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建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点研究

出处:论文网
时间:2017-09-10

建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点研究

  中图分类号:TU391 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)17-0074-02

  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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