多_高层钢结构设计中应注意的一些问题

第35卷第6期建　筑　结　构2005年6月

多、高层钢结构设计中应注意的一些问题

胡天兵　申　林　郁银泉

(中国建筑标准设计研究院　北京100044)

[提要]　从设计角度出发,以多、高层钢结构建筑为主,针对目前结构设计中经常出现的一些问题,阐述了设

计人员应注意的一些事项和解决问题的方法。内容包括从钢结构的计算分析到施工图设计,从容易忽视的结构设计基本原则到节点构造的一些必要考虑。[关键词]　高层钢结构　结构设计　节点构造　设计原则

SomeProblemsAboutDesignofMulti-storiedorHigh-riseSteelStructures/HuTianbing,ShenLin,YuYinquan(ChinaInstituteofBuildingStandardDesignandResearch,Beijing100044,China)

Abstract:Basedontheviewpointofhigh-risesteelstructuredesign,thispaperexpatiatesonthequestionsthatoc-curredregularlyindesignandmethodstosolvethem.Thequestionsmainlyrefertothecontentsinvolvethatfromanalysisofsteelstructuretoconstructiondrawingdesign,fromstructuraldesignprinciplesthatareeasilyignoredtoconsiderationsofjointdetails.Keywords:steelstructure;structuredesign;details;principleofdesign

1　高层钢结构的计算分析与设计1.1结构计算与分析要注意的问题

(1)结构设计参数的确定问题。采用分析软件计算时,一定要对控制参数逐一核对,因为针对某个实际工程,程序默认的控制参数缺省值有时是不正确的。例如风荷载体型系数、设计地震分组、结构的阻尼比等。以阻尼比为例,对钢筋混凝土结构和单层钢结构为0.05,不超过12层的多层钢结构为0.035,12层以上的钢结构为0.02,当进行弹塑性时程分析时,均取0.05。有些建筑物设计使用年限不同,这时结构的重要性系数是不同的,各种荷载的取值也有一定差异,对于设计使用年限为100年的建筑物,还应进行工程场地地震安全性评价,这些变化都必须考虑到。

(2)边、角柱地震作用效应放大问题。根据《建筑抗震设计规范》[1]的规定,进行结构的水平地震作用计算,只有在不进行扭转耦联计算时,才对边、角柱的地震作用效应乘以增大系数,其实就是对不作耦联计算采取的补充措施。现在很多人计算时既考虑扭转耦联,又对边、角柱的地震作用效应放大,这样做显然是不经济的,而且存在设计概念上的错误。

(3)高层钢结构抗震设计的强柱弱梁问题。在分析过程中会发现,对钢框架-钢支撑体系,这一条要求往往很难满足。其实,这一规定的目的就是人为地控制结构的破坏机制,使结构在中震及大震时,塑性铰出现在梁上而不是柱子上,以保证结构具有较好的延性,实现中震可修、大震不倒的抗震设计目标。因此,可以

按规范GB50011—2001第8.2.5条的要求对强柱弱梁进行判断,同时进行弹塑性时程分析补充计算,如果分析的结果显示塑性铰出现在梁上而非柱子上,就可以认为满足了强柱弱梁的要求。

(4)斜柱的地震剪力调整问题。不论是钢框架-钢支撑(或剪力墙)还是钢筋混凝土框架-剪力墙结构,都存在这一问题。目前的高层建筑,体型越来越复杂,采用斜柱的情况也特别多,而且一般与垂直构件相比倾角较小。国内外的大多数结构分析软件,仅把垂直构件作为柱子,而把斜柱当成斜杆,作为支撑进行设计,这对力学计算来说,没有大的影响。但在调整框架柱的剪力Q(钢筋混凝土结构为20%,钢结构为25%)时,就存在较大的问题。软件中的斜柱是作为抗侧力体系的支撑来考虑的,斜柱不参与剪力调整,仅将直柱承担的剪力调整。这样,增大了直柱和与之相连的梁的负担,是不经济的。另一方面,对斜柱来讲,不乘以内力调整系数,又不像直柱一样乘以内力放大系数(不是内力调整系数),尤其是底层,这必然会造成结构的不安全。工程实例表明,这一影响非常大,有时可使梁、柱地震内力相差50%,既浪费又不安全。设计人员应注意这一问题,同时希望结构设计软件能尽快考虑这一问题。

(5)超高层钢结构的钢柱轴压比宜接近。主要是解决钢构件差异弹性压缩问题,虽然每一层差别不大,但累计量往往还是不能忽略的。假设某建筑物高H=100m,钢柱采用Q345钢材,如果两个柱的底层轴压比

相差0.4,且沿全高截面不变,则沿全高平均应力差约为300×0.4/2=60N/mm2,两个柱子的弹性压缩差值约为Hσ/E=100000×60/206000=29mm,已经不是可以忽略的量级了,虽然可以在加工和安装时考虑这一因素,但由于施工加载是逐步完成的,可能会产生较大的类似支座沉陷引起的附加内力。因此最好在设计时加以考虑,合理调整柱截面,使其轴压比尽量接近。1.2结构设计要注意的问题

(1)如果未经计算分析,结构主构件的截面不能随意代换。在设计过程中或在钢结构加工过程中,由于现有型材规格与原设计往往有出入,或者是设计人员单纯为了提高“安全储备”,经常提出以大代小的要求,而且许多设计人员也认为,只要构件截面比原来的大,就更安全,都可以代换,无需验算。这么做,对代换构件本身来讲,有时可能没有问题,但考虑到对结构的周边影响,则存在设计概念上的错误。在结构抗震设计中,特别强调的一点就是强柱弱梁的设计原则,如果将梁用更大的截面代换,尤其是进行大规模代换,就有可能变成弱柱强梁,使结构变得不安全。同时,把某个构件代换成较大截面,还会引起临近构件刚度比的变化,发生内力重分布,也可能使其它原本安全的构件变得不安全。规范规定的剪力墙墙段不能过长的要求也是这个道理。过长的墙段会使整体结构的刚度及内力的分布很不合理,也降低结构的延性,对结构抗震是非常不利的。

(2)柱、梁连接节点的设计。这是多高层钢结构设计中最重要的连接节点。有些观点认为连接应该与梁截面等强,这样做并没有安全问题,但会使构造和加工制作很复杂,同时也不是必须的。柱梁连接应满足《高层民用建筑钢结构技术规程》[2]的相关要求,在地震作用下,连接的焊缝或螺栓,既要在设计内力下满足承载力要求(第一阶段,小震),又要满足连接的Mu≥1.2Mp的要求(Mu为连接处的最小极限抵抗弯矩,Mp为截面的最大塑性抵抗弯矩),常称其为截面法设计(第二、三阶段,中震、大震)。在大震作用下,只要梁截面进入屈服状态,其塑性抵抗弯矩不会随着结构变形的增大而明显增加,因此连接处的弯矩就是塑性抵抗弯矩,不会超过连接处的极限抵抗弯矩而破坏,这就实现了中震可修、大震不倒的设计目标。震害分析表明,出现焊缝断裂现象,主要是焊缝质量问题产生的,当然,为了保证结构有足够的安全度,适当加强节点的连接或有意削弱梁的某段截面,如采用狗骨式梁,也是有益的。

当钢梁要承担一定的轴向力时,例如有钢支撑的框架,梁要平衡支撑力,因此会有较大的轴力,这时的节点设计就要考虑截面拉压与抗弯剪的复合受力状

态,计算比较复杂。目前有些分析程序在梁的校核计算中不考虑轴力,有时可能很危险,设计人员一定要注意,这时对梁应按柱子的截面设计公式进行校核。至于大震作用下的截面法设计,简单的做法就是让各种单一受力状态都能满足截面法设计要求,这么做是偏于安全的。

另外,柱-梁节点中,柱内在梁的翼缘处要设置隔板来保证梁的连续性,隔板至少应与梁翼缘等强。《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—98)要求隔板与梁的翼缘等厚度,日本则规定隔板厚度应比梁翼缘厚度大2～4mm[3]。但有时隔板与柱的连接焊缝的强度难以达到等强度传力的要求,因此在节点设计时一定要注意验算焊缝连接的强度。

(3)钢支撑的设计问题。钢支撑是高层钢结构的主要抗侧力体系,一般要做成拉压杆,而且对它的刚度要求更胜于强度。规程规定,拉压杆的长细比应小于90

y,也就是对Q235是90,对Q345不足75,因此可以优先采用Q235钢材,既可有较大的长细比,又易于实现较高的延性要求;另外还可通过将支撑转向,使强轴在平面外,可使计算长度由原来轴线长度0.9倍减为0.7倍,同时可在平面内设置防屈杆来进一步减小计算长度。

如果支撑杆件采用高强螺栓连接,当进行大震的截面法设计时,螺栓抗剪系数,《建筑抗震设计规范》规定是0.58,《高层民用钢结构技术规程》是0.75,哈尔滨建筑大学的相关试验报告表明,一般这个系数大约是0.59,与日本的试验结果相同[1,2]。因此取0.58是合适的,虽然螺杆处于复杂应力状态,但仍与理论公式fv=fy/的结果相吻合,设计人员在设计时应注意这个问题。

(4)钢次梁简支在钢主梁上,连接节点的设计要考虑次梁端部次弯矩的影响。因为钢梁与混凝土梁不同,一般为H形截面,抗扭刚度可认为是零,次梁支座反力点可认为在主梁形心,反力R,即梁端剪力与到次梁连接板焊缝形心或螺栓群形心的距离e的乘积就是次弯矩M,它是一个只能由焊缝或螺栓承担的固定次弯矩,在连接设计时是必须考虑的。

许多设计人员只考虑连接的抗剪,而未考虑次弯矩,也因此常常将连接节点设计得很不合理,产生很大的次弯矩,存在明显的安全隐患。举个例子说明,假设图2中,e=0.1m,R=30kN,a=0.1m。M=Re=3kN·m,这个弯矩由螺栓承担,单个螺栓由弯矩作用产生的剪力为30kN,而由剪力产生的是15kN。由于这两个剪力是正交的,因此合力为33.5kN,这远大于不考虑“次弯矩”时的15kN。

2　钢结构设计的稳定问题

2.1梁端为刚接的钢梁稳定问题。通常情况下,梁上有密铺楼板,因此上翼缘不存在稳定问题,跨中下翼缘一般也不存在稳定问题,但靠近支座处是梁的负弯矩区,下翼缘受压,可能存在稳定问题,《高层民用建筑钢结构技术规程》8.5.4条规定:抗震设防时,框架横梁下翼缘在距柱轴线1/8～1/10梁跨处,应设置侧向支撑构件。

2.2柱子在楼层位置应有侧向钢梁保证其施工过程的稳定性。设计中可能会出现柱子有一个方向没有梁的连系,在使用阶段,由于有楼板的侧向约束,柱子的稳定是有保证的,但在施工阶段,楼板后做,《高层民用建筑钢结构技术规程》建议相差不宜超过5层,而实际工程中这一差别往往超过10层。这时应验算柱子的稳定,如果有问题,可以在没有梁的方向设置一根次梁或临时支撑来保证其稳定。

2.3《钢结构设计规范》[4]中对钢构件板件的宽厚比限值,是防止板件屈曲、保证构件全截面有效的构造保证,在某些工程中,如在转换层的位置,梁的腹板按这些要求设计,很难实现,且非常不经济。这时可以从防止腹板屈曲考虑,通过可靠的分析和论证,设置梁腹板的纵、横加劲肋来保证腹板不会屈曲。3　其它问题

3.1钢结构的选材问题。由于对工程性质和环境缺乏了解或为了“节约”而选择不符合规范要求的低等级钢材,是不可行的,但如果选用了高级别的钢材,如本来用B级钢就满足规范要求,却要采用C级钢,或过高选用钢材的Z向等级,造成经济上的浪费,也同样不可取。正确的做法是选用合适的钢材,做到既安全又经济。3.2在钢框架-钢筋混凝土核心筒结构中,钢梁与钢筋混凝土核心筒宜铰接。一方面是核心筒的混凝土收缩与徐变以及地基沉陷与钢框架部分不一致,如果刚接,会产生较大的附加内力;另一方面刚接做法使剪力墙平面外受弯,对剪力墙受力不利,同时刚接做法构造复杂,施工也较为困难。

3.3钢构件连接的传力要明确、可靠。钢构件连接的传力一般有焊缝传递、螺栓连接、刨光顶紧等几种,以线和面的传力形式为主,避免点式传力。图1(a)为钢梁直接搁置在钢管上,就是点式传力,这时一定要认真验算局压或改进节点构造,避免不安全因素的出现,图1(b)就是改进后的构造。

3.4型钢构件用于抗震结构,要注意板件宽厚比可能超过规范限值。一般的型钢构件是按非抗震要求来制造的,如果用于抗震结构,有时会不满足构造要求,尤

其是Q345钢材,这一点在设计时一定要注意,具体要求可按《建筑抗震设计规范》的8.3.2条执行。3.5钢材的设计强度、屈服强度与钢板厚度有关。钢板越厚,材料强度越低,最多可比标称值低20%以上,在设计时一定要加以考虑,尤其是采用国外通用分析软件,截面校验需要人工计算的情况更要注意。3.6梁的高强螺栓连接。经常出现需要等强连接的情况,高强螺栓数量可能要求很多,甚至排不下。这时,应首先分析一下,是必须按材料等强来连接,还是能承担设计内力,并在大震下按截面法进行连接的设计就满足要求。这种差别是很大的。通过安全性、经济性及工艺、安装等方面的综合分析,如果螺栓连接确有困难或不合适,可以考虑采用焊接方式

。

图1　梁搁置在钢管柱上节点

　

3.7焊缝的质量等级。建筑钢结构选择合适的焊缝质量等级是非常重要的,不恰当地提高焊缝的质量等级将提高工程造价且难以做到。在实际工程中,除大跨度重级工作制吊车梁的下翼缘对接,以及大跨度钢桥的受拉构件的对接要求一级焊缝外,一般都要求二级。对于角焊缝除了要求熔透的情况,其质量等级一般都用三级。但是设计要求全焊透的二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验。

3.8钢骨混凝土梁、柱的栓钉设置。一般情况下,混凝土与钢结构协同工作要求比较高的区域,如梁柱节点区附近,需要布置较多的栓钉,但在其它要求不高的区域,如柱的中间区域,只要满足基本要求就可以了,没必要通长满布栓钉,这样既可简化加工制作,又可节约资金。

参

考

文

献

1.建筑抗震设计规范(GB50011—2001).2.高层民用钢结构技术规程(JGJ99—98).3.钢构造结合部设计指针.日本建筑学会,2001.4.钢结构设计规范(GB50017—2003).