑的使用功能要求进行次梁的布置；此外，楼板的跨度本建筑平面为狭长形，即主梁沿横向布置，同（次梁间距）不宜过大且宜尽量保持跨内弯矩的传递平衡、均匀。

　　2.2 荷载及工况

　　结构体系中的恒活荷载取值按照《建筑结构荷载规范GB50009-2001规定，计算如下表1：

　　该建筑的外墙墙面板采用胶合板加石膏板的组合墙面，其余墙体的墙面板均采用石膏板墙面。

　　风荷载取值按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2001规定：该地区地面粗糙度为C类，考虑50年一遇的基本风压。地震荷载按照《建筑抗震设计规范》GB50011-2001规定的抗震设防烈度7度、第一组、II类场地的地震影响系数计算，设计基本地震加速度值为O.1Og，水平地震影响系数取为，特征周期值，阻尼比取为。计算中考虑水平地震下结构的平扭耦合作用，但不考虑竖向地震作用。

　　2.3 结构设计结果

　　根据建筑方案的特点进行了结构设计，在初步拟定构件尺寸的前提下，计算了结构在竖向荷载、风荷载及水平地震作用下的内力、竖向、侧向位移和自振周期特性，并验算了结构的剪重比、位移比、周期比、整体稳定性、抗倾覆性等。在考虑到结构安全性和经济性的同时，经过不断调整，最后确定的结构的梁柱构件截面尺寸见表2。

　　3 建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点

　　针对上述钢结构设计方案，先采用ANSYS建模对稳定性影响因素与设计要点进行讨论。

　　3.1 框架柱尺寸对结构整体稳定性的影响

　　建筑结构的梁柱构件塑性区主要集中在柱子中，且底部柱子尤为明显，因而可增加柱子的截面尺寸研究框架柱对结构整体稳定性的影响。建立结构模型M1（截面尺寸350×300×10×10mm），M2（截面尺寸350×250×10×10mm）， M3（截面尺寸400×400×10×10mm），对柱子的截面进行调整，结构布置以及其余构件截面均与M1相同。

　　从荷载位移曲线斜率可知，增加框架柱的截面尺寸，提高了结构X， Y方向的抗侧移刚度，减小了结构在相同荷载水平作用下的侧移。M2在极限荷载作用下，X方向最大位移为91.6mm，Y方向的最大位移为527.7mm，较M1 Y方向的位移有所减小，X方向位移变化不大。这是因为M2的框架柱截面略大于M1的截面尺寸，结构抗侧刚度提高幅度有限，因而结构侧移减小并不明显，但是结构的极限承载能力有一定的提高；M3在极限荷载作用下，X方向最大位移为96.9mm，Y方向最大位移为622.1mm，比M4分别增大了8%和15.8%，而极限荷载比M1增大了33%。可见，增加框架柱的截面尺寸，能有效的提高结构的极限承载力，且在极限荷载作用下，钢框架结构体系具有较好的延性。

　　3.2 高宽比对结构整体稳定性的影响

　　为了研究高宽比对高层钢框架结构体系整体稳定性能的影响，本节以基本模型为参照，分别建立12层（M4，高宽比3.5），18层（M5，高宽比4.5），20层（M6，高宽比5.0）钢框架结构模型，分别对这些模型进行全过程整体稳定性分析，研究高宽比对结构整体稳定性能的影响。

　　比较分析结果可知，随着高宽比的增加，结构的极限承载能力降低，且X，Y方向的最大位移明显增大，这是因为随着建筑物的层数增加，结构在水平荷载作用下的二阶效应也相继增大，这使得结构构件的“软化”进程加快，降低结构的极限承载力；且随着建筑高度的增加，结构的稳定性下降，抗倾覆能力也变弱。结构在失稳之前都具有较大位移及变形，说明结构在极限荷载作用下具有很好的延性。

　　3.3 不同抗侧力体系对结构整体稳定性的影响

　　本节研究横向、纵向支撑对结构整体稳定性的影响，另建立两个模型M7（TIME0.82745，6.62倍基本荷载）， M8（TIME0.72943，5.84倍基本荷载）。模型M7是在结构横向AB，CD跨设置支撑，模型M8是在结构纵向设置支撑，支撑均为H型钢。

　　高层钢框架结构设置横向支撑后，结构极限承载力有较大幅度提高的同时，Y方向的最大位移也显著减小，仅为基本模型M1的69%。X方向与Z方向的位移变化较小；结构设置纵向支撑，未对极限承载力产生明显影响，结构X方向的最大位移有所减小，但由于结构X方向的整体刚度本身就很大，侧移也较小，增加支撑后未明显提高结构整体刚度，因而该结构设置纵向支撑意义不大；横向支撑的设置，能提高结构整体横向刚度，提高结构的极限承载力，且能很好的控制横向侧移。

　　3.4 楼层高度对结构整体稳定性的影响

　　为研究层高对结构整体稳定性能的影响，建立模型M9（层高2.8m，高度45m）， M10（层高3.3m，高度50m），对其进行整体稳定性分析。建筑方案与基本模型M1布置相同。

　　分析结构荷载位移曲线图结果，M9与基本模型M1相比，层高减小6.7 %，极限承载力提高7.0%。极限荷载作用下，各方向最大位移有所减小；M10与基本模型M1相比，层高增加0.3m，极限承载力降低14.8%。

　　层高是影响结构楼层刚度的重要因素，随着层高的改变，结构楼层刚度相应改变。因而M9极限承载力较基本模型M1有一定提高，极限荷载下结构水平方向最大位移减小；M10层高较M1增加10%，故其结构刚度降低，X，Y方向最大位移增加，极限承载能力也显著降低。

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