钢结构设计论文大全11篇

绪论：写作既是个人情感的抒发，也是对学术真理的探索，欢迎阅读由发表云整理的11篇钢结构设计论文范文，希望它们能为您的写作提供参考和启发。

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钢材受自然因素影响较大，一旦长时间暴露在室外环境中，就极易被锈蚀，不仅钢材的外观会深受影响，钢材的质量也会大打折扣。因此，在钢结构建筑设计中钢材防腐问题也是必须引起高度重视。当前，钢结构建筑设计中对于防腐方面问题的解决方法通常是采用涂抹防腐涂料的措施。设计人员会根据钢结构建筑的要求选用合适的防腐涂料，并要求施工人员在施工中严格按照相关要求规范进行操作。此外，对于钢结构构件也有不同的要求，例如有的构件在出厂前需要涂刷一层底漆。在钢材上涂抹防腐涂料就目前来看是最为有效的防腐措施。但是这样做只是基础性的防腐，因而为了提高钢结构的防腐效果，就必须选用耐候钢作为钢结构建筑的首选材料，并利用热浸镀锌技术对其进行处理，利用镀层，达到保护钢结构不被腐蚀，尤其是应加强有机涂料配套技术的应用，以及阴极保护技术的应用，才能更好地确保其防腐性能得到有效的提升。

1.2钢结构设计在物理方面的问题及对策

1.2.1噪声问题及对策

噪声问题是现代建筑中最为常见的问题之一，且一直没有得到彻底的解决。怎样有效降低噪声已经成为当前建筑学中的重要研究课题之一。人类耳朵能够听到许多种声音，而这些声音又大致能够分为两类，一类是无害悦耳的声音，例如音乐声、鸟鸣声等;另一类则是有害的噪声，例如各种机械发出的轰鸣声，刺耳的喇叭声等。一般情况下，建筑使用功能的不同对隔音的效果要求也不同，例如大型商场建筑，其隔音效果要求较低;寻求安静的住宅建筑隔音效果要求就较高，这就需要设计人员根据建筑使用功能以及隔音效果的不同要求进行专门的设计。在钢结构建筑设计中所采用的隔音措施主要有:使用隔声门、隔声窗，并在建筑或需隔音的房间外墙上使用隔声性能较好的材料。根据建筑使用功能的不同，其对吸音的效果要求也不相同。例如音乐厅类型的建筑，其主要使用功能就是让人类的耳朵吸收发出的音乐声，所以在音乐厅类型的建筑中通常会在顶棚增加反射板用来反射声音，若是音乐厅中的声音无法反射，那么人类的耳朵所听到的声音就会有缺失，甚至是听不到声音。当前，解决吸音问题的主要措施有两种:第一种是科学的设计吸声结构，例如孔石膏板吊顶。第二种是采用先进的吸声材料，例如玻璃、岩棉等吸声性能较好的材料。

2建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点

2.1建筑工程中钢结构稳定设计的特点

建筑工程中钢结构稳定设计的特点主要表现为:第一，钢结构的多样性。建筑工程中钢结构设计方面的问题直接影响着钢结构的稳定性，特别是承荷载力大的钢结构部位，在进行这类钢结构部位设计时必须进行多方面的考虑，并对钢结构的稳定性进行认真分析、探究。第二，钢结构的整体性。钢结构建筑是由多种构件共同组成的一个整体，任何一个构件所具有的作用都是不容忽视的，若是当任意一个构件出现问题，例如失稳、变形等情况，那么必定会对其他构件造成影响，最终导致钢结构整体稳定性出现问题。

2.2钢结构稳定性的计算方法

(1)整体刚度计算。在现行的钢结构计算规范中，通用的计算方法是轴心压杆稳定计算方法，其主要采用是折减系数方法和临界压力求解法。其中，临界压力由欧拉公式给出。(2)整体稳定性分析。钢结构建筑是由多种构件共同组成的一个整体，其整体稳定性受各种构件的制约较大，各构件之间是否具有良好的稳定性，是确保钢结构整体稳定性的前提基础。所以，应对其整体稳定性进行分析。(3)其他特点的稳定计算。钢结构的各种组成构件又能分为两大类，为弹性构件和柔性构件，因而，在进行钢结构稳定性时应重视这一特点。由于柔性构件容易发生变形，进而导致钢结构内部也发生变化，最终对钢结构整体稳定性产生严重的影响，所以，必须重视柔性构件的分析。

2.3钢结构稳定性的分析方法

(1)静力法。静力法的分析原理是结合已经出现了微小变形后的一些结构受力的条件，并根据这些条件来建立相对平衡的微分方程。通过建立的微分方程仔细的计算出构件受力的临界相关荷载。在实际中应用静力法构件平衡微分方程时，应遵循相关设定，具体表现为:直杆构件应该为截面，其压力应始终遵循之前的轴线进行作用。(2)动力法。当钢结构的结构体系处于平衡状态下时，若是受到一定的干扰，那么整个结构体系就会产生振动，这时应采用动力法对钢结构的稳定性进行分析。钢结构整体稳定性与其所承受的荷载有着密切关联，在钢结构出现变形以及钢结构振动加速时，这种联系更加紧密。若是钢结构所承受的荷载值低于钢结构自身稳定性的极限荷载值时，会出现加速度和之前的钢结构变形的具体方向相反的状况。(3)能量法。若是在实际应用中钢结构载着保守力并且已经具备结构变形的相关受力条件，那么就能以此条件构建总体势能。如果要计算钢结构的总体势能，则必须满足一个前提条件，即钢结构处于相对平衡的状态下。

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最为现代最重要的建筑材料，钢是在19世纪被引入到建筑中的，钢实质上是铁和少量碳的合金，一直要通过费力的过程被制造，所以那时的钢仅仅被用在一些特殊用途，例如制造剑刃。1856年贝塞麦炼钢发发明以来，刚才能以低价大量获得。刚最显著的特点就是它的抗拉强度，也就是说，当作用在刚上的荷载小于其抗拉强度荷载时，刚不会失去它的强度，正如我们所看到的，而该荷载足以将其他材料都拉断。新的合金又进一步加强了钢的强度，与此同时，也消除了一些它的缺陷，比如疲劳破坏。

钢作为建筑材料有很多优点。在结构中使用的钢材成为低碳钢。与铸铁相比，它更有弹性。除非达到弹性极限，一旦巴赫在曲调，它就会恢复原状。即使荷载超出弹性和在很多，低碳钢也只是屈服，而不会直接断裂。然而铸铁虽然强度较高，却非常脆，如果超负荷，就会没有征兆的突然断裂。钢在拉力（拉伸）和压力作用下同样具有高强度这是钢优于以前其他结构金属以及砌砖工程、砖石结构、混凝土或木材等建筑材料的优点，这些材料虽然抗压，但却不抗拉。因此，钢筋被用于制造钢筋混凝土——混凝土抵抗压力，钢筋抵抗拉力。

在钢筋框架建筑中，用来支撑楼板和墙的水平梁也是靠竖向钢柱支撑，通常叫做支柱，除了最底层的楼板是靠地基支撑以外，整个结构的负荷都是通过支柱传送到地基上。平屋面的构造方式和楼板相同，而坡屋顶是靠中空的钢制个构架，又成为三角形桁架，或者钢制斜掾支撑。

一座建筑物的钢构架设计是从屋顶向下进行的。所有的荷载，不管是恒荷载还是活荷载（包括风荷载），都要按照连续水平面进行计算，直到每一根柱的荷载确定下来，并相应的对基础进行设计。利用这些信息，结构设计师算出整个结构需要的钢构件的规格、形状，以及连接细节。对于屋顶桁架和格构梁，设计师利用“三角剖分”的方法，因为三角形是唯一的固有刚度的结构。因此，格构框架几乎都是有一系列三角形组成。 钢结构可以分成三大类：一是框架结构。其构件包括抗拉构件、梁构件、柱构件，以及压弯构件；二是壳体结构。其中主要是轴向应力；三是悬挂结构。其中轴向拉应力是最主要的受力体系。

网架结构 这是刚结构最典型的一种。多层建筑通常包括梁和柱，一般是刚性连接或是简单的通过沿着提供稳定性的斜向支撑方向在端部连接。尽管多层建筑是三维的，但通常某个方向即某一维度要比其他维度刚度更大，所以，其有理由被当做是一系列的平面框架。然而，如果一个框架中某一平面上的构建的特性可以影响其他平面的特性，这个框架就必须当做一个三维框架来考虑。

网壳结构 在这类结构中，壳体除了参与传递荷载外，还有其他实用功能。许多壳体结构中，框架结构也会与壳体一起组合使用。再强和平屋顶上“外壳”构件也和框架结构一起承担压力。

悬挂结构 在悬挂结构中，张拉索是主要的受力构件。屋面也可以有索支撑。这种形式的结构主要是吊桥。这种结构的子系统，是有框架结构组成，就像加劲桁架支撑索桥。由于这种张拉构建能够最有效的承担荷载，结构中的这种设计理念被越来越广泛的应用。

很多不寻常的结构，是由框架、壳体以及悬挂结构的不同组合形式建造。

在美国，钢结构的设计主要依据是美国钢结构协会颁布的规范。这些规范是很多学者和一线工程师的经验所得。这些研究成果被综合处理成一套既安全又经济的设计理念的设计程序。设计过程中数字计算机的出现促使更加精妙可行的设计规则产生。

规范包括一系列保证安全性的规则，尽管如此，设计者必须理解规则的适用性，否则，很可能导致荒谬的、非常不经济的、有时甚至是不安全的设计结果。

建筑规则有时等同于规范。这些规则涉及所有有关安全性的方面，例如结构设计、建筑细节、防火、暖气和空调、管路系统、卫生系统以及照明系统。

结构和结构构件必须具有足够的强度、刚度、韧性，以在结构的使用中充分发挥其功能。设计必须提供足够的强度储备，以承当使用期间的荷载，也就是说，建筑物不需承担可能的超负荷。改变某一结构原来的使用用途，或者由于在结构分析中采用了过度简化的方法而低估了荷载作用，以及施工程序的变更会造成结构的超载。即使在允许范围内，构建尺寸的偏差也可导致某个构件低于他所计算的强度。

不管采用哪些设计原理，结构设计必须提供足够的安全性。必需预防超负荷和强度的不足情况。在过去的三十年里，如何保证设计安全性的研究一直在继续。使用各种不同的概率方法来研究构件、连接件或者系统的失效可能性。

此外，由于结构钢构件相当高的造价，与人工安装费用相比，材料采购成本是巨大的。与其他总承包合同中所涉及的混凝土工程、砌筑工程以及土木工程不同，与人工安

装费用相比，钢构件的材料成本是相当大的。

随着钢结构建筑的发展，钢结构住宅建筑技术也必将不断的成熟，大量的适合钢结构住宅的新材料也将不断的涌现，同时，钢结构行业建筑规范、建筑的标准也将随之逐渐完善。相信不久的将来，钢结构住宅必然会给住宅产业和建筑行业带来一声深层次的革命，钢结构的应用前景广阔！

英文翻译：

Steel Structure

Steel in one form or another is now probably the most widely used material in the world for building construction. For the framings it has almost entirely replaced timber, except for rather special work, and it has superseded its immediate predecessors, cast iron and wrought iron, for pidges and structural frameworks in general.

Steel , the most important construction material of modern times, was introduced in the nineteenth century. Steel, basically an alloy of iron and a small amount of carbon, had been mad up to that time by a laborious process that restricted it to such special uses as sword blades. After the invention of the Bessemer process in 1856, steel was available in large

quantities at low prices. The enormous advantage of steel is its tensile strength; that is, it dose not lose its strength when it is under a calculated degree of tension, a force which, as we have seen, tends to pull apart many materials. New alloys have further increased the strength of steel and eliminated some of its problems, such as fatigue.

Steel has great advantages for buildings. The steel normally used for structures is known as mild steel; compared with cast iron it is resilient and, up to a point known as the “elastic limit” it will recover its initial shape when the load on it is removed. Even if its loading is increased by considerable margin beyond the elastic limit, it will bend and will stay bent without peaking; whereas cast iron, though strong, is notoriously pittle and, if overloaded, will peak suddenly without warning. Steel is also equally strong in both tension (stretching) and compression, which gives it an advantage over the earlier structural metals and over other building materials such as pickwork, masonry, concrete, or timber, which are strong in compression but weak in tension. It is for this reason that steel rods are used in reinforced

concrete—the concrete resisting all compressive stresses while the steel rods take up all the tensile (stretching) forces.

In steel-framed building, the horizontal girders which carry the floors and walls are

themselves supported on vertical steel posts,

Known as “stanchions” , which transfer the whole load of a building down to the

foundations, except for the lowest floor which rests on the ground itself. A flat roof is framed in the same way as a floor. A sloping roof is carried on open steel lattice frames called roof trusses or on steel sloping rafters.

The steel framework of a building is designed from the roof downwards, all the loading, both “dead” and “live” (including wind forces) , being calculated at successive levels until the total weight carried by each stanchion is determined and the foundations designed accordingly. Whih this information the structural designer calculated the sizes and shapes of the steel parts needed in the whole structure, as wall as details of all the connexions. For roof trusses and lattice girders, he uses the method of “triangulation” because a triangle is the only open frame which is inherently rigid. Therefore, lattice frameworks are nearly always built up from a series of triangles.

Steel structures may be divided into three general categories: (a) framed structures,

where elements may consist of tension member, columns, beams, and members under

combined bending and axial load; (b) shell-type structures, where axial stresses predominate; and (c) suspension-type structures, where axial tension predominates the principal support system.

Framed Structures Most typical building construction is in this category. The

multistory building usually consists of beams and columns, either rigidly connected or having simple end connections along with diagonal pacing to provide stability. Even though a multistory building is three-dimensional, it usually is designed to be much stiffer in one direction than the other; thus it may reasonably be treated as a series of plane frames.

However, if the framing is such that behavior of the members in one plane substantially influences the behavior in another plane, the frame must be treated as a three-dimensional

space frame.

Shell-Type Structures In this type of structure the shell serves a use function in

addition to participation in carrying loads. On many shell-type structure, a framed structure may be used in conjunction with the shell. On walls and flat roofs the “skin” elements may be in compression while they act together with a framework.

Suspension-Type Structure In the suspension-type structure tension cables are major supporting elements. A roof may be cable-supported. Probably the most common structure of this type is the suspension pidge. Usually a suspension pidge. Since the tension element is the most efficient way of carrying load, structures utilizing this concept are increasingly being used.

Many unusual structure utilizing various combinations of framed, shell-type, and

suspension-type structure have been built.

Structural steel design of buildings in the USA is principally is principally based on the specifications of the American Institute of Steel Construction (AISC), The AISC

Specifications are the result of the combined judgment of researchers and practicing engineers. The research efforts have been synthesized into practical design procedures to provide a safe, economical structure. The advent of the digital computer in design practice has made feasible more elaborate design rules.

A lot of unusual structure, is made up of frame, shell and different combination forms of hanging structure.

In the United States, the design of steel structure is mainly on the basis of regulations

promulgated by the American association of steel structure. These specifications are a lot of scholars and a line engineer experience. The results of this study was comprehensive

processing into a set of safe and economic design idea of design program. The design process of the digital computer prompted a more sophisticated feasible design rules.

Specification includes a series of security rules, in spite of this, the designer must

understand the applicability of the rules, otherwise, is likely to lead to absurd, very

uneconomical, sometimes even unsafe design result.

Building rules sometimes equated with specification. These regulations cover all aspects relating to the safety, such as structure design, architectural details, fire protection, heating and air-conditioning, piping system, health systems, and lighting systems.

Structure and structural components must have sufficient strength, stiffness, toughness, in order to give full play to its functions in the use of the structure. Reserves of design must

provide sufficient strength to bear the load during use, that is to say, the buildings do not need to bear the possible overload. Change a structure of the original purpose, or because of excessive simplified method was adopted in the structural analysis and underestimated the load, as well as the construction process of change will cause the overload of the structure. Even within the scope of the permit, building size of the deviation can also lead to a

component is lower than the strength he calculates.

No matter what design principle, structure design must provide adequate security. The lack of necessary to prevent overload and intensity. Over the past 30 years, the research of how to ensure the safety design has continued. Use a variety of different probability method to study the components, fittings or system failure probability.

In addition, due to structural steel components are very high cost, compared with the cost of installation of artificial, material procurement cost is huge. With other involved in the general contract of building project and civil engineering, concrete engineering, compared with the manual installation cost, material cost of steel components are considerable.

With the development of steel structure, steel structure residential construction

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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。近十多年来得到迅速的发展，目前国内每年有上千万平方米的轻钢建筑工程，主要用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。

单层轻型门式刚架结构是指以轻型焊接H形钢（等截面或变截面）、热轧H形钢（等截面）或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢（槽形、Z形等）做檩条、墙梁；以压型金属板（压型钢板、压型铝板）做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系。

在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃棉。

1单层轻型门式刚架结构的特点和设计中的注意事项

1.1单层轻型门式刚架结构相对于钢筋混凝土结构具有以下特点：

(1)质量轻

围护结构采用压型金属板、玻璃棉及冷弯薄壁型钢等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻。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，在相同跨度和荷载情况下自重仅约为钢筋混凝土结构的1/20~1/30。由于结构质量轻，相应地基础可以做得较小，地基处理费用也较低。同时在相同地震烈度下结构的地震反应小。但当风荷载较大或房屋较高时，风荷载可能成为单层轻型门式刚架结构的控制荷载。

(2)工业化程度高，施工周期短

门式刚架结构的主要构件和配件多为工厂制作，质量易于保证，工地安装方便；除基础施工外，基本没有湿作业；构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速。

(3)综合经济效益高

门式刚架结构通常采用计算机辅助设计，设计周期短；原材料种类单一；构件采用先进自动化设备制造；运输方便等。所以门式刚架结构的工程周期短，资金回报快，投资效益相对较高。

(4)柱网布置比较灵活

传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6米，当采用12米柱距时，需设置托架及墙架柱。而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。

1.2设计中的注意事项

(1)由于门式刚架结构构件的抗弯刚度、抗扭刚度较小，结构的整体刚度较弱，因此设计时应考虑运输和安装过程中要采取的必要措施，防止构件发生弯曲和扭转变形。

(2)要重视支撑体系和隅撑的布置，重视屋面板、墙面板与构件的连接构造，使其能参与结构的整体工作。

(3)组成构件的杆件较薄，设计中应考虑对制作、安装、运输的要求。

(4)设计中应充分考虑锈蚀对结构构件截面削弱的影响。

(5)门式刚架的梁柱多采用变截面杆件，梁柱腹板在设计时考虑利用屈曲后的强度，所以塑性设计不再适用。

(6)设计中对轻型化带来的后果必须注意和正确处理，比如风力可使轻型屋面的荷载反向等。

2结构形式和结构布置

2.1结构形式

门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20~1/8。单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车的房屋时，当刚架柱不是特别高且风荷载也不是很大时，依据“材料集中使用的原则”，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案。门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂吊车和起重量不大于20t的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式吊车。

2.2结构布置

2.2.1刚架的建筑尺寸和布置。

门式刚架的跨度宜为9~36m，当柱宽度不等时，其外侧应对齐。高度应根据使用要求的室内净高确定，宜取4.5~9m。门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m。纵向温度区段小于300m，横向温度区段小于150m（当有计算依据时，温度区段可适当放大）。

2.2.2檩条和墙梁的布置

檩条间距的确定应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定，一般应等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。侧墙墙梁的布置应考虑门窗、挑檐、雨蓬等构件的设置和围护材料的要求确定。

2.2.3支撑和刚性系杆的布置

(1)在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。

(2)在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。

(3)端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30~45m，有吊车时不宜大于60m。

(4)当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。

(5)当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。

(6)在刚架的转折处（边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶）应沿房屋全长设置刚性系杆。

(7)由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。

(8)刚性系杆可由檩条兼做，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。

(9)当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢；当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向刚架。

3刚架设计

3.1荷载及荷载组合

3.1.1永久荷载

永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。

3.1.2可变荷载

可变荷载包括屋面活荷载（设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载，其标准值为1KN）、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。

3.1.3荷载组合

荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载设计规范》GB50009-2002的规定，针对门式刚架的特点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:98给出下列组合原则：

(1)屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中较大值。

(2)积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑。

(3)施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑。

(4)多台吊车的组合应符合《建筑结构荷载设计规范》的规定。

(5)当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。

3.2刚架内力和侧移计算

3.2.1内力计算

对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。

根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。控制截面的内力组合主要有：

(1)最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值。

(2)最大弯矩Mmax和同时出现的N及V的较大值。

(3)最小轴压力Nmin和相应的M及V，出现在永久荷载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时M=0。

3.2.2侧移计算

变截面门式刚架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果最后验算时刚架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施之一进行调整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。

3.3刚架柱和梁的设计

(1)梁柱板件的宽厚比限值和腹板屈曲后的强度利用。（主要包括梁柱板件的宽厚比限值验算、腹板屈曲后强度利用验算、腹板的有效宽度验算等内容）

(2)刚架梁柱构件的强度验算。

(3)梁腹板加劲肋的配置。（梁腹板应在中柱连接处、较大固定集中荷载作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋）

(4)变截面柱在刚架平面内的计算长度确定。

(5)变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算。

(6)变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算。

(7)斜梁和隅撑的强度和稳定性计算。

(8)节点设计。（包括斜梁与柱的连接及斜梁拼接、柱脚设计、牛腿设计、摇摆柱与斜梁的连接构造等内容）

4辅属结构构件设计

4.1压型钢板设计

(1)压型钢板材料的选择可根据建筑功能、使用条件、使用年限和结构形式等因素考虑，钢板基板的材料有Q215钢和Q235钢，工程中多用Q235-A钢。

(2)压型钢板的截面形式较多，根据波高的不同，一般分为低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的抗弯刚度就越大，承受的荷载也就越大。

(3)压型钢板的强度和挠度可取单槽口的有效截面按受弯构件计算。计算内容包括压型钢板腹板的剪应力计算、支座处腹板的局部受压承载力计算、挠度限值验算等。

(4)压型钢板尚应满足其他相关构造规定。

4.2檩条设计

(1)檩条的截面形式可分为实腹式和格构式两种。当檩条跨度不大于9m时，应优先选用实腹式檩条。

(2)檩条属于双向受弯构件，在进行内力分析时应沿截面两个形心主轴方向计算弯矩。

(3)檩条应进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。

(4)檩条尚应满足其他相关构造规定。

4.3墙梁、支撑设计

(1)墙梁一般采用冷弯卷边槽钢，有时也可采用卷边Z形钢。

(2)墙梁在其自重、墙体材料和水平风荷载作用下，也是双向受弯构件。

(3)墙梁应尽量等间距设置，在墙面的上沿、下沿及窗框的上沿、下沿处应设置一道墙梁。为减少竖向荷载作用下墙梁的竖向挠度，可在墙梁上设置拉条，并在最上层墙梁处设斜拉条将拉力传至刚架柱。

(4)墙梁可根据柱距的大小做成跨越一个柱距的简支梁或两个柱距的连续梁。

(5)门式刚架结构中的交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。

(6)刚架斜梁上横向水平支撑的内力，根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算，并计入支撑对斜梁起减少计算长度作用而承受的力，对于交叉支撑可不计入压杆的受力。

(7)刚架柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向风荷载按支承于柱脚的竖向悬臂桁架计算，并计入支撑对柱起减少计算长度而应承受的力，对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，纵向力在支撑间可平均分配。

5小结

综上所述，轻型门式刚架结构设计应遵守以下原则：

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提起钢结构用钢大家并不陌生,像Q235和Q345这样的钢材是最常用的,也是生活中接触最多的。的确,从材性、材质方面看,现在市场充分供应的Q235及Q345号钢的各类钢材,可以保证建筑钢结构的基本需求。钢结构是以钢材制作为主的结构,是主要的建筑结构类型之一。它的基本特点是强度高、自重轻、刚度大、材料匀质性和各向同性好。

因此,用什么类型的钢材对钢结构的影响很大。下面就从钢结构用钢的钢种钢号及版带钢中的钢结构用钢这两方面对钢结构的选用做一介绍。

一、钢结构用钢的钢种钢号

1.普通碳素结构钢

普通碳素结构钢,按用途可以分为:一般用途普通的普通碳素和专用普通碳素钢。

按含碳量及屈服强度高低分为5种牌号:Q195,Q215,Q235,Q255,Q275.QISH其中钢结构主要用Q235号钢。Q215和Q255也可作结构用,但是产量和用量相对较少。

使用该标准钢号要注意一下几点:

(1)该标准钢号主要用作工程用和一般结构用钢。

(2)该标准钢在在使用品种方面主要有钢板,钢带和型钢。

(3)该标准钢号可用作焊接和栓接结构用钢。但焊接结构不宜选用A级钢,除非有含碳量<0.0022的保证,以保证良好的可焊性。

(4)该标准钢号一般在热轧状态下交货和使用。

2.焊接结构耐候钢

在钢中加入少量合金元素,其耐候性较焊接结构耐候钢更好。其牌号为Q295GNH,Q295NHL,Q345GNHL。

3.低合金钢

低合金钢,按用途可以分为:低合金结构钢:耐腐蚀用钢:低温钢:钢筋钢:耐磨钢:特殊用途的专用钢。按屈服强度高低分为5种牌号,每牌号钢中分别包含了若干钢种,其中钢结构用为Q345,Q390,Q420三个牌号。

二、板带钢中的钢结构用钢

结构用的板带钢主要有:热轧钢板和钢带,冷轧钢板和钢带,花纹钢板以及高层建筑结构用钢板。

三、钢材选用的标准

1.用于承重的冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢和钢板,应采用先行国家标准《碳素结构钢》GB/T700规定的Q235钢和《低合金高强度结构钢》GB/T1591规定的Q345钢。

2.门式刚架、吊车梁、和焊接的檩条、墙梁等构件宜采用Q235B或Q345A及以上等级的钢。非焊接的檩条和墙梁等构件可采用Q235A钢。当有根据时,门式刚架、檩条和墙梁可采用其他牌号的钢制作。

《钢结构设计规范》GB50017-2003中3.3.1规定,承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢,其质量应分别符合现行国家标准碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时,尚应符合相应有关标准的规定和要求。

这些都是钢结构的一些用钢,当然还有其他的。以钢材制作为主的结构,是主要的建筑结构类型之一。钢材的特点是强度高、自重轻、刚度大,故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜;材料匀质性和各向同性好,属理想弹性体,最符合一般工程力学的基本假定;材料塑性、韧性好,可有较大变形,能很好地承受动力荷载;建筑工期短;其工业化程度高,可进行机械化程度高的专业化生产;加工精度高、效率高、密闭性好,故可用于建造气罐、油罐和变压器等。其缺点是耐火性和耐腐性较差。主要用于重型车间的承重骨架、受动力荷载作用的厂房结构、板壳结构、高耸电视塔和桅杆结构、桥梁和库等大跨结构、高层和超高层建筑等。钢结构今后应研究高强度钢材,大大提高其屈服点强度;此外要轧制新品种的型钢,例如H型钢(又称宽翼缘型钢)和T形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。由于钢结构的这些特点,它将会在建筑方面占有很重要的地位。

参考文献:

[1]中华人民共和国建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.钢结构设计规范.

篇（5）

失稳和屈曲的概念

Bazant [14]、Farshad [15]、Huseyin [16]等引述和讨论了稳定和屈曲的定义，他们从不同的角度和范围描述了失稳现象，并指出屈曲是众多失稳现象中的一个模式，屈曲是发生在结构中的一种失稳。文献[14]-[18]讨论了结构产生屈曲的原因，可以定义结构的屈曲为处于高位能的结构由平衡临界状态随着能量的释放向处于低位能的结构平衡临界状态转移的过程，发生平衡转移的那个瞬间状态，就是临界状态。这也是目前比较广泛被接受的解释[19]。具体地讲有三种：

1) 、从能量的角度来说，结构失稳就是储存在结构中的应变能形式发生转换。

2) 、从力学要素的性质方面来说，失稳是结构中承载的主要力学要素的性质发生了变化。

3) 、从变形角度来说，失稳在实际上也可以被认为是一种从弹性变形到几何变形的变形转移。

钢结构构件以轴压、压弯构件居多，如上所述，其核心问题是稳定问题。就单个钢结构构件而言，影响稳定的主要因素有残余应力的分布、初始缺陷、截面形状、几何尺寸、材料强度和构件的长度等。【2】张志刚。而近年来，采用新技术设计和建造的大型复杂空间钢结构形式（如网壳结构、拱、弦支穹顶结构等）越来越多，通常这类结构整体上或某些较大区域内承受很大的压力作用，也即某些构件承受很大轴向压力，使得这类结构容易引发整体失稳或某区域内的局部失稳现象。大型复杂结构 的这一力学特征显著不同于传统的小跨度或小规模简单结构，因而，在设计这类结构时，除按常规设计规范验算结构构件的强度及稳定性，结构的刚度外，设计者还要验算结构的整体稳定性。【3】整体结构稳定

在现阶段的钢结构设计中，常以计算长度系数法来进行整体结构的整体稳定性分析。以钢框架为例【3】P94

目前大部分工程师在设计钢框架结构承载力时，常分两步进行。第一步进行结构分析，通过一阶弹性分析确定构件在各种外荷载与作用组合工况下的内力效应；第二步进行构件设计，首先查得采用弹性近似分析法确定的构件计算长度系数，然后按现行《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的计算公式求得构件的承载力。如果所有构件的承载力大于外荷载产生的效应，则认为结构体系整体和构件均满足承载力要求。 这种设计方法以通过计算长度系数把构件承载力验算和结构整体稳定承载力验算联系起来，被称为计算长度系数法。

对于一些大跨空间结构杆件的计算长度系数取值，规范缺乏详细的规定，没有提出明确的计算方法。针对实际工程设计时，杆件计算长度系数的取值往往无据可依。为了设计方便，

工程上常通过反推的方法来确定计算长度系数。方法有两种

1） 反推法

为了钢结构设计应用上的方便，可以把各种约束条件的构件屈服荷载Pcr 值换算成相当于两端铰接的轴心受压构件屈曲荷载的形式，其方法是把端部有约束的构件用等效长度为l0

22P =πEI /l cr 0的构件来代替，这样。等效长度通常称为计算长度，而计算长度l0与构件

实际的几何长度之间的关系l 0=μl ，这里的系数μ称为计算长度系数。对于均匀受压的等截面直杆，此系数取决于构件两端的约束。这样一来，具有各种约束条件的轴心受压构件的屈曲荷载转化为欧拉荷载的通式是：

π2EI P cr =(μl ) 2

构件截面的平均应力称为屈曲应力：

P cr π2EI π2E σcr ===2A (μl /i ) 2λ

式中A 为面积，λ为长细比，λ=μl i ；而i

为回转半径，i =关。计算长度系数的理论值可写作：

μ=

其中PE 为欧拉荷载，即两端铰接的轴心受压构件的屈曲荷载。

对两端固接

自由=μ= 0.5，两端铰接μ= 1.0，一端固接，一端铰接μ= 0.7，一端固接，一端μ= 2.0。

2） 反弯点法

通过对整体结构进行屈曲分析，可以得到结构及杆件发生屈曲时弯矩图或变形曲线图。弯矩图和变形曲线图均可以反映出杆件反弯点之间的距离l0。因为反弯点的弯矩为零，因此与铰支点的受力相当。L0可以代表该杆件的计算长度。根据不同的约束条件，反弯点可能落在杆件的实际长度范围之内，也可能在其延伸线上。由于约束条件是多种多样的，有时很难在变形曲线上表示出反弯点之间的距离。反弯点法主要包括以下3个步骤：

1） 由屈曲分析得到结构及杆件的屈曲模态；

2） 提取杆件屈曲模态对应的弯矩图或变形曲线中变形位移曲线；

3） A ） 确定弯矩图中反弯点的位置，从而得出杆件的计算长度及计算长度系数；

4） B) 根据图（）中杆件发生屈曲时的变形曲线，可以根据杆件已有的变形拟合出此杆

件在理想铰接状态下的变形曲线。对比两个曲线图，确定杆件变形曲线的拐点（即反弯点）位置，从面可以得出杆件的计算长度及计算长度系数。

计算长度系数的推导方法：

计算长度系数的推导

图4-1 无侧移刚接框架柱的计算简图

图4-1给出的是无侧移多层钢框架的子结构，利用受弯构件和压弯构件的转角位移方程，代入θE =θF =-θB ，θG =θH =-θA ，且θC =-θB ，θD =-θA 建立与节点A 有关的梁端与柱端力矩：

M AG =M AH =

M AB =M AC EI b 22θA (4-1) l EI =c (C θA +S θB ) (4-2) h

其中，C 、S 根据无侧移弹性压弯构件转角位移方程确定：

kl sin(kl ) -(kl ) 2cos(kl ) (kl ) 2-kl sin(kl ) ，S =，k =C =2-2cos(kl ) -kl sin(kl ) 2-2cos(kl ) -

kl sin(kl ) =π根据节点平衡条件：

可得：

EI ⎫EI ⎛EI 2 2b 2+C c ⎪θA +2S c θB =0l h ⎭h ⎝ M AB +M AC +M AG +M AH =0

或 (2K 2+C )θA +S θB =0

(4-3)

式中：

K 2=I b 2/l I c /h

同时，可求出节点B 的弯矩平衡条件为

S θA +(2K 1+C ) θB =0 (4-4)

式中：

K 1=I b 1/l I c /h

由公式（4-3、4-4）组成无常数项的联立程。要得到θA 和θB 的非零解，必须系数行列式等于零。这就是说，子结构失稳时应满足下列条件

2K 2+C

S

即 S =02K 1+C

C 2+2(K 1+K 2) C +4K 1K 2-S 2=0 (4-5)

把式中的C 和S 代入公式(4-5)整理后得，即得下列临界条件：

2⎡⎛π⎫2⎤⎛π⎫⎛π⎫⎡⎤⎛π⎫⎛π⎫⎢ μ⎪⎪+2(K 1+K 2) -4K 1K 2⎥ μ⎪⎪sin μ⎪⎪-2⎢(K 1+K 2) μ⎪⎪+4K 1K 2⎥cos μ⎪⎪+8K 1K 2=0⎢⎥⎥⎝⎭⎣⎝⎭⎦⎝⎭⎝⎭⎢⎣⎦⎝⎭

(4-6)

其中，式中的K 1与K 2分别表示柱下端与上端的梁的线刚度之和与各柱的线刚度之和的比值，说明计算长度系数μ的值取决于K 1与K 2。

对于有侧移框架也可以按以上方法推导，过程从略，得到的临界条件为：

2⎡⎛π⎫⎤

⎢36K 1K 2- μ⎪⎪⎥t ⎢⎝⎭⎥⎣⎦⎛π⎫π⎪a +6(K +K ) =0 12 μ⎪μ⎝⎭

(4-8)

《高层民用建筑钢结构技术规程》第6.3.2条，

指出对于框架柱的计算长度系数可采用下列的近拟公式计算：

1. 有侧移时

μ=

2. 无侧移时 7. 5K 1K 2+4(K 1+K 2) +1. 52 (4-9) 7. 5K 1K 2+K 1+K 2

μ=0.64K 1K 2+1.4(K 1+K 2)+3 (4-7) 1.28K 1K 2+2K 1+K 2+3

K 1与K 2分别表示柱下端与上端的梁的线刚度之和与各柱的线刚度之和的比值 其中有侧移框架常指纯框架体，无侧移结构常指有支撑和（或）剪力墙的体系

4.1 计算长度系数确定方法

《钢结构设计规范》(GB50017-2003)(以下简称“规范”) 对框架柱的计算长度系数有明确的规定。在框架平面内框架的失稳分为有侧移和无侧移两种，有侧移框架的承载力比无侧移的要小得多。因此，确定框架柱的计算长度时首先要区分框架失稳时有无侧移。框架柱的分析方法有两种：一是采用一阶分析方法（计算长度法），即分析框架内力时按一阶理论，不考虑框架二阶变形的影响，计算框架时用计算长度代替柱的实际长度考虑与柱相连的影响；二是采用二阶或近似二阶分析方法求得框架柱的内力，稳定计算时取柱的几何长度。目前国内外大多数国家的规范采用了计算长度法。该方法的计算步骤为：首先采用一阶分析求解结构内力，按各种荷载组合求出各杆件的最不利内力；然后按第一类弹性稳定问题建立框架达到临界状态时的特征方程，确定各柱的计算长度；最后将各杆件隔离出来，按单独的压弯构件进行稳定承载力的验算。验算中考虑了材料非线性和几何缺陷等因素的影响。该方法的最大特点是采用计算长度系数来考虑结构体系对被隔离出来构件的影响。该方法对比较规则的结构可以给出比较好的结果，而且计算比较简单。

柱的计算长度系数与相连的各横梁的约束程度有关。而相交于每一节点的横梁对该节点所连柱的约束程度，又取决于相交于该节点各横梁线刚度之和与柱线刚度之和的比。因此，柱的计算长度系数就由节点各横梁线刚度之和与柱线刚度之和的比确定，常见的钢框架设计方法中均给出了根据框架柱端部约束条件直接查用的计算长度系数表格或曲线。“规范”将框架分为无支撑纯框架和有支撑框架，根据支撑抗侧移刚度的大小，有支撑框架又可分为强支撑框架和弱支撑框架。

根据不同的情况，不同支撑框架柱可分别选用有侧移框架柱和无侧移框架柱的计算长度系数μ[47]。

“规范”有侧移和无侧移框架柱的计算长度系数μ均为根据一定理想化的假定得到。对于需要确定无侧移框架计算长度的柱子以及与之相连的4根梁和上下两根柱的计算模型如图4-1。对有、无侧移框架均采用了理想化的假定[46,48,49]。

无侧移框架柱确定计算长度系数μ时的基本假定[46]：1) 、梁与柱的连接均为刚接；2) 、柱与上下两层柱子同时失稳，即图4-1中，柱AB 与柱BD 、AC 同时屈曲；

3) 、刚架屈曲时，同层的各横梁两端转角大小相等，方向相反；4) 、横梁中的轴力对梁本身的抗弯刚度的影响可以忽略不计；5) 、柱端转角隔层相等；6) 、各柱

的这里P 是柱子的轴力，P E 是柱子计算长度系数为1时的欧拉临界力；7) 、失稳时各层层间位移角相同；8) 、材料为线弹性材料。

有侧移框架柱确定计算长度系数μ时同无侧移框架柱的基本假定大体相同，只是在第3点：刚架屈曲时同，同层的各横梁两端转角大小相等但方向相同。

4.1.2 网壳规程的规定

《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)根据节点的型式，规定了构件的计算长度。对于双层网壳杆件计算长度应按表4-1采用，单层网壳按表4-2采用。

表4-1 双层网壳杆件的计算长度l 0

节 点

杆件

螺栓球

弦杆及支座腹杆

腹 杆 l l 焊接空心球 0.9l 0.9l 板节点 l 0.9l

表4-2 单层网壳杆件的计算长度l 0

节 点

弯曲方向

焊接空心球

壳体曲面内

壳体曲面外 l l 毂节点 0.9l 0.9l

“规范”及网壳规程的这些规定有很大的局限性：对于其它节点型式，特别

是大型网壳结构，杆件规格多、截面尺寸大、构造复杂，采用上述节点型式将很不合理，导致无法采用现成的规范条文；而且本章后续的研究表明：网壳规程所取的计算长度系数，特别是单层网壳，存在较大的安全隐患，不能直接运用于设计中；构件的计算长度系数也不仅仅简单地与节点型式相关；当前规范针对大跨空间结构构件的计算长度取值，缺乏明确的规定，更没有提出计算方法，导致结构设计人员无据可依。实际工程设计中，通常将需要稳定设计的构件近似为轴压构件，通过欧拉公式反推的方法来确定计算长度系数，常见的各种方法如本章4.4节所述。

4.4.1 工程设计常用的方法

欧拉荷载的推导：

加图：（P31）【5】陈骥的书

所图所示两端铰接的挺直的轴心受压构件，按照小挠度理论求解中性平衡状态时弹性分岔弯屈屈曲荷载。

如图所示，两端铰接的轴心受压杆件，在压力P 的作用下，根据构件屈曲时存在微小弯曲变形的条件，先建立平衡微分方程，再求解构件的分岔屈曲荷载。在建立弯曲平衡方程时作如下基本假定：

（1） 构件是理想的等截面挺直杆。

（2） 压力沿构件原来的轴线作用。

（3） 材料符合胡克定律，即应力和应变呈线性关系

（4） 构件变形之前的平截面在弯曲变形后仍为平面。

（5） 构件的弯曲变形是微波的。曲率可以近似地用变形的二次微分表示，即（）

可取如图隔离体，列方程：（EIy``+PY=0）推导得出：P=n2pi()2EI/l2，其中式中n=1时为构件具有中性平衡状态时的最小荷载，即分岔屈曲荷载Pcr ，又称为欧拉荷载Pe=pi^2EI/l2

采用计算长度系数进行稳定设计的原因：

的概念：

稳定问题具有多样性、整体性及相关性三个问题：【5】陈绍蕃P94

1） 多样性：轴性受压杆件有弯曲屈曲、扭转屈曲、弯扭屈曲等多种形式。

2） 整体性：构件作为结构的组成单元，其稳定性不能就其本身去孤立地分析，而

应当考虑相邻构件对它的约束作用。这种约束作用显然要从结构的整体分析来确定。稳定问题的整体性不仅表现为构件之间的相互约束作用，也存在于围护结构与承重结构之间的相互约束作用中，只不过在通常的平面结构（框架和桁架）的分析中被忽略了。

3） 相关性：具体体现在不同失稳模型之间有耦合作用、局部屈曲与整体屈曲互有

影响、组成构件的板件之间发生屈曲时有相互约束用等。

【5】P169

结构和构件丧失稳定属于整体性问题，需要通过整体分析来确定它们的临界条件。不过，为了计算简便，目前在设计工作中的做法是所计算的受压构件（或压弯构件）从整体结构中分离出来计算，计算时考虑结构其他部分对它的约束作用，并用计算长度来体现这种约束。

计算长度的概念：

计算长度的概念来源于理想轴心压杆的弹性分析。其把端部有约束的压杆化作等效的两端铰接的杆件，等效条件为两者的承载力相同。

构件在荷载作用下的变形曲线图可以反映出了反弯点之间的距离，此距离代表了该构件的计算长度；因为反弯点的弯矩为零，因此与铰支点的受力相当。根据不同的约束条件，反弯点可能落在构件的实际长度范围之内，也可能在其延伸线上[46]。

常见的结构形式的受压构件的计算长度系数在相应的规范及规程中都有所体现。将规范涉及到的可以直接使用的规范例举如下：

1） 钢结构设计规范第5.3条：桁架：含弦杆、单系腹杆（用节点板与弦杆连接）、交叉腹杆，

均分平面内与平面外的计算长度考虑；

框架：依据侧移刚度将框架分为无支撑、弱支撑和强支撑框架三种，分别按照本规范的附录D 的表格D-1至D-2查找框架柱的计算长度系数；

单层厂房的阶形柱（单阶柱及双阶柱）：按本规范附录D-3至D-6查找相应的计算长度系数

2） 钢高规：第6.3.1及6.3.2条规定了钢框架柱的计算长度取值

指出1）重力荷载作用下的稳定计算，应按钢结构设计规范相应条文进行，并指出相应的近似公式：。。。。

2）结构在重力和风力或多遇地震作用组合下的稳定计算相应的计算长度系数。

网壳结构技术规程：第5.1条，根据钢壳的分类及其节点的做法形式，分别定义其计算长度系数

3） 空间网格结构技术规程：第5.1条，根据网架、双层网壳、单层网壳、立体桁架及其杆

件分类和节点形式，分别定义其计算长度系数

对于梁-柱钢框架结构体系，可直接采用规范查表的方法或实用公式确定构件的计算长度系数。但对于大多数不规则（非梁-柱钢框架结构体系）的大跨空间结构构件的计算长度取值，如上所述，规范不可能包含所有的结构类型，也缺乏明确的规定，没有提出计算方法，导致结构设计人员无据可依。

因此为了设计方便，工程上通常将其近似为轴压构件，通过反推的方法来确定计算长度系数。

大跨度结构及其杆件的稳定问题都是一个整体问题，各杆件互相支承、互相约束，任何一个构件的屈曲都会受到其他构件的约束作用，影响因素较多。而对于空间钢结构杆件的计算长度系数，规范（桁架体系、网壳结构）根据杆件位置规范一般规定在0.8~1.0范围内取值。有学者的研究资料表明：对于复杂结构体系中部分杆件，采用低于1.0的计算长度系数取值可能偏于不安全。因此，工程上常从整体结构稳定性角度出发，取重力荷载（自重＋附加恒载＋活荷载）标准值工况组合作用作为初始态，根据计算长度系数的物理意义，通过整体结构线性屈

曲分析来研究各主要杆件的计算长度系数，主要包括以下3个步骤[56]：

1) 、由线性屈曲分析得到结构的各阶屈曲模态以及屈曲临界荷载系数；

2) 、检查各阶屈曲模态形状，确定该杆件发生屈曲时的临界荷载系数，乘以相应的初始态轴力，得到该构件的屈曲临界荷载P cr ；

3) 、由欧拉临界荷载公式反算各杆件的计算长度系数，即：

π2EI P cr =

2(μl )

μ=式中：EI 为杆件发生屈曲方向的弹性抗弯刚度；P cr 为杆件对应的屈曲临界荷载；l 为杆件的几何长度；μ为杆件计算长度系数。

由4.3.2节可知，当某个方向的荷载（如水平荷载）较大时，确定计算长度系数的初始态应采用各工况的组合，这样，根据不同的荷载组合下（初始态）反推出来的计算长度系数是不同的。

确定计算长度系数主要是确定欧拉临界荷载P cr 。

本文以确定一平面无侧移框架柱的计算长度为例，详细地介绍工程设计中。如图4-6所示的有侧移，横梁与柱均为刚接，柱的截面为H500×400×12×20， I c =1.019×109mm 4，为保证柱先于梁发生屈曲，设梁的截面为1000×400×30×30， I b =9.80×109mm 4，钢材采用Q235。作用在梁上的荷载标准值q=60kN/m，柱高l c =6m，梁长度l b =6m。

图4-6 无侧移刚架

按规范的设计方法，由K 1i =i b

c EI b /l b I b l c 9.80⨯109⨯6000====9.6173，EI c /l c I c l b 1.019⨯109⨯6000

K 2=0根据钢结构规范附录D 表D-1，采用插值法μ=0.7341, 或采用实用公式的方法：

μ=0.64K 1K 2+1.4(K 1+K 2) +31.4⨯9.6173+3==0.7404 1.28K 1K 2+2(K 1+K 2) +32⨯9.6173+3

.3.2 整体屈曲法

通过整个结构的屈曲分析确定该构件的计算长度，其方法是将该构件放在整体模型中，进行屈曲模态分析，从而得到欧拉临界力和屈曲系数的方法。整体模型的屈曲分析具有较为直观的屈曲模态，可以直接看到结构整体的屈曲变形，通过判断各阶屈曲模态对应的变形来判断具体结构构件是否发生屈曲，从而得到其对应的屈曲临界力[57]。该方法较难判断具体构件应对应的屈曲模态，常导致计算结果偏于保守；但该方法考虑了诸多计算长度系数的影响因素，与实际情况也相符合，较为合理。

本文采用SAP2000做钢框架的屈曲分析。在荷载q 的作用下，钢框架的轴力如图4-7(a)所示，图(b)为构钢框架的第一阶屈曲模态，从变形图可以看出，柱子发生了屈曲。 -180-180

(a) q作用下的轴力(kN) (b) 第一阶屈曲模态(η=784.547)

图4-7 荷载作用下的轴力及屈曲模态

所以，柱子的临界荷载为：

P cr =ηP =180⨯784.547=141218.46kN

由欧拉临界荷载公式反算各杆件的计算长度系数：

μ===0.638

由此可见，两者非常接近。工程中的一系列对比，也说明这些做法是正确的，下面以笔者的一个实例来说明些方法在工程实践中的运用。

本算例取决于某工程的施工顶升架，顶模钢平台由桁架层、支撑柱和支撑钢梁组成，钢平台桁架层由主桁架、次桁架、三级桁架和边桁架及内部小次梁、吊架梁等构件组成。桁架层高2.05m ，支撑柱高12.6m ，两层支撑钢梁间距4.5m 。顶模钢平台设计采用SAP2000软件，图2.1.1至图2.1.3为顶模钢平台sap2000计算模型。

图2.1.1顶模钢平台三维图

图2.1.2 顶模钢平台立面图

图2.1.3 顶模钢平台平面图

荷载考虑：恒荷载、活荷载、风荷载（考虑三种情况：施工状态及提升状态下遭遇八级风、

施工状态下遭遇十级风、施工状态下遭遇台风荷载）、顶升不同步位移、施工电梯荷载。

1.1 边界约束条件

根据边界约束条件的不同，钢平台分为两种计算模型。施工状态时，假定两道支撑梁两端为铰接，如图2.3.1所示；顶升状态时，忽略支撑梁的约束作用，将千斤顶与支承柱的连接简化为铰支座，如图2.3.2所示。

图2.3.1施工状态支承柱的约束边界

下列仅以施工状态 图2.3.2顶升状态支承柱的约束边界

1.1.1.1 支承柱计算长度取值（根据屈曲分析）

采用十级风施工状态模型：

以结构整体模型为基础，对结构进行特征值屈曲分析。正常施工状态下取D+L计算屈曲工况，圆管柱及格构柱在Mode98的屈曲模态下首次发生屈曲。其屈曲变形及屈曲荷载如下：

圆管柱在D+L工况下的最小轴力值为：-2634kN ，则根据屈曲分析结果，施工阶段的支承柱的一阶弹性屈曲临界荷载为2634×11.05=29105.7kN，根据欧拉公式可以反推得到理论计算长度系数：

μ=π2EI

P cr l 23. 142⨯2. 06⨯105⨯5. 355⨯109==1. 40 29105. 7⨯103⨯138002

1.1.1.1 钢结构构件计算应力比

将各计算长度系数值手工输入模型中，应力比计算结果如下图所示：

具体各构件应力比数值可在模型中查看，圆管柱最大应力比为0.378，格构柱应力比均小于0.95，满足规范要求。

整体稳定性计算步骤如下【3】P61

钢结构系统整体稳定性理论分析的主要步骤包括：

（1） 建立完善结构力学模型

按理论设计结构构型建立完善结构计算模型，包括确定结构几何模型、构件单元模型、构件规格尺寸、构件材料特性、结构边界条件等。

确定整体稳定性验算的荷载组合

荷载组合常采用标准组合。对于活荷载需要按不同的分布模型分别进行组合； 对于风荷载需要按不同的风向分别进行组合。

结构线性整体稳定性分析

对每一种荷载组合，通过对稳定特征方程的分析，分别计算结构线性整体稳定的临界荷载因子（）及相应的屈曲模态矩阵（）

确定结构的初始几何缺陷模型

对每一种荷载组合，确定相应的初始几何缺陷模式及幅值，可采用“一致缺陷模态法”模拟。若第一临界点为重临界点，应选用与临界荷载因子（）相应的所有模态。对于第一临界点附近频率密集的结构，应多选用几个模态。

结构大位移几何非线性整体稳定性分析

包括完善结构和有缺陷结构分析，获得相应的整体稳定最小临界荷载因子（）和（）

判断构件是否出现屈服变形现象

判断在几何非线性分析过程中，当荷载达到整体稳定最小临界荷载因子（）之前，主要构件是非否屈服，若未屈服，则转第（8）步，进行结构整体稳定性评定，否则，进入第（7）步。

结构大位移弹塑性整体稳定性分析

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【 abstract 】 steel in the stability problem is steel structure design of the main problems for solving, once appear, the steel structure of the instability accident, not only for the economy caused heavy losses, but also caused the personnel casualties. This paper introduces the design of the steel structure stability basic concept, this paper analyzes the design and construction of steel structure stability principle.

【 key words 】 steel structure, stable design, construction principle

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故，其中影响最大的是1907 年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏， 9000 吨钢结构全部坠入河中，桥上施工的人员75 人遇难。破坏是由于悬臂的受压下弦失稳造成的。而美国哈特福特城的体育馆网架结构，平面 92m x 110m,突然于 1978年破坏而落地，破坏起因可能是压杆屈曲。以及1988 年加拿大一停车场的屋盖结构塌落， 1985 年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的支撑有关。在我国 1988 年也曾发生 l3.2 xl7.99m网架因腹杆稳定位不足而在施工过程中塌落的事故。从上可以看出，钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中，一定要把握好这一关。目前，钢结构中出现过的失稳事故都是由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性能不够清楚，对如何保证结构稳定缺少明确概念，造成一般性结构设计中不应有的薄弱环节。另一方面是由于新型结构的出现，如空间网架，网壳结构等，设计者对其如何设计还没有完全的了解。

一、钢结构稳定设计的基本概念

1、强度与稳定的区别

强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。

2、钢结构失稳的分类

（1）第一类稳定问题或者具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。

（2）第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题（也叫极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。

（3）跃越失稳是一种不同于以上两种类型，它既无平衡分岔点，又无极值点，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看起来已经不够了。设计为轴心受压的构件，实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。因此，我们要真正掌握这种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有个缺陷影响问题。另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。

二、钢结构稳定设计和施工原则

1、结构稳定设计原则

（1）结构整体布置必须考虑整个体系以及各组成部分的稳定性要求。目前, 结构大多数是按照平面体系来设计的,如桁架、 框架都是如此。保证这些平面结构不出现失稳, 需要从结构整体布置来考虑,即必须设置必要的支撑构件。也就是说,结构构件的平面内和平面外的稳定计算必须和结构布置相一致。

（2）结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致。目前设计单层和多层框架结构时, 经常不进行框架稳定分析而是代之以框架柱稳定计算。在采用这种方法时,计算框架稳定时用到的计算长度系数应通过框架整体稳定分析得出,这样才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而,实际框架多种多样, 而设计中为了简化计算工作, 需要设定一些条件。框架各柱的稳定参数及杆件稳定计算的常用方法,往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的, 设计者必须明确所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。

（3）结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合。结构计算和构造设计相符合一直是结构设计中大家都十分关心的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接, 应分别赋予它足够的刚度和柔度,对桁架节点应尽量减少杆件偏心,这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是,当涉及稳定性能时, 构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如, 简支梁就抗弯强度来说, 对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移,同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了,支座还必须能够阻止梁绕纵轴扭转,同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲,以符合稳定分析所采取的边界条件。现行《钢结构设计规范》第 4 .2.5条已明确规定梁的支座处应采取构造措施以防止梁截面的扭转。

2、钢结构施工安装中的稳定问题

钢结构构件是在特定的状态下使用的。在相对较为随机的施工状态下,其系统或构件的稳定条件会发生较大的变化;所以在安装时, 要充分考虑它在各种条件下的构件单体稳定和结构整体稳定问题, 以确保施工安全。

构件单体稳定问题是指一个构件在工地堆放、 翻身、 吊装、 就位过程中发生弯曲、 弯扭破坏和失稳。因而对于较薄而大的构件均应考虑这一问题。必要时要用临时支撑对构件的弱轴方向进行加固。如单片平面桁架及高宽比相当大的工字梁等。结构整体稳定问题是指结构在吊装过程中支撑体系尚未形成,结构就要承受某些荷载 (包括自重 )。所以在拟定吊装顺序时必须充分考虑到这一因素, 保证吊装过程中每一步结构都是稳定的。若有问题可加临时缆风等措施解决。

3、钢结构稳定设计仍存在和需要注意的几个问题

（1）钢材为弹塑性材料,而目前大多数结构分析还是把结构看成完善的结构体系, 按完全弹性的材料做一阶分析,忽略客观存在的缺陷 (如残余应力、 初弯曲、 初偏心等, 工字钢和 H 形钢残余应力分布见图 1), 使稳定计算和现实结构的稳定承载能力存在较大的差距。尤其残余应力对稳定承载力影响非常复杂,不仅与构件生产工艺有关,还因构件几何

尺寸不同而异。以梁、 柱构件为例, 残余应力在常用的弹塑性失稳状态长度下对稳定承载力有较大影响, 对以弹性状态工作为主以及较短构件的影响较小。

（2）钢结构稳定性研究中存在许多随机因素的影响, 一般情况下,影响钢结构稳定性随机因素可分成三类:物理、几何不确定性;统计不准确性;模型不确定性。目前在网壳结构稳定性研究中,梁——柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁——柱单元是否能真实反映网架结构的受力状态还有待研究。只有进一步深入研究这些不稳定因素, 钢结构稳定理论才能进一步完善。

（3）按照极限状态设计法, 结构设计的基本表达式就是S≤R,各种建筑结构设计规范都应当执行这一规则, 规范中的设计计算公式也应当符合基本表达式的形式。然而,现行的《钢结构设计规范》( GB 50017- 2003)中的大部分计算公式,尤其是关于稳定方面的计算表达方式是不符合这个规则的。规范中关于轴心受力构件计算公式是: ≤ f ，显然,这个计算公式与基本表达式的形式是不符的。这样的表达式,不仅没有清楚地表明荷载作用应该小于抗力这一基本关系,反而搅乱了人们对稳定问题的正确理解。钢结构设计规范只要稍微变换一下,就可以解决上述不足。比如将轴心受力构件计算公式改为: N≤ φAf 的形式。此表达式既避免概念模糊,又与按极限状态设计方法的基本表达式一致。其它稳定计算表达式也可做类似的变动。

参考文献：

[1] 纪荣洋,刘健. 钢结构稳定问题的探索与分析[J]. 莱钢科技, 2009,(02) .

[2] 陈妍. 钢结构稳定设计原则及特点分析[J]. 中国新技术新产品, 2010,(09) .

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2.工程结构分析

建筑钢结构设计中的钢结构一般采用的分析方法是线弹性分析，目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，条件允许时考虑P-Δ，p-δ。如果钢结构建筑工程项目有特殊要求情况下可采用现行的有限元软件分析建筑结构的几何非线性和刚才的碳素性能。可有效提高建筑结构分析的精准度。需要提出的是对于钢结构的分析并不是一定要采用软件进行分析，对于比较典型的钢结构可通过查阅力学手册的方式比较直接地确定结构的内力和变形。对于结构相对简单的建筑一般采用人工手算的方式进行分析。对于结构比较复杂的工程需借助软件来建模后分析。

3.构件设计

在进行钢结构构件设计时，设计人员的首要工作就是对构件材料的选择。一般在钢结构建筑设计中比较常用的是Q235和Q345。一般钢结构的主体结构使用一种钢种，主要目的是便于工程管理。从建筑经济性角度分析，也可以将不同的强度的钢材组合使用，比如对强度要求时应选择Q345，对稳定性要求高时应选Q235。在钢结构构件截面设计中，对截面的验算一般使用弹塑性方法，但这种验算方法和结构内力计算的弹性方法不是一致的；目前，多数的结构软件都是对截面验算后进行处理，而随着软件技术的发展，部分的软件可不通过构件直接对截面进行验算，而是根据给定的截面库中选择截面加大一级的方式自动对截面分析验算，可有效地减少设计人员对结构构件截面验算的工作量。

4.节点设计

根据现代钢结构节点传力特性的不同可将节点分为刚接、铰接和半刚接；节点的连接比较常用的方式是等强设计和实际受力设计两种。就当前的钢结构建筑设计中比较常用的节点形式是刚接和铰接，这是因为这类节点的连接数据可以从有关的钢结构设计手册中直接查阅。也可通过结构软件后处理部分自动完成连接。节点焊接也是节点设计的重要设计环节，应严格按照钢结构设计中的规范规定控制焊缝的尺寸和形式。比如，所选用的焊条应和焊接的金属材质相匹配：E43对应Q235，E50对应Q345，Q235与Q345连接时应选低强度的E43。焊接设计中应严格控制焊缝，不能随意的加大焊缝，焊缝重心应同被连接构件重心重合或接近。就栓接节点而言，普通的螺栓抗剪性能比较差，一般使用在结构的次要部位。对于结构重要部位，对抗剪性能要求高时应采用高强度螺栓，当前在钢结构建筑设计中选用比较多是螺栓强度等级为8.8和10．9。

5.图纸编制

建筑钢结构图分设计图和施工详图两阶段。设计图是设计单位提供给构件制造厂用来编制施工详图的依据。钢结构制造厂根据设计单位提供的设计图，按照图纸内容要求，比如各种参数、工艺、技术等编制施工详图。

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一、前言

轻钢结构住宅相比于传统住宅，有其突出的优点：

（1）轻钢结构配件制作工厂化和机械化程度高，商品化程度高。

（2）现场施工速度快，主要为干作业，有利于文明施工。

（3）钢结构建筑是环保型的可持续发展产品。

（4）自重轻，抗震性能好。

（5）综合经济指标不高于钢筋混凝土结构。

随着我国钢产量的快速增长，对用钢政策由限制用钢到合理用钢到积极用钢，国务院1999年颁发的72号文件提出要发展钢结构住宅产业，在沿海大城市限期停止使用粘土砖。因此开发轻钢结构住宅体系已成为当前住宅结构研究中的热点。不过，多层轻钢结构的研究还处于起动阶段，研究力度还不够，实际设计和施工还存在不少争议和问题。这些都急需解决，以利于轻钢住宅在我国健康快速发展。

二、结构体系选型

对低、多层住宅，目前国内外常用的结构体系主要有：

（一）冷弯薄壁型钢体系

构件用薄钢板冷弯成C形、Z形构件，可单独使用，也可组合使用，杆件间连接采用自攻螺钉。这种体系节点刚性不易保证，抗侧能力较差，一般只用于1～2层住宅或别墅。笔者处理的几个旧房加层，如蓟县国税局、天津港派出所等改造工程，使用了该体系，效果较好。

（二）框架

目前，这种体系在多层钢结构住宅中应用最广。纵横向都设成钢框架，门窗设置灵活，可提供较大的开间，便于用户二次设计，满足各种生活需求。钢框架考虑楼盖的组合作用，运用在低多层住宅中，一般都能满足抗侧要求。但是由于目前框架柱以H型钢为主，弱轴方向梁柱连接的刚性难以保证，因此设计施工时须慎重处理。

（三）框架支撑体系

在风载或地震作用较大区域，为提高体系的抗侧刚度，增加轴交支撑或偏交支撑效果很好。这种体系为多重抗侧体系，而且梁柱节点，柱脚节点可设计成铰接、半刚接，施工构造简单，基础主要承受轴力，体形较小，因此成为人们青睐的对象。

（四）框架剪力墙体系

在低多层住宅中，可以应用传统的剪力墙体系，如钢筋混凝土剪力墙或钢板剪力墙。目前正在研究的空腔结构板是一种理想的抗侧结构。空腔结构板是一种新型的轻质板材，采用黄纸制成具有众多等边空腔结构的板状基架，然后经浸渍而成。该板材与钢框架可靠连接，便可形成新型剪力墙。另外美国，澳大利亚等国还开发了交错桁架体系，比较新颖。

三、主要构件设计

（一）柱

前已述及，钢结构住宅一般为大开间，框架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时应该考虑强柱弱梁的要求。而目前广泛使用的焊接H型钢或I字热轧钢截面，强弱轴惯性矩之比3～10，势必造成材料浪费。因此对于轴压比较大，双向弯矩接近，梁截面较高的框架柱采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱是适宜的。对于方钢管混凝土柱，不仅截面受力合理，同时可以提高框架的侧向刚度，防火性能好，而且结构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。因此，尽管平面受力结构中，选用H型钢或I字钢在受力上还是合理的但总体上，箱形钢管柱尤其是方钢管混凝土柱应得到广泛应用。方钢管混凝土柱将是钢结构住宅发展的主要方向，但由于缺乏相应的规范、规程，目前在住宅中应用还很少。尤其钢管砼梁、柱的连接较为复杂，不利于工厂制作和现场施工，应加大力度开发研究。

（二）楼盖

在多层轻钢房屋中，楼盖结构的选择至关重要，它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外，更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用；另外从抗震角度来看，还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。常用的楼盖结构有：压型钢板－现浇混凝土组合楼板，现浇钢筋混凝土板以及钢－混凝土叠合板，而以第一种最为常用。目前，在多层轻钢房屋整体分析时，还普遍不考虑楼盖与钢梁的组合作用，即使设置抗剪键，也偏保守地假设钢结构承受全部荷载，这样不仅增加材料用量和结构自重，反而会造成强梁弱柱的不利情况。有一6层算例，表1、表2分别反映了考虑楼盖组合作用对梁刚度以及结构整体刚度的影响。

表1截面惯性矩对比

构件名称截面惯性矩组合前后的对比

主梁（负弯矩区）1.51（2.22）1.47

主梁（正弯矩区）1.51（4.28）2.83

次梁0.797（2.48）3.11

注：括号内为考虑年组合作用的情况

表2结构位移对比

结果工况1工况2工况3

楼层梁挠度16.9（10.9）16.9（10.2）/

屋盖梁挠度35.5（35.4）34.3（34.2）/

底层层间位移16.9（10.2）4.8（3.7）8.4（5.9）

顶点位移/18.2（13.8）49.9（31.0）

注：括号内为考虑年组合作用的情况

算例表明，考虑组合作用后主梁的刚度大大增加，使得梁的挠度和地震作用下柱顶的侧移大为减少，此考虑组合作用应予关注。为使楼层高度减到最小，提供更大的空间，组合扁梁楼盖也成为一种趋势。

（三）支撑体系

支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种，前者耐震能力较差，后者在强震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且为门窗洞的布置提供了有利条件，目前国内用的还很少，建议在高烈度区首选偏交支撑。剪切型耗能梁段，加劲肋按以下公式设计：

a＝29tw－d/5,（γp＝±0.09rad）（1）

a＝38tw－d/5,（γp＝±0.06rad）（2）

a＝56tw－d/5,（γp＝±0.03rad）（3）

式中，a―――加劲肋间距，d―――梁高，―――腹板厚度，γp―――塑性转角；弯曲型耗能梁段还需在梁段端点外1.5bf处加设加劲肋。

（四）节点抗震设计

框架梁柱节点一般采用两种连接方法，根据"常用设计法"，即翼缘连接承受全部弯矩，梁腹板只承受全部剪力的假定进行设计。震害表明，这种设计不能有效满足"强节点弱杆件"的抗震要求，在高烈度区隐患很大。改进的框架节点设计，在梁端上下翼缘加焊楔形盖板或者将梁端上下翼缘局部加宽盖板面积或加大的翼缘截面面积主要由大震下的验算公式确定：

式中：为基于极限强度最小值的节点连接最大受弯承载力，全部由局部加大后的翼缘连接承担；为梁件的全塑性受弯承载力；为基于极限强度最小值的节点连接最大受剪承载力，仅由腹板的连接承担；为梁的净跨；为梁在重力荷载代表值作用下按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。

四、结论

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1引言

随着体外预应力技术的日趋成熟和新型建筑材料的发展，许多国家的工程师都在对大跨径桥梁的主梁轻型化问题进行研究。在上世纪八十年代，法国首先设计并建造了以波形钢腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型组合结构桥梁－Cognac桥，其后又相继建造了Maupre高架桥、Asterix桥和Dole等数座波形钢腹板的组合结构桥梁，该形式箱梁的典型结构如图1所示。自上世纪九十年代起，日本也对该类形式的桥梁进行了研究，在参考法国同类桥梁的基础上，先后修建了新开桥、本谷桥、松木七号桥等一系列桥梁，其中有连续梁桥，也有连续刚构桥，拓宽了其使用范围，发展了设计和施工技术。

波形钢板即折叠的钢板，具有较高的剪切屈曲强度，用它作为混凝土箱梁的腹板，不但充分满足了腹板的力学性能要求，而且大幅度减轻了主梁自重，缩减了包括基础在内的下部结构所承受的上部恒载，还省去了施工时在腹板中布置钢筋、设置模板等繁杂的工作。此外，波形钢板纵向伸缩自由的特点使得其几乎不抵抗轴向力，能更有效地对混凝土桥面板施加预应力，提高了预应力效率。这种组合结构能减少工程量、缩短工期、降低成本，在施工性能和经济性能方面都具有很大的吸引力。

2设计方法

当桥梁上部采用波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的结构形式时，和普通的钢筋混凝土箱梁桥一样，其设计需要针对施工和使用阶段的不同要求。施工阶段的计算要结合具体的施工形式，比如，连续梁桥可以采用悬臂施工、顶推法施工或其它的方法，主要的计算荷载有自重、预应力、混凝土不同龄期的收缩徐变、施工荷载等。使用阶段则要考虑汽车荷载、风荷载、温度荷载等。箱梁内通常同时设置体内和体外预应力，由混凝土顶板和底板内的体内预应力抵抗施工荷载和恒载，箱内的体外预应力用来抵抗活载。这样考虑的原因之一，是为了满足更换体外预应力钢束时结构的受力要求。

2．1纵向抗弯计算

波形钢腹板在轴向力的作用下，轴向变形很大，表现出来的等效弹性模量很小。波形钢板在纵向的等效弹性模量和板厚、波纹形状有关，可由下式计算

Ex＝αE(t／h)2（1）

式中，Ex为等效轴向弹性模量；E为钢材的弹性模量；t为钢板厚度；α为波纹的形状系数。根据此式，日本新开桥Ex＝E／617。已进行的模型实验和有限元计算的结果，进一步证实波形钢腹板在受弯时纵向正应力、正应变很小，可以忽略，即在进行截面抗弯设计时，只考虑混凝土顶板和底板的作用，并近似的认为混凝土顶板和底板内的纵向正应变符合线性分布规律，仍然按照平截面假定计算应力、布置预应力钢束。

2．2抗扭计算

箱梁在偏心荷载作用下，截面将发生扭转变形。在混凝土腹板箱梁中，扭转的影响并不大，但在波形钢腹板箱梁中，由于腹板的弯曲刚度和混凝土顶板、底板相比小得多，这对截面扭转变形的影响显著增大，会在混凝土板内产生较大的扭转翘曲应力。到目前为止，关于波形钢腹板箱梁扭转刚度的计算还没有明确的结论。通过对建成的该类桥梁的技术总结和研究，日本工程师上平等人提出了一种计算其抗扭刚度的方法(2)式中，Jt为抗扭刚度；Am为箱梁的横截面面积；b1为箱体的宽度；h1为波形钢腹板的高度；ns为钢材和混凝土剪切模量的比值；t为构件的厚度；α为修正系数(3)实际设计当中，鉴于截面扭转刚度和横隔板布置有密切关系，在不过于增加主梁自重的前提下，适当增加横隔板数量并调整间距可以有效的保证箱梁抗扭刚度。

2．3波形钢腹板的应力计算

波形钢腹板主要承受剪应力。在设计中可以偏保守地假定结构所有的剪应力都由波形钢腹板承受，忽略混凝土顶板和底板对剪应力的抵抗作用，从而计算出波形钢腹板所需的最小厚度。

波形钢腹板不仅承受上述剪应力，同时也承受横向弯曲所引起的弯曲应力，因此必须对波形钢腹板的合成应力进行验算，公式为(4)式中，σb为拉应力；σa为抗拉强度；τb为剪应力；τa抗剪强度；γ为安全系数，建议取值为1．2。

2．4波形钢腹板的屈曲稳定性计算

波形钢腹板的屈曲破坏主要有三种模式(如图2所示)。

（1）局部屈曲模式

波形钢腹板的某一个波段部分出现屈曲破坏的现象。局部屈曲强度的计算可按下式

(5)

式中，τcr?熏L为局部屈曲强度；E为钢材的弹性模量；ν为钢材的泊松比；b为腹板的高度；a为波段长；K为屈曲系数，有

(6)

（2）整体屈曲模式

波形钢腹板整体出现屈曲破坏的现象。整体屈曲强度的计算可按照下式

(7)

式中，τcr?熏G为整体屈曲强度；β为波形钢腹板两端的固定度系数；E为钢材的弹性模量；Iy为y轴的惯性矩；Ix为x轴的惯性矩，t为钢板的厚度；b为腹板的高度。

（3）合成屈曲模式

波形钢腹板同时出现局部屈曲破坏和整体屈曲破坏的现象，是处于局部屈曲和整体屈曲中间的屈曲模式。合成屈曲强度由下式计算

(8)式中，τcr为合成屈曲强度；τcr?熏L为局部屈曲强度；τcr?熏G为整体屈曲强度。

2．5波形钢腹板和混凝土顶板、底板的连接

模型实验表明，在加载后期，除了底板横向开裂外，波形钢腹板与底板交界处沿纵向开裂，随着裂缝的发展，结构刚度迅速降低，最终导致破坏，破坏特征为腹板和底板的连接部碎裂（如图3所示）。波形钢腹板和混凝土顶板、底板的连接直接关系到结构的承载力，是设计此类桥梁中非常关键的环节。

对于连接部的设计，通常的做法是在波形钢腹板的上下端焊接钢制翼缘板，翼缘板上焊接剪力钉，使之与混凝土板结合在一起（图4－a）。还可以采用在钢腹板上钻孔，穿过钢筋，再在钢板的上下端部焊接纵向约束钢筋后埋入混凝土板的做法（图4－b）。在此基础上，还可衍生出其它的连接方法。

3工程实例

自1993年起，日本从法国引进了波形钢腹板组合结构的技术，目前，日本大力鼓励设计人员在主要高速公路中采用这种结构形式。

正在建设中的中野高架桥是日本关西地区阪神高速公路段的一部分，为采用波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁的四跨连续梁桥。全桥的立面布置见图5。主梁为单箱单室的变高度箱梁，同时设置了体外和体内预应力体系。支点梁高4．0～4．6m，跨中梁高2．0～2．2m，梁高按照二次抛物线变化。波形钢腹板采用抗拉强度490MPa、抗剪强度205MPa的耐腐蚀钢板，波长1．2m，波高200mm，钢板厚度9～19mm。为了提高主梁的横向抗变形能力，除在支点和体外预应力的转向处设置横隔板，还在纵向的不同位置加设了横隔板。主梁截面和波形钢腹板的一般构造见图6。

该桥的上部结构采用悬臂浇筑法施工，墩顶的0号节段长12m，在墩架上现浇。其余节段分别长3．6m和4．8m，均在挂篮上悬臂浇筑混凝土及拼装钢腹板。

4结语

钢－混凝土组合结构桥梁的设计和建造在国内起步比较晚，尤其是本文介绍的波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥在国内尚无实桥。与此同时，法国、德国，尤其是日本相继建设了数座此种类型的桥梁，设计和施工技术日益成熟。波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁，特别适合于中、大跨径的连续梁桥。随着国内对这种结构的研究分析工作的开展，波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥将会在我国的桥梁建设中得到应用。

参考文献

〔1〕刘岚，崔铁万编译．本谷桥的设计与施工．国外桥梁，1999（3）：18－25

〔2〕刘磊，钱冬生．波形钢腹板的受力行为．铁道学报，2000（增）：53－56

篇（10）

2我国目前规范对钢筋混凝土排架设计的不足

在钢筋混凝土排架结构的抗震设计方面，GB50191—2012构筑抗震设计规范和GB50011—2010建筑抗震设计规范指导规范不同地域、不同排架结构的抗震设计。本文结合《构筑抗震设计规范》的具体条文，阐述了目前规范中钢筋混凝土排架结构中设计的不足和缺陷。有关排架结构上部屋架结构计算的规定有:

1)《构筑抗震设计规范》6．2．19条规定，针对Ⅲ，Ⅳ类场地和8度、9度时，应该考虑屋架下弦的拉压效应对结构的影响并核算屋架承载力;

2)《构筑抗震设计规范》6．2．22条规定，针对Ⅲ，Ⅳ类场地和8度、9度时，应验算变形产生的附加内力。上述两点叙述，规范使用“应”字，因此应考虑建立合适的屋架和支撑的杆系模型，否则无法得出上述内力值。在钢结构排架设计方面，钢排架结构施工进度快，造价低，但以后要经常维护保养。框架结构施工复杂，造价高，后期维护工作量低。在工程建设中，钢架也就是在排架柱方向通过设置联系梁或桁架的方式使排架柱方向形成可以抵抗纵向力下变形的钢框架(局部开间或连续开间)，具体做法可采用实腹联系梁或格构桁架———根据可设置高度选用，采用门式柱间支撑，可以留出工艺空间，还能对柱平面外予以加强。但我国处于高度使用水泥的情况，环境污染日益严重，从节能减排方面讲，钢排架结构应作为首选，但规范未给具体说明。

篇（11）

1、梁柱主筋受力处钢筋设计

高层建筑的钢筋结构中，由于框架柱和框架梁在主筋受力处会产生矛盾，因此在设计中必须考虑框架柱和框架梁的受力问题，坚持“强剪弱弯、强柱弱梁”的设计原则，也就是说，在设计过程中必须保证框架柱受力主筋的位置，避免框架梁截面宽度与框架柱的边长等长或者是框架梁一边与框架柱想重合。为保证上述过程，采取的对策主筋从框架柱内侧通过，框架梁靠近柱侧增加四根钢筋作为架立，用于保证框架梁截面宽度的长度。效果分析：通过以上方法设计梁柱主筋受力处钢筋设计，可以保证柱主筋受力位置的确定，并得到设计师的认可，并在施工中得到广泛应用。

2、墙梁节点钢筋设计

对于框架-剪力墙结构来说，由于主次框架梁都直接放在筒墙体暗梁或过梁的核心处，易出现：如果框架梁截面、暗梁以及过梁具有相同的截面高度，会使框架梁与核心筒的暗梁或过梁在主筋方面产生矛盾。为了避免此种情况的产生，一般采用的设计原则是：依据框架梁在固定端处的弯矩方式，框架梁在支座处应采用上拉动铁处，挤压下铁位置，同时在暗梁或过梁的位置扭动，但要保证暗梁与连梁在箍筋处的完整。如图所示为为固接框架梁弯矩的示意图，可以使大家更好的了解什么是弯矩结构。具体措施为：在过梁的下铁处设置两排少于六根主筋的布置，框架梁下铁则布置在两排少于六根主筋的位置中间，并依照接头全部处于支座周围，并以比例50％错开；框架梁上铁应直接放置在过梁上铁位置，用于保证锚固长度的设计要求；将过、暗梁截面减少5cm，框架梁的上铁直接放置在过梁位置，来保证钢筋保护层的深度。效果分析为：为预防过梁箍筋收到破坏，采取的调整框架梁下铁受力主筋位置的方法已经得到认可；在锚固长度的设计要求下，将过、暗梁截面减少5cm，框架梁的上铁直接放置在过梁位置，来保证钢筋保护层的深度，也得到很多的应用。

3、主梁节点和次梁节点的设计

高层建筑钢筋结构的框架剪力墙设计中，重点是主梁节点和次梁节点的设计，特别是主梁节点的设计已经成为当今剪力墙设计的焦点。传统的设计是：次梁上铁设置在主梁钢筋之上，而板筋却设置在次梁主筋上，这容易导致位置设置出错，便不能满足钢筋保护层厚度的需求，从而严重影响其抗震能力。因此设计的关键是：位于主梁上方的次梁应在延伸到悬挑梁处的主梁的上侧，因而在设计时应保证悬挑梁的尺寸，不能过小。框架梁与劲性柱在主筋上关于锚固长度关系。

二、高层建筑钢筋施工技术

在高层建筑钢筋施工中，首先要做的是统一测量的仪器以及钢尺的量具。我们知道建造高层大楼设计很多的测量仪器，包括：土建方面的测量仪器和钢尺、钢结结构方面的测量仪器和钢尺等，如果不统一这次仪器和钢尺，会严重影响建造的过程以及传递，因而必须采取国家统一的计量单位和标准。其次，应对轴线、标高和地脚螺栓进行定位。一般来说，轴线的定位是依据场地的宽度，在建筑物外部或内部进行确定的。设置控制桩，用于确定经纬仪和激光仪的位置，通常以满足通视、可视为基准。钢柱长度一般采用2-3层为一节，来满足起重量以及运输。每一节的定位柱子到下一节的定位轴线，应从地面引致高空。地螺栓则是用在第一节钢柱时，用于控制平面大小和标高所采用临时措施。再次是钢柱制作与安装。钢柱作为高层建筑中主要的竖向结构部件，在制作过程必须现行规范其验收的标准。钢柱柱脚的环板定位及附件安装为：首先做好防腐或除锈的工作，根据现场吊装要求及运输，确定钢筋长度（一般低于12cm），控制焊接尺寸以及防变形和保持对称，用于实现焊接后的平直，附件安装时应符合需求。最后是钢梁柱的制作与安装。钢梁柱在高层建筑中一般采用的是H型结构，这需要较好的任性和连通性。一般在制造过程中，在框架梁所设置悬臂梁，悬臂梁上下翼缘采用剖口熔透焊缝方式与钢柱相连。在安装时，应先焊接下翼缘，再焊上翼缘，腹板利用高强度螺栓进行连接。