钢结构设计规范大全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篇钢结构设计规范范文，希望它们能为您的写作提供参考和启发。

篇（1）

中图分类号：G6420 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2013）02-0098-05

路基路面工程是土木工程（交通土建）专业和交通工程专业实践性很强的主要专业课之一，对培养道路工程应用型人才起重要作用。课程主要研究路基路面的基本概念、设计原理、计算方法和施工管理技术等内容。由于公路工程技术的不断发展，交通部在1995年后陆续颁布了《公路路基设计规范》（1995年）、《公路路基施工技术规范》（1995年）、《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（1996年）、《公路排水设计规范》（1996年）、《公路沥青路面设计规范》（2006年）、《公路改性沥青路面施工技术规范》（1998年）、《水泥混凝土路面设计规范》（2011年）等。但是，全国多数高校所用的路基路面工程教材的出版跟不上规范更新的步法，规范中的新内容在教科书中没有及时更新，这就给正常的授课带来较大困难。如果完全依照现有教材讲解，有些内容已经在道路工程实际设计或使用中不再适用，这样的教学会对学生形成一种误导。如果按照新出版规范授课，无论学生还是教师，都没有可作为授课的合适教材，这就给课堂教学带来极大困难。为此也有一些学者对这方面的教学内容进行了探讨和研究[1-2]。

基于上述原因，针对新旧规范的不同之处，结合课程对应的不同授课学时要求和教育部关于土木工程专业建设的要求[3]，对2009版路基路面工程课程教学大纲[4]进行了修改。重点是教学内容的增减、教学方法的改变、作业布置方案的变化、习题课的增加等。根据沥青路面结构设计和水泥路面结构设计的新规范[5-6]，重点介绍新规范中主要的修改内容，包括设计理论和设计方法，讲解现行沥青和水泥路面结构设计分析的详细计算过程。通过对比论述，提醒学生注意新规范的修改之处对实际工程中道路设计结果的影响。根据上述修改内容，基于实际工程结构资料，编写了多个适用的算例，方便学生学习使用。

一、基于新规范下教学内容的修改和增补

（一）沥青路面设计章节教学内容的修改增补

1.新规范中修改内容简介

较上一版规范（JTJ 014―97）《公路沥青路面设计规范》，新规范[5]中新增内容主要表现在：

（1）强调按实际情况做好交通荷载分析与预测，按照全寿命周期成本的理念进行路面设计。

（2）采取防止早期损坏的技术措施，加强材料、混合料和路面结构组合设计的要求，增加柔性基层、贫混凝土基层等设计内容。

（3）细化半刚性基层混合料继配类型，调整集料继配范围，补充了二灰稳定集料抗冻性设计要求。

（4）路面厚度计算方法在参数取值和旧路补强公式上有所改进。

（5）增加了旧水泥混凝土路面加铺沥青层设计内容。

（6）补充了水泥混凝土桥面沥青铺装设计内容。

2.多层体系路面结构向三层体系转换

由于最新规范的设计计算是基于配套出版或其他正式出版的路面结构设计软件（如HPDS2011）而进行设计计算的，如果没有这些软件，路面结构设计就无从下手。换句话说，最新规范中在已知某些路面结构设计参数（如交通量、道路等级、设计年限、各层路面结构材料参数等）的基础上，只介绍了如何基于软件进行道路最终结构的调试和设计，没有介绍这些软件是基于哪些计算公式，如何对路面进行中间的计算和最后结果的选择。况且，最新出版的相关教材，也没有再介绍如何利用手算方法进行多层路面结构的设计和计算。另外，以学校目前的教学条件，在授课过程中，还不能做到所有学生均配备计算机，加上软件计算的中间过程学生不熟悉，无法更深层次地理解多层路面结构的理论设计过程，即使课程学习结束，对沥青路面结构的设计也不会用手算。针对这些情况，笔者在最近几年的授课中，为使学生学会用手算方法进行沥青路面结构的设计计算，加深对沥青路面结构设计理论和具体计算方法的理解，增加了多层体系向三层体系的转换方法讲解，这也是目前沥青路面结构设计软件中采用的中间计算方法。

在进行多层体系向三层体系的转换中，需要查阅一些诺模图，为此，课题组将这些诺模图整理后上传至学校教务处的精品课程网站上，作为结构设计计算的辅助资料供学生自由下载和打印。根据计算目的的不同，三层体系转换的计算公式也不尽相同，大致有以下几类。

（1）弯沉等效换算法：结合已知的三层体系弯沉诺模图，将多层体系路面结构按照面层顶面弯沉相等的原则换算为三层体系，如图1所示。对应的具体换算公式为

（二）水泥路面设计章节教学内容的修改增补

1新规范中修改内容

较前一版规范相比，新规范[6]中新增内容有：

（1）混凝土板极限断裂的验算标准和贫混凝土及碾压混凝土基层的疲劳断裂设计标准。

（2）考虑特重车辆和专用道路结构设计，增加了极重交通荷载等级。

（3）改进接缝设计及填缝材料的选型。

（4）完善连续配筋的裂缝间距和裂缝宽度两个设计指标的计算公式。

（5）提高混凝土板错台量和接缝传荷能力的评级标准。

（6）完善材料设计参数经验参考值。

由于最新规范在2011年12月才出版，较上一版规范改动量非常大，尤其是在水泥路面结构设计过程中所用公式与前一版规范完全不同，现有教材水泥路面结构设计章节的计算公式全部不再适用，而且目前还未见针对最新规范出版相应的教材，这就造成已有教材的水泥路面结构设计章节与新规范不符，不能继续讲授。在这种情况下，作为一线授课教师，必须提前给学生准备补充讲义，并且在课堂教学中把最新规范的设计理念和计算公式讲授给学生。另外，新规范的设计计算是基于规范配套出版或其他正式出版的路面结构设计软件（如HPDS2011）而进行设计计算的，不便于学生熟练掌握和运用。为此，从2012年开始，针对水泥路面结构设计章节，笔者重新编写了教案、讲义、课程课件，以及作业习题等授课资料。

2新规范下水泥路面结构应力计算

由于规范中规定的水泥混凝土路面结构设计理论是采用设计验算法，根据已知的交通量、道路等级、地区区划，以及建筑材料等资料，初步拟定待设计结构组合，然后对该结构进行荷载应力和疲劳应力的分析计算，最后利用可靠度系数对结构进行应力的校核。新规范中突出的一点是除了上述验算之外，还增加了道路最大荷载作用下结构的应力校核计算。新规范中对应水泥路面结构设计时的应力计算方法如下[6]。

（1）荷载应力。设计轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力σpr=krkfkcσps。

最重轴载在临界荷位处产生的最大荷载应力σp，max=krkcσpm。

其中，σpm为最重荷载在四边自由板临界荷位处产生的混凝土板的最大荷载应力。

kr为考虑接缝传荷能力应力折减系数，纵缝为设拉杆平缝时，kr=0.87～0.92（刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值）；纵缝为设拉杆企口缝时，kr=0.76～0.84；纵缝为不设拉杆平缝或自由边时kr=1.0。

kc为考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级查表16-24确定。

kf=Nνe为考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数。

特别的，设计轴载PS和最重轴载Pm在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力（MPa）为：

σps=1.47×10-3r0.70h-2cP0.94s，

σpm=1.47×10-3r0.70h-2cP0.94m，

（3）极限状态的校核。水泥混凝土路面“单层板”结构设计中，根据水泥路面结构设计的一些已知参数，查阅规范中相应的表格，选定待设计路面结构的可靠度系数，以及路面材料的弯拉强度标准值fr，在上面荷载应力和温度应力计算的基础上，最后利用γr （σp r + σtr ）≤fr ，γr （σp ，max + σt，max ）≤fr 进行校核。如果满足，说明前面拟定的水泥路面结构满足荷载和温度对它的综合作用效果；否则对已拟定的水泥路面结构各层进行重新拟定，并重复上述步骤进行计算。

关于水泥混凝土路面弹性地基“双层板”“复合板”“有沥青上面层”的水泥混凝土板的荷载应力和温度应力，以及“加筋”水泥混凝土路面结构设计详见最新规范。

二、教材选用和教学大纲的修改

（一）教材的选用

土木工程专业和交通工程专业培养方案中，都有路基路面工程这门课，分别为56和42学时。前几年采用同济大学出版社出版的教材[7]，沥青路面结构设计新规范出版后，全国陆续出版了基于新规范编写的教材，故两年前已经改换为人民交通出版社出版的教材[8]。但由于JTG D40―2011《公路水泥混凝土路面设计规范》在2011年底才出版，目前使用的教材在水泥路面结构设计章节也还是旧的内容，为此，笔者负责编写了补充讲义，作为这部分教学内容的补充教材使用，使学生在校学习期间便能够学到最新的技术规范、标准和先进的科技知识，实现了教学内容与科技进步、行业技术规范的紧密结合。

（二）教学大纲的调整

由于上述教学内容的增加和补充，致使2009年补充制定的路基路面工程课程教学大纲[3]与目前实际教学要求不符，为此将上述沥青路面结构设计时涉及的多层体系换算教学内容增加到教学大纲中，约2学时。考虑土木工程专业已提前开设弹性力学课程，讲解了多层体系的理论分析内容，因此，在满足沥青路面设计章节总学时不变的前提下，在路基路面工程授课中减少了2学时路面结构弹性多层体系理论分析的授课内容。

对水泥混凝土路面结构设计章节，由于新规范中的设计理论基本没变，只是对应的计算公式发生了变化，故将原来的授课内容进行相应的替换即可，授课学时基本不变。

另外，由于新规范出版后路面结构设计内容和计算项目的增加，原来教学大纲中的习题课学时（4学时）已经不能满足授课需求。为了增加习题课授课学时，针对土木工程专业和交通工程专业的学生，从2010年开始另外增开了32学时的路基路面检测选修课，其中有一部分试验教学内容和路基路面工程课程类似，经学科组讨论决定，将原来课程中试验部分的授课学时（约4学时左右）减少2学时，用于增加沥青和水泥路面结构设计的习题课学时。

三、结语

根据教育部下发的有关普通高等学校本科专业建设的要求和内蒙古工业大学教学大纲文件中关于课程建设的要求，课题组对最新出版规范进行研究。经过学院教学委员会的同意，对路基路面工程课程的授课内容和教学大纲作了部分修改和调整，涉及的内容有以下4点：

（1）增加了沥青路面结构设计章节中多层体系换算的授课教学计划，对应地减少了路面结构弹性多层体系理论分析的授课学时。

（2）根据最新规范，对水泥混凝土路面结构设计章节的内容全部进行替换。

（3）增加路面结构设计章节中的习题课授课内容，同时减少路基路面工程课程中试验方面的授课学时。

（4）针对上述修改内容，编写了课程的多媒体课件，具体修改、制定了2009版教学大纲和对应的教学计划。

另外，还将已经购买的正版HPDS2006路面设计软件升级到HPDS2011，方便按最新规范进行演示教学。在2009级学生的实践和调查回访中，学生普遍反映教学效果良好，说明基于最新出版规范，对路基路面工程课程教学内容的改革有利于提高教学质量。

参考文献：

[1] 宋高嵩，张春萍，王剑英.路基路面工程课程教学改革探讨[J].哈尔滨学院学报，2002，23（8）：152-153.

[2] 马培建，朱亚光.土木工程专业路基路面课程教学内容及方法探讨[J].高等建筑教育，2003，12（3）：41-43.

[3]内蒙古工业大学理论课教学大纲（土木工程学院道交系部分）[Z].2009.

[4] 教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和业介绍[M].北京：高等教育出版社，1998.

[5] 中华人民共和国交通部.JTG D5―2006沥青混凝土路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[6] 中华人民共和国交通部.JTG D40―2011公路水泥混凝土路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[7] 陆鼎中，陈家驹.路基路面工程[M].上海：同济大学出版社，2006.

[8] 邓学均.路基路面工程[M].3版.北京：人民交通出版社，2009.

Research on the timely innovation of teaching program for pavement structural design based on the new specification

SONG Yunlian，LIN Min，HU Bing

篇（2）

1、 前言

门式刚架以质量轻、施工周期短、柱网布置灵活、综合效益高的特点在工业厂房中得到广泛的运用。对于此类结构的计算，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》适用于主要承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20吨的A1～A5工作级别桥式吊车或3吨悬挂式其重机的单层房屋钢结构。平时遇到的门式刚架结构形式的炼铁、炼钢、轧钢厂房的起重量大多超过20吨，甚至有的达到几百吨，已超过了门式刚架规程的使用范围，如何使用程序合理参数计算此类大吨位吊车结构是值得我们去探讨的问题。

有大吨位吊车的门式刚架结构类型一般下柱采用格构式截面，上柱采用焊接实腹工字形截面，梁采用变截面实腹工字形梁（图一）。从这类结构安全性考虑，提供以下建议，供设计人员参考。

图一

2、 规范的选用

吊车起重量大于20吨的门式刚架类型的钢结构厂房，已超出了门式刚架规程适用范围，应按钢结构设计规范的要求整体分析和控制。屋面梁受弯的同时存在一定的轴力，应该按压弯构件计算；由于钢结构设计规范中梁是按纯受弯构件进行计算，不会考虑轴力的影响，且钢结构设计规范没有具体给出变截面梁压弯构件计算公式，如果仍按钢结构设计规范计算，有些不妥，应该按压弯构件验算强度和稳定，因此建议屋面梁按门式刚架规程计算公式进行验算。

3、 柱计算长度

钢结构设计规范5.3.4条规定了单层厂房阶性形柱的计算长度的计算方法。 当粱与柱刚接连接时，采用钢结构规范STS程序自动按附表D-4、D-6确定刚接排架柱的计算长度。附表D-4、D-6是根据柱顶能移动但不转动，柱底固接，各阶柱线刚度确定的计算长度系数。一般实腹柱与实腹梁刚度很难达到这种约束条件，这样可能会导致各阶柱计算长度系数偏小的情况，计算结果偏不安全。如果厂房跨度比较大，屋面梁与上柱的截面刚度相差不大的情况下我们可以近似柱顶设为铰接，按照钢结构规范附表D-3、D-5铰接排架柱确定柱的计算长度系数验算柱的稳定，这是一种偏安全的处理办法，当然精确的计算需要靠有限元方法来完成。

4、 侧移的控制

门式刚架规程规定有吊车驾驶室刚架柱顶位移设计值限值为1/400，钢结构设计规范附录A.2规定风荷载标准值作用下有桥式吊车的单层框架的柱顶位移限值为1/400，因此，在水平力作用下（吊车水平力、风荷载）大于20吨的吊车的刚架柱顶位移设计值限值建议控制在 1/400。在地震力作用下，尤其是高烈度地区，如果柱顶位移控制在1/400需要截面做得很大，显得很不经济，我们可以参考建筑抗震规范框架的位移1/250控制。

吊车梁顶面处由一台吊车水平荷载所产生的变形，钢结构规范只对A7、A8重级吊车厂房作了规定：Hc/1250（按平面结构图形计算），对轻、中级没有做具体规定。轻、中级吊车梁顶面处变形设计人可根据具体情况和以往的经验灵活把握，最低要求不能超过1/400；同时要求避免由于变形太大出现卡轨，影响吊车正常运行。对于中级工作吊车吊车梁顶面处变形笔者建议宜按1/750控制。

5、 结语

本文简述了大吨位吊车门式刚架在设计过程常遇的一些问题，做了一些总结和建议，以便于设计人员之间的交流和提高，做到设计既经济合理，又能保证安全。

参考文献

(1) 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［M］.CECS102:2002.中国计划出版社，2003.

篇（3）

关键词临时立柱 临时立柱基础 连系梁截面

中图分类号：TU921 文献标识码：A 文章编号：

1引言

一号桥站是成都地铁3号线一期工程中的一个中间站，无换乘，为地下二层双柱三跨12m岛式车站，本站两侧区间为盾构区间，盾构机从北向南过站。车站位于红星路-府青路与建设北路-星辉东路交叉口，主体沿红星路-府青路布置，附属分布在红星路-府青路两侧，A出入口及1号风道部分处于机动车路面下的围护结构采用盖挖法施工。

A出入口及1号风道长63.6m，宽26.8m,第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，混凝土支撑截面采用600mm×800mm，第二道支撑采用钢支撑,钢支撑采用Φ609，t=14mm。沿长度方向设置一排临时立柱。临时立柱上第一道连系梁采用截面为600mm×800mm的钢筋混凝土连系梁，第二道连系梁采用双拼40C槽钢。围护结构平面布置图如下图所示：

2临时立柱和连系梁设计

2.1临时立柱截面设计

临时立柱根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）按轴心受压构件计算，其轴向力设计值：

（Nzl—水平支撑及柱自重产生的轴力设计值；Ni—第i层支撑轴力设计值；n—支撑层数）

临时立柱采用格构柱截面采用4根等边角钢L125X125X14,四块缀板300X300X10间距是600mm， (临时立柱高7.4m)，一边高度方向约为9块缀板，查型钢表角钢的线密度:26.2kg/m.缀板的线密度=0.3*0.1*7.85*1000=233.5kg/m.

因此格构柱自重：

联系横梁采用槽40C,重：

混凝土撑作用在立柱上自重：

钢支撑作用在立柱上自重：（支撑共1道）直径609mm壁厚14mm其线密度为：205.429kg/m，

故：

根据里正深基坑的计算结果：第一道混凝土支撑的最大轴力标准值N=328.73kN，第二道钢支撑的最大轴力标准值N=512.02 kN,

军便梁上传递的荷载：

总共作用在立柱上的荷载值：

立柱长度：L=7.4m

立柱两端铰接，钢支撑长度系数：；

立柱计算长度：

根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)的规定：

根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)5.1.3条查型钢表L125X125x14如下图所示的截面特性：

， ,,

根据材料力学知识计算该组合截面的惯性矩：(格构柱截面400x400)

《根据钢结构设计规范》(GB50017-2003)分肢对最小刚度轴的长细比，其计算长度取为：焊接时为相邻两缀板的净距离l=600mm。

则换算长细比：（根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)5.1.3-3式）

根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)表5.1.2对于格构柱的截面分类对X,Y轴均为b类。

采用Q235B级钢，查《钢结构设计规范》(GB50017-2003)附表C-2

轴心受压构件的稳定性系数：

根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)5.1.2式）计算稳定性：

(稳定性满足要求)

根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)5.1.1式）计算强度：

（强度满足要求）

结论：临时立柱采用直径截面为400x400mm，四角采用L125x125x10的角钢，缀板采用300x300X16,缀板净距600mm的格构柱满足要求。

2.2临时立柱基础设计

根据《建筑桩基规范》(JGJ94-2008)（5.3.6式）单桩承载力标准值：（立柱桩径为1200mm，根据≤建筑桩基规范≥(JGJ94-2008)属于大直径桩）

根据≤建筑桩基规范≥(JGJ94-2008)表5.3.6-2（碎石类土层），大直径桩侧阻，端阻尺寸效应系数分别为：

桩周长：

根据《成都地铁3号线详细勘察阶段一号桥站岩土工程勘察设计参数建议值表》：桩的极限侧阻力和端阻力的标准值分别为：，立柱轴向力设计值为：1725.102kN。

=3.14x0.87358x120x3.5+0.87358x2500x1.1304

=1152.08+2468.74=3620.82kN

承载力特征值：

R=Quk/2=1810.4>1725.102

故承载力满足要求。

2.3连系梁的设计

第一道临时联系横梁采用两道槽40C钢。

联系梁跨度取L=5.0m

联系梁自重:

联系梁上作用混凝土撑（截面600X800）传来集中力（取联系梁段第二道钢支撑480.5kN）：

（取支撑自重+轴力的10%作用在连梁上）

假定钢支撑集中力作用在跨中(按最不利位置考虑)，则

支座处最大弯矩：

两道槽40c钢抗弯截面系数：

第二道临时联系横梁采用两道槽40C钢。

联系梁跨度取L=5.0m

联系梁自重:

联系梁上作用钢支撑（直径609，壁厚14mm,传来的集中力（取联系梁段第二道钢支撑轴力标准值501.12kN）：

（取支撑自重+轴力的10%作用在连梁上）

假定钢支撑集中力作用在跨中(按最不利位置考虑)，则

支座处最大弯矩：

双槽40c钢抗弯截面系数：

满足要求。

参考文献

[l] 《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

[2] 《建筑桩基规范》(JGJ94-2008)

篇（4）

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

引言

预应力外包U型钢混凝土组合梁结构体系是通过薄钢板直接冷弯或用冷弯薄壁型钢焊接成U型截面，然后截面内部填充混凝土作为T行梁的肋部，翼缘为现浇混凝土板，使用后张法施工在受拉区施加预应力，使构件起拱以满足控制裂缝宽度和满足更大跨度的要求。外包钢与内部混凝土变形协调，共同受力。这种结构克服了钢筋混凝土抗拉强度低的弱点，提高了钢材的屈曲承载力，改善了结构的延性，使其整体稳定性优于钢结构和型钢混凝土组合结构；另外U型钢部件可以作为组合梁的永久性模板，施工方便。目前，针对预应力外包钢混凝土组合梁的研究已经得到国内外工程界的广泛关注，本文在此情形下建立了预应力外包U型钢混凝土组合梁正截面受弯承载力的计算公式，具有现实意义。

计算的基本假定

根据《钢结构设计规范》和《混凝土结构设计规范》的有关规定，现对预应力外包U型钢混凝土组合梁正截面抗弯承载力计算假定如下：

（一）、平截面假定。弯曲过程中梁的截面仍保持为平面并且与变形后的梁轴垂直。横向剪应变为0，横向纤维无挤压，梁轴无水平方向伸缩。

（二）、计算中的混凝土压应力取等效矩形应力，并且不考虑混凝土抗拉强度。

（三）、在混凝土翼缘板的有效宽度范围内，外包U型钢与混凝土之间有可靠的抗滑移措施，在这一宽度内，认为混凝土与外包钢可以形成组合截面共同工作。

（四）、组合梁在弯矩作用下由于外包钢内填充了混凝土而不易发生钢梁的局部破坏和侧向屈曲。

三、极限抗弯承载力的计算

基于以上假定，根据构件截面中和轴位置的不同，讨论组合梁正截面受弯承载力。

（一）、塑性中和轴在混凝土翼缘板内

图1 弯矩作用下组合梁正截面应力形式（1）

此时满足条件：

其中：——受压钢筋屈服强度

——预应力钢筋抗拉强度设计值

——分别为翼缘与腹板钢材的屈服强度，底版钢材的屈服强度

——混凝土轴心抗压强度

——混凝土等效矩形应力系数。当混凝土强度等级不超过C50时，分别取1.0和0.8。

——受压钢筋面积

——预应力钢筋面积

——分别为外包钢腹板、底板、翼缘板的面积

由力的平衡条件：

此时，混凝土受压区高度为：

对中和轴取矩得到预应力组合梁的极限受弯承载力：

其中：——组合梁极限受弯承载力

——外包U型钢底板厚度

（二）、塑性中和轴在外包U型钢腹板内

图2 弯矩作用下组合梁正截面应力形式（2）

此时满足条件：

由力的平衡条件：

此时，混凝土受压区高度为：

对中和轴取矩得到预应力组合梁的极限受弯承载力：

其中：——受拉区预应力钢筋至受拉边缘的距离

结论

根据以往对梁的实验和理论分析来看，梁的破坏形态有三种：正截面受弯破坏；斜截面受剪破坏；组合梁混凝土翼缘板与钢腹板交界处纵向滑移破坏。在满足抗剪滑移的前提下，本文根据钢结构设计规范和混凝土结构设计规范的要求推导出的公式是合理的。

参考文献

GB50010-2002 混凝土结构设计规范【S】.北京：中国建筑工业出版社，2002

GB20017-2002 钢结构设计规范【S】.北京：中国建筑工业出版社，2003

篇（5）

Abstract: a complex engineering being long 100 meters, width 21 meter glass corridor, the steel structure stents to support. The steel structure in support of their own strength, bearing capacity, deformation link ability; At the same time, considering the deformation of the concrete structure of steel structure stents influence; In addition, through the whole stability of the finite element analysis, effectively reduced the component sections.

Keywords: glass corridor, steel structure bracket, and the overall stability finite element analysis

中图分类号： TU391文献标识码：A文章编号：

一、引言

随着我国经济的迅速发展及钢材产量的日益增加，钢结构长廊在建筑行业得到广泛的应用。钢结构一方面可长廊化制作，减少现场施工的工作量，施工周期短，同时由于其自重轻、结构荷载小，减少了地基处理的工作量和费用，并有利于抗震，给投资方带来较好的经济效益和社会效益；另一方面由于其材料本身的性能好，强度高，与钢筋混凝土结构相比结构断面小，在长廊布置中可以节省一部分空间，更容易满足工艺灵活布置的要求。根据现行《钢结构设计规范》的规定，承重结构应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计，而承载能力极限状态包括构件与连接的强度破坏、疲劳破坏和因过渡变形而不适应继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和倾覆；正常使用极限状态包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用或耐久性能的局部破坏。然而一般设计人员多关注结构的强度与变形问题，对结构稳定问题的关注程度远远不够。根据笔者在钢结构设计中的一些经验，认为一个成功的玻璃长廊钢结构设计必须解决好其稳定设计及构造措施的问题，且在使用规范过程中尚应避免孤立或片面地对规范条文进行理解。

二、工程概述

某塔楼裙房屋面在N-02~N-05轴线间存在长度达100米，宽度达21米用于覆盖走廊的玻璃罩，玻璃罩大部分是从FL.05M（标高+21.700m）与FL.05（标高+23.700m）开始，但在N-X轴线以北存在一部分从FL.01（标高+0.00m）开始的玻璃罩。

考虑到钢结构截面较小，对建筑立面的影响小，并且可以在主体结构完工后再施工上面钢结构部分，因此玻璃罩的支承系统采用钢结构。由于部分支承玻璃连廊的钢架构支架从裙房混凝土结构楼面升起，部分从地面升起，因此钢结构支架柱的长度不一致，计算长度也不一样，其对稳定的要求也不一样。

由于钢结构柱的长度不一致，嵌固位置不一样，因此采用大型空间结构分析有限元程序Sap2000进行分析。

二、线弹性的分析

对于支承玻璃罩的钢结构系统，进行了竖向荷载、风荷载、地震作用、温度作用以及支承钢结构系统的下部混凝土结构的相对位移作用下的受力分析，以验算其是否具有足够的承载力和刚度。

（1）在竖向荷载（DL+LL）作用下，钢结构系统的变形如下图所示，其最大挠度为41mm，为其跨度（21m）的1/512，满足规范不大于1/400的要求。

（2）在风荷载和地震作用下，钢结构的变形见下图，在风作用下的最大侧移为27mm，层间位移角为1/407，满足《钢结构设计规范》GB50017-2003中层间相对位移不超过1/400的要求；在地震作用下最大侧移为3mm，层间位移角为1/3667，远小于抗震规范的限值1/300。

风荷载作用下变形简图 地震作用下变形简图

（3）在30摄氏度温差作用下，钢结构中产生的轴力分布见下图，产生的最大轴力为251.923kN，此轴力在截面上产生的应力仅为3.5MPa，可见温度变化对于钢结构系统的影响很小。

（4）钢结构系统的下部裙房两部分之间在风荷载和地震作用下产生的最大相对位移差分别为2.331mm和2.097mm，在这两种相对变形作用下钢结构中产生的轴力见下图，两种情况下产生的最大轴力分别为9.87kN和8.93kN，此轴力在截面上产生的应力分别为0.144Mpa和0.131MPa，可见由于下部相对变形较小并且上部钢结构系统的相对刚度较小，下部结构相对变形在上部钢结构中产生的应力基本上可以忽略不计。

风荷载作用下底部位移差产生的轴力 地震作用下底部位移差产生的轴力

三、钢结构整体稳定性的分析

稳定性是钢结构设计中的一个突出问题，在各种类型的钢结构设计中，都会遇到稳定问题。该问题也是钢结构设计中急待解决的主要问题，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，甚至会造成人员的伤亡，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大多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，造成结构设计中出现不应有的薄弱部位。因此，在设计中应该明确在钢结构稳定设计中的一些基本概念，才能更好地处理钢结构稳定问题。

由于钢结构支架柱的长度不一致，计算长度也不一样，直接从地面升起的钢结构支柱若要按照《高层民用刚结构技术规程》JGJ-99-98中框架柱长细比要求进行设计的话，构件断面需要边长为1300mm的钢管柱，但承载力富余非常大。而从裙房混凝土结构屋面升起的钢结构柱，构件断面仅需要边长为600mm的钢管柱。为了建筑美观、同时也为了节省造价，避免不必要的浪费，统一将所有钢结构支架柱取为断面为600mm的钢管柱。钢架构支架的整体稳定以及钢结构支架柱的杆件稳定都通过整体屈曲分析验算进行保证。

采用Sap2000进行整体验算时，为了真实反映结构的屈曲特性，将钢结构杆件进行细分，所有细分后的单元长度都不超过1米。

为了验证钢结构系统的整体稳定性，进行了了几种荷载组合工况下的特征屈曲分析。这几种荷载组合工况下发生第一阶屈曲时的荷载系数如下表所示：

荷载组合工况 第一阶屈曲模态的荷载系数

1.35DL+0.98LL 59.16311

1.2DL+1.4LL 63.63906

1.2DL+1.4LL+0.98WINDX 63.30373

1.2DL+0.98LL+1.4WINDX 62.98228

1.2DL+1.4LL+0.98WINDY 63.93550

1.2DL+0.98LL+1.4WINDY 66.41098

上表中荷载系数的意义是：在该种荷载工况作用下，发生屈曲时所需施加的荷载是已经施加的荷载的倍数。通常荷载系数大于10就可以认为结构整体稳定没有问题，不需要作进一步的分析，同时也可以不考虑P-Delter效应的影响。从上表中可以看出，在几种荷载组合工况下的荷载系数都远大于10，因此钢结构系统的整体稳定性没有问题。

四、结论

从上面的分析结果可知：该支承玻璃长廊的钢结构支架系统，在荷载因素非荷载因素作用下的承载力、刚度、变形能力都满足要求。同时也满足正常使用状态下玻璃长廊的使用要求。另外，通过钢结构整体稳定验算，不仅保证了钢架构支架的整体稳定和支架柱的杆件稳定，同时避免了按照规范要求所导致的构件断面过大，不美观、不经济的问题。

参考文献

[1] 《钢结构钢结构设计规范》（GB50017-2003）

[2] 《门式刚架轻型房屋钢结构刚结构技术规程》（CECS 102:2002）

[3] 夏志斌,潘有昌 结构稳定理论. 高等教育出版社. 1988.

[4] 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南. 中国建筑工业出版社，1995.

篇（6）

关键词：轴心受压柱；箱型焊接截面；整体稳定；有限元分析

Key words: column under axial compression; box welded column; overall buckling; the infinite element analyze

中图分类号：TH12 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）36-0157-03

0引言

自从人类开始应用钢结构以来，钢结构的发展始终是与钢材材料特性和生产工艺的发展紧密相连的。正是钢材材料的不断改进，提高了钢结构的承载力、经济性能和使用性能，促进了钢结构的发展和应用。对于轴心受压构件的受力性能与设计一直以来都被认为是钢结构设计的基础与重点。建筑工程部于1954年颁布的《钢结构设计规范试行草案》，代号规结-4-54[1]，就有了我国的第一条柱子曲线。此后，钢结构设计规范经历了74版，88版，一直到2003年4月建设部批准并颁布的2003版GB50017―2003《钢结构设计规范》[2]，我国对于轴心受压钢构件的研究已处于世界领先水平。但是随着材料科学的进步与冶金工艺的发展，高性能的钢材在机械、船舶、桥梁、建筑工程领域的应用已越来越多。针对钢材性能改善，对于钢结构受力性能及设计的研究亦需要不断完善。

1压杆缺陷的影响

轴心受压钢构件极限承载力的设计计算是以现实钢压杆缺陷为前提，以强度、稳定理论为基础建立起来的。现实的钢压杆是用弹塑性材料制成的，它既有几何缺陷又有力学缺陷。几何缺陷主要是杆件并非直杆，或多或少有一点初始弯曲，也可能有一点初始扭曲。另外，截面并非完全对称，组合截面的制造偏差和构件安装偏差都可以使荷载作用线偏离杆件轴心，从而形成初始偏心。力学缺陷包括屈服点在整个截面上并非均匀以及存在残余应力。上述缺陷中对压杆性能影响最大的是初始弯曲和残余应力。初弯曲的存在使轴心压杆丧失稳定的性质发生了改变，这里不再累述。

残余应力在压杆截面内的分布变化多端，它既和轧制后的冷却、焰割、焊接等过程有关，也和材料厚度和截面组成形式有关。同一型式但尺小不同的截面，残余应力分布还会有不小的差别，如轧制H型钢翼缘的残余应力有时更接近于线性分布。轧制型钢残余应力的绝对值不受其屈服点的影响。因此，随着材料屈服点提高，残余应力的影响相对降低。焊接截面在焊缝处一般都有高达材料屈服点的残余拉应力。如果它的位置在截面的边上，和它相平衡的残余压应力又不大，则残余应力对压杆的不利影响就不显著。由于焊接残余应力的大小和材料屈服点无关，材料强度很高的焊接截面（f>430N/mm2）的残余应力可能达不到fy，它的影响也会比普通钢材焊接截面的低，但低的程度和轧制型钢的不完全相同。残余应力对压杆性能的影响程度，主要取决于残余压应力的大小，它的变化情况、分布宽度以及在截面上占据的部位。原因是残余压应力使压杆的一部分提前屈服，从而削弱杆件的刚度。

Rasmussen[3]等于1995年制作了6个焊接箱型柱，测定其残余应力及极限承载力，试件的截面尺寸及主要参数如表1、图1所示。从图表中可以显示上述箱型焊接截面残余应力的分布情况。本文应用文献试验数据，用以第3节进行有限元模型计算对比。

2轴心受压钢构件受力性能

2.1 轴心压杆的失稳形式

轴心压杆承载能力的极限状态是丧失稳定，完善弹性挺直杆失稳的临界力，可以由著名的欧拉公式算得，这些都是学过材料力学的人所熟知的。欧拉公式所给出的临界力：

NE=π2EI/L2（1）

是杆件能够继续保持直线平衡形式的极限荷载，达到这一荷载后杆件就发生弯曲变形。然而，丧失直线形式的平衡并不一定是由直变弯，也可能由直变扭，即里扭转屈曲：

N=（GIt+）（2）

式中：GIt是杆自由扭转刚度；EIω是杆约束扭转刚度。i0是截面关于剪心的极回转半径。

一根具体的轴心压杆，达到承载能力的极限状态时究竟呈弯曲屈曲还是扭转屈曲，要看它的材料和截而特征EI，EIω，GIt以及长度l的大小。在工程实践中，抗扭性能低，有可能出现能出现N

除了弯曲屈曲和扭转屈曲外，轴心压杆还有另外一种可能的失稳形式，即弯曲和扭转同时发生的弯扭屈曲。只有一个对称轴的截面，剪心S和形心O不重合。当杆件绕对称轴oy弯曲时，产生的剪力不经过截面剪心，必然导致杆件扭转。因此，当截面绕对称轴弯曲刚度较小，扭转刚度也不大时，弯扭屈曲成为这种杆件承载能力的极限状态。

对两端铰支且翘曲无约束的弹性杆，弯扭屈曲临界力 由下式计算，即：

i20（Ny-Ny）（N-Ny）-N2yy2s=0（3）

式中 为按欧拉公式计算的绕y轴弯曲屈曲的临界力； 为由式（2）计算的扭转屈曲临界力，ys为剪心坐标。

此式可以化成：

Ny/Ny+Ny/N-k（）=1（4）

如果轴心压杆采用没有对称轴的截面，则剪心坐标不仅y不为零，xs也不为零。这时绕两主轴弯曲都会伴随有扭转，使临界荷载总是低于弯曲屈曲临界力，也低于扭转屈曲临界力。不等边的单角钢就属于这种情况。这类截面的杆件实际很少用作压杆，也不宜采用。

2.2 轴压构件极限承载力的设计计算

对轴心受压构件的稳定计算采用多条柱子曲线开始于上个世纪七十年代。

美国里海大学（Lehigh University）的研究者于1972年提出了3条柱子曲线，代表112条曲线分成的3组，曲线1由30条曲线经统计得出；曲线2由70条曲线经统计得出；曲线3由12条曲线经统计得出。

112条曲线都考虑了初弯曲和残余应力，采用最大强度理论得出[4]。美国钢结构协会（American Institute of Steel Construction）在其颁布的规范[5]中参考了上述研究成果，不过只采用了第2条柱子曲线，即采用单一柱子曲线。欧洲标准化协会（European Institute for Stand-ardization）于2005年颁布了钢结构设计规范EN1993[6]。和以前的试用版仅为推荐使用、没有强制约束效力不同，本次颁布的EN 1993规定其28个成员国应在2010年之前全面修改本国的设计条文，以符合EN1993的规定。

EN 1993推荐了5条柱子曲线用于轴心受压构件的设计。我国钢结构设计规范GB50017[2]是在1988年颁布的钢结构设计规范的基础上修改而成。

新规范在保留老规范的3条柱子曲线的基础上增加了第4条柱子曲线用于厚板截面的设计。

我国钢结构设计规范GB-50017，轴压构件承载力的设计公式为：

NRd=φAf

其中f为钢材的强度设计值，整体稳定系数φ如图所示

为了使用方便，φ曲线还应该用比较简便的公式来表达。公式采用Perry型式可以得到和曲线很接近的结果，即：

（1-φ）（1-λ2φ）=a（λ-0.2）λ （5）

或

φ=（6）

对于欧钢协的a，b，c三条曲线，a分别取为：

a 曲线，a=0.206

b 曲线，b=0.339

c 曲线，c=0.489

板件厚度超过40mm的重型截面，翼缘外边缘的残余压应力很高。欧钢协还为此增添了一条比c曲线更低的d曲线，它的a值可取为0.759。

我国为了采取多条柱曲线，做了大量计算分析和一部分实验。结合我国的应用情况，重点放在焊接H型钢和双角钢组合截面上。其他截面如普通工字钢、T形钢和钢管等也做了分析，最后归纳出三条曲线。

和欧钢协的曲线不同的是没有λ从0-0.2时的水平段。常用的双角钢T形截面、焰割边的焊接工字形截面以及格构式截面都归入b曲线。因此b曲线将是设计中用得最多的曲线。

2.3 轴压构件极限承载力的设计计算比较

设计计算算例：fy=345MPa，E=2.1×1011Pa，长细比λ=30，80，150，按照美国钢结构设计规范（AISC 360-05），欧盟钢结构设计规范（EN1993）和我国钢结构设计规范计算得到的整体稳定系数如表2所示。

由表中数据的比较可见，在工程常用的λ=80时，AISC规范的柱子曲线介于EN 1993和GB50017的a， b曲线之间。与EN 1993相比，GB 50017的a曲线略高于EN 1993中的a曲线。

3有限元模型计算比较

本文计算的6个超高强度钢材焊接工形轴心受压柱的几何属性如图3和表1[1]所示，表1中，L为柱的长度，e为柱中截面处的总的几何初始缺陷，等于柱中截面处的构件初弯曲V0和荷载的初偏心e0之和。试件所用钢板为焰切边，采用气体保护金属极电弧焊焊接成工形截面。

有限元模型计算使用ANSYS通用有限元软件。柱子采用BEAM188单元，每根柱沿长度方向划分为50个等长单元。箱型截面采用PLANE82单元自定义划分网格，存为截面信息文件。模型单元划分见图3。

模型采用Mises屈服准则和双线性随动强化BKIN模型模拟理想弹塑性钢材本构关系。

残余应力采用文献[3]实测残余应力值如表1所示 ，建立初始应力文件，在分析时每个截面单元积分点从初始文件中读入相同的残余应力值。

有限元计算得到的典型试件的极限变形状态（z轴方向位移）。有限元计算得到的所有试件的极限承载力及其与试验结果的对比如表3所示，其中，test为试验值，RS表示采用残余应力分布模式用有限元计算得到的结果。

表3显示了六根柱的极限承载（RS项）与计算模型的计算结果（TEST），从其结果的比较可以看出，残余应力的变化对钢材焊接箱形截面轴心受压柱整体稳定承载力的影响较小，这与已有的相关研究结论一致。

4结论

通过对上述轴压钢构件受力性能与设计计算的研究，可以得到以下结论：

①通过对压杆缺陷的各因素比较分析，得出杆件的残余应力对极限承载力影响最为严重，并且随着材料屈服点提高，残余应力的影响相对降低。

②AISC 360-05采用单一柱子曲线，因而不能充分考虑加工工艺、残余应力等因素对各种截面构件稳定承载力的影响；EN 1993和GB 50017分别采用5条和4条柱子曲线，较为科学的。

③通过有限元模型计算结果与已有文献试验的比较，得出考虑了几何初始缺陷与残余应力的有限元分析可以准确地计算试件的极限承载力。因此，可用来分析比较各种因素（截面形状、材料性能、残余应力、初弯曲、初偏心等）的影响，能较方便的绘制出多柱子曲线。

参考文献：

[1]中华人民共和国建设部.规结-4-54，钢结构设计规范试行草案[S].1954.

[2]GB 50017-2003 中华人民共和国建设部. 钢结构设计规范[S].2003.

[3]K. J. R. RASMUSSEN， G. J. HANCOCK. Tests of high strength steel columns[J]. Journal of Constructional Steel Research， 1995，34（1）：27-52.

篇（7）

中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：

工程概况

本工程为烟台恒达机械有限公司厂房。轴线尺寸为150mx（90m+1m+90m），柱距为7.5m。30m六连跨。1～4轴线为顶棚厂房，5～8轴线为厂房。1～2轴线跨内设有一台中级软钩桥式30T/5T吊车，及一台中级软钩桥式20T/5T吊车；2～3轴线、5～6轴线及6～7轴线跨内设有两台中级软钩电动梁10T吊车；3～4轴线跨内设有两台中级软钩桥式20T/5T吊车；7～8轴线跨内设有一台中级软钩电动单梁10T吊车及一台中级软钩电动单梁5T吊车，牛腿标高均为8.200。顶棚厂房及厂房标高1.200以下为砖墙，顶棚厂房及厂房标高1.200以上均为单层压型钢板；屋面均为单层压型钢板。厂房屋面含有采光及口径为500mm的通风器，具置见建筑施工图，檐口标高为13.000，轴线1，4、5及8设有组织内天沟排水，屋面排水坡度8％。

结构设计

2.1 荷载取值

⑴、屋面恒载： 0.30KN/m2（不含刚架自重）

⑵、屋面活载：0.50KN/m2

⑶、基本风压：0.55KN/m2（n=50）（地面粗糙度为B类）

⑷、基本雪压：0.40KN/m2（n=50）

⑸、详见《山东光明起重机械有限公司》产品样本，其中：（a）、“中级软钩桥式30T/5T”依据“中级软钩桥式32T/5T”；（b）、“中级软钩电动单梁10T、5T吊车”分别依据“中级软钩桥式10T、5T吊车”。

⑹、抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g：第一组。

2.2 结构选型

根据建筑设计和使用要求，此工程的结构安全等级为二级。

㈠、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程――总则》1.0.2本规程适用于主要承重结构为单跨或多跨实腹式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1~A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构的设计、制作和安装。因此本工程1～4轴线处刚架已经超出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定，按参照《钢结构设计规范》刚架的规范检验需满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的相关说明，开始方案选型时,①选用格构式钢柱（ 吊车吨位≥50t 时选用）（缀板，缀条及靴梁）用钢量太大、②选用上下阶柱（ 吊车吨位≥20t 时选用）上下阶截面悬殊不大、③采用上下统一的截面，经过比较，采用此种。但是5～8轴线处刚架可仍参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》。

㈡、此工程原方案设计横向180m未设温度伸缩缝，然而参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定：4.3.1门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度（伸缩缝间距）应符合下列规定：纵向温度区段不大于300m，横向温度区段不大于180m，设置双柱。（详见附图一）

㈢、参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定：4.5.2支撑和刚性系杆的布置宜符合下列规定：7 在设有带驾驶室且起重量大于15t桥式吊车的跨间，应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架。（详见附图二）

㈣、在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定：6.5.3刚架柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向风荷载，吊车纵向制动力及地震水平作用力。（详见附图三）

㈤、在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定：8.2.5 构件的安装应符合下列规定： 10 刚架和支撑等配件安装就位，并经检测的校核几何尺寸确认无误后，应对柱脚底板和基

础顶面之间的空间采用灌浆料填充。二次灌浆的预留空间，当柱脚铰接时不宜大于50mm，柱脚刚接时不宜大于100mm。（详见附图四）。上述众多说明是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102：2002与《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102：98不同之处。

2.3设计计算

此工程采用PKPM-STS 钢结构设计软件进行分析，该软件经过专家鉴定，目前在众多设计院使用，该软件是安全、可靠的。该程序进行内力和位移的分析、计算，而且许多设计参数要认为设定，除生成结果文件pk11.out但是好多同行仅看配筋包络和钢结构应力比图，往往忽略超限信息输出。

2.4结果分析

由于本工程1～4轴线处刚架已经超出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定，这样在梁应力及挠度满足《钢结构设计规范》，规范检验的前提下，梁柱截面――腹板高厚比，翼缘的宽厚比还应满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010要求。这一点容易引起很多同行的忽视。但是5～8轴线处刚架可仍参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》。

三，结论

通过该工程的设计，可以系统的了解设计过程，并且注意一些容易忽视的细节，让同行引以为鉴，更好的解决设计过程中的一些实际问题。关于设计过程中支撑布置、柱脚设计、屋面次结构设计、吊车梁及车挡等相关构件的设计，因各钢结构教程及设计手册中叙述过多，在此不在累述。

参考文献

主编单位：中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会中国建筑标准设计研究所

门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS 102:2002）。北京：中国计划出版社，2003

中华人民共和国建设部主编，建筑结构荷载规范（GB 50009-2001）。北京：中国建筑工业出版社，2002

中华人民共和国建设部主编，建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）。北京：中国建筑工业出版社，2010

篇（8）

中图分类号：TP319；TD53 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0120-02

1 目前钢结构井架常用的计算方法

1.1 传统的计算方法

以前钢井架的计算大多将其简化为平面桁架结构，对荷载进行简化和分析，然后根据钢结构设计规范进行计算。这种计算方法，对于规则的井架结构，计算精度尚能满足要求。但对于稍微复杂的钢结构井架来说，该计算方法就显得力不从心，其计算精度也很难满足工程需要。

1.2 现代钢井架的设计方法

随着计算机技术的发展，国内外能够进行钢结构设计的软件如雨后春笋般开发出来。和传统的计算方法相比，这些软件都可以空间建模，实现空间井架结构的计算与分析。SAP2000软件被誉为结构分析与设计软件的常青树，SAP是“Structural Analysis Program”的缩写，从它的缩写也可以看出，该软件主要应用于结构的设计与分析。

2 基于SAP2000的钢井架结构设计

2.1 SAP2000简介

SAP2000是美国CSI公司产品，在世界范围内广泛应用[1]。除去满足的构造及使用功能之外，钢结构井架设计的核心工作就是对各构件的截面进行设计。传统的设计方法都是初选构件截面尺寸，然后进行受力验算，从而判断截面的选取是否满足要求。对于设计者来说，截面不能选太大，当然也不能太小，确定构件截面的过程是一个反复试算的过程，工作量相对来说很大。SAP2000恰恰在这方面有其独特之处，它可以根据程序设定的位移或周期目标对构件截面进行分析，如果截面不满足要求，程序可以自动选择截面再进行计算，重复这个过程，直至截面满足要求为止。所以，SAP2000在钢结构设计方面优势明显[2]。

2.2 基于SAP2000的钢井架结构设计

某煤矿矿井，拟设计井架为单斜撑式钢井架，单绳提升。拟设计钢井架立架四角柱及主斜撑均采用H型钢HM390×300×10×16，立架四角柱之间用H型钢HN350×175×7×11在水平方向相连。其余构件选择的型钢型号有H型钢HN194×150×6×9、角钢L75×8等。因井筒防坠缓冲装置、罐道拉紧装置、防撞钢丝绳拉紧装置皆设于天轮平台之上，天轮平台为井架主要受力部位，设计天轮平台采用40号工字钢作骨架。

2.2.1 计算的一般规定

《矿山井架设计规范》5.1.1明确说明，井架结构的荷载效应可按弹性理论分析[3]。井架Y构上的荷载，对不同工况进行分析，取最不利工况作为结构分析的荷载工况。根据《矿山井架设计规范》，单斜撑井架，立架支座采用钢接处理，斜撑支座简化为铰接，立架与斜撑之间由于为单绳提升所以简化为钢接。

2.2.2 SAP2000中计算模型的建立

该算例在SAP2000中的计算模型如图1所示，因天轮平台是主要受力结构，建模时将平台护栏等构件略去不计。杆件截面与杆件单元在SAP2000中可以独立定义，然后再指定给单元。该程序中，几乎涵盖了目前结构中常用的所有截面形式，这是其他软件所不能具备的。

2.2.3 井架结构线性静力分析

模型中，斜撑采用铰支座，立柱采用固定支座。以钢丝绳的破断力作为计算工况为例对井架进行分析。将作用在井架上的荷载分别计算水平分力106 kN与垂直分力396 kN，并施加在平台梁上。

篇幅所限，此处仅给出钢井架受力后的位移图（为了分析方便，图中位移大小为实际位移的60倍）。分析图2位移图可以看出，整个井架位移最大产生在平台梁上，而斜撑的位移量很小，几乎可以不计。通过提取平台梁荷载作用点处的位移发现，此处在水平方向的最大位移为3.4 mm，在竖直方向上的最大位移为3.9 mm，完全满足钢井架的使用要求。

2.2.4 钢结构截面优化设计

首先运行结构分析选项，结构分析完成后运行钢框架设计选项，进行构件截面分析。分析后，程序界面中会显示计算结果图。如果图中有红颜色的构件，表示该构件不符合要求，需要重新修改构件截面。该算例中，SAP2000计算后显示10根使用角钢L75×8的构件不符合设计要求，通过程序重新选择角钢L100×10，计算后显示构件截面符合要求。

3 结语

SAP2000软件界面友好，具有交互优化设计功能，在构件截面设计中优势明显。利用SAP2000进行矿山钢井架结构设计，操作简单，设计人员极易掌握。在今后的井架结构设计中，完全可以利用该软件完成。

参考文献

篇（9）

Abstract: In the design of steel frame, in order to carry out the stiffness, stability checking calculation of frame column, column length must be calculated by the formula, calculation lengths of a column should equal the height multiplied by the layer of post calculating length coefficient. According to the "Specification for design of steel structures" 5.3.3 to determine the calculation, changes in the scope of calculation length coefficient of steel frame of steel column are very large, so how to determine the calculation length coefficient of steel column is very important. This paper simply summarizes how to determine the design method of calculating length coefficient of steel frame columns and column.

Keywords: steel frame column; no support frame; weak support frame; strong support frame; the calculation length coefficient of elastic analysis;

中图分类号：TU2

钢框架结构分为无支撑的纯框架和有支撑框架。其中有支撑框架根据抗侧移刚度的大小，分为强支撑框架和弱支撑框架。对应不同的框架类型，采用不同的计算长度系数公式。那么我们首先应该确定框架的类型。

无支撑的纯框架指未设置任何支撑的框架结构，它的失稳形式属于有侧移失稳。强支撑框架指以无侧移模式失稳的框架。弱支撑框架是指抗侧移构件的抗侧刚度不足以使框架发生无侧移失稳的框架，它的失稳形式同样属于有侧移失稳。此处，又引出了另外一个概念，框架的失稳模态。那么如何判断结构的失稳形式呢，《钢结构设计规范》的条文解释对此做了说明，在无侧移失稳时，横梁两端的转角大小相等方向相反；有侧移失稳时，横梁两端的转角大小相等而且方向亦相同。

根据《钢结构设计规范》，当支撑结构（支撑桁架、剪力墙、电梯井等）的侧移刚度（产生单位侧倾角的水平力）满足公式

的要求时，为强支撑框架。当支撑的侧移刚度不满足上述公式时，为弱支撑框架。和分别为第i层层间所有框架柱用无侧移框架和有侧移框架柱计算长度系数算得的轴压杆稳定承载力之和。本公式的本意是对支撑部分和框架部分分担水平力的比例进行界定。当支撑抗侧刚度足够大，即满足本公式，框架分担的水平力可以忽略不计，框架因不承担水平力而无侧移。对于有侧移框架和无侧移框架的定义，其实是针对双重抗侧力结构体系中的框架，根据其水平力的分担比例来划分的。多、高层建筑通常采用框架+支撑的双重体系。在双重抗侧力结构中，框架承受的总水平力足够小，则可以假设所有的水平力都由支撑机构承受，框架本身不承受水平力，从而这个框架可以看作无侧移框架即强支撑框架。不满足上述规定的框架—支撑结构体系中的框架，则是有侧移框架即弱支撑框架。

下面，我们再来判别框架柱的设计法。目前，规范规定的框架柱的设计方法主要有一阶弹性分析法和二阶弹性分析法。一阶弹性分析法不考虑框架结构变形对内力产生的影响，根据未变形的结构作为计算图形而建立静力平衡条件，计算框架由各种荷载产生的内力，然后将框架柱作为单独的压弯构件进行设计。此时所得变形和荷载间呈线性关系，需要对框架柱进行一阶线性内力分析和稳定计算。而框架在平面内的稳定计算则用框架柱的计算长度来考虑与柱相连构件的约束影响。因此，一阶分析只是一种简化的近似方法。

二阶弹性分析设计法是以变形后的体系作为计算图形而后建立平衡条件，即考虑结构变形对内力产生影响的效应（二阶效应）。其荷载与所得变形间呈非线性关系，框架在平面内的稳定计算采用框架柱的实际几何长度。在进行二阶分析的过程中，结构构件被假定为无缺陷的理想构件。所以，为求得真实的结构内力，尚需考虑存在于结构中的各种缺陷，如框架柱的安装误差、初弯曲和残余应力等。研究认为，这些缺陷可以综合起来由附加的假象水平力（亦称概念荷载）统一体现。因此规范规定，应在每层柱顶附加假想水平力。 研究表明，影响假想水平力的因素很多，包括材料强度、框架层数、每层内柱数和柱长细比，并给出相应的修正系数。综上，。其中，为第楼层的总重力荷载设计值。为框架总层数，研究表明，框架层数越多，构件缺陷的影响越小，且每层柱数的影响亦不大。为钢材强度影响系数，强度越高，则截面相对越小，使位移增大，故影响越大。

对于无支撑纯框架，应按有侧移框架考虑，但也需要先用《钢结构设计规范》第3.2.8条判断框架是否宜用二阶分析。当符合式时，说明框架结构的抗侧移刚度较小，不可忽略侧移对内力分析的影响，宜采用二阶分析，以提高精确度。否则，可采用一阶分析，按一阶弹性分析方法计算框架柱的计算长度系数。

对于强支撑框架，按一阶弹性分析法计算。框架柱的计算长度系数按《钢结构设计规范》附录D无侧移框架柱的计算长度系数确定。其值取决于和。、分别为相交于柱上端、柱下端的横梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值。当横梁与柱铰接时，取横梁线刚度为零，即=0。当横梁的惯性矩很大，即，或时，它近似于横梁与柱刚接，取=10。对于底层框架柱，当柱与基础铰接时，取=0，当柱与基础刚接时，取=10。

对于弱支撑框架，可直接计算出框架柱的轴压杆稳定系数进行计算。。式中，、分别是框架柱用《钢结构设计规范》附录D中无侧移框架柱和有侧移框架柱计算长度系数算得的轴心压杆稳定系数。

综上，我们在进行钢框架柱的设计时，应先判断出框架类型。对于无支撑框架，应先分析宜采用一阶弹性分析法还是二阶弹性分析法。当采用一阶弹性计算内力时，框架柱计算长度系数按有侧移框架柱确定；当采用二阶弹性分析计算内力时，框架柱计算长度系数取1.0，但每层柱顶应附加假想水平荷载。对于强支撑框架，按一阶弹性分析法计算，框架柱的计算长度系数按无侧移框架柱的计算长度系数确定。对于弱支撑框架，则直接计算出框架柱的轴压杆稳定系数进行计算。

参考文献

1，《钢结构设计规范》（GB50017-2003），中国计划出版社

篇（10）

Abstract: this paper combine with the design work in the project, introduced the program some of the technical issues involved in the design process and discussion to determine program results from the structural arrangement, roof beams election shaped beam-column joints design, modeling, calculation, specification, support setting, retaining wall, wall design, several key aspects,.Key words: concrete columns; steel beams; structural design; their feelings and experiences

中图分类号：TU375 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）02-

门式刚架结构以其自重轻、跨度大、施工周期短等优点，早已成为建筑结构中应用最广泛的类型之一。近年来，由于防腐防火处理、后期维护等多方面的原因，一些业主提出采用混凝土柱代替门式刚架中的钢柱。于是，这种混凝土柱钢梁新型结构形式也得到越来越多的应用。

但是，对于设计人员而言，这种结构类型目前还没有相应的规范、标准可以参照，这给设计工作带来了很多麻烦，特别是对设计经验不丰富的新手，如果对这种结构体系认识不清楚，盲目着手设计，可能会使结构存在很多安全隐患，甚至造成结构倾覆、垮塌等工程事故。

1、工程概况

本工程为一个成品存储仓库，长90m，宽30m，位于8度地震区，业主希望采用混凝土柱---轻钢屋盖结构，檐口高5m，围护墙为砖墙。

建筑方案初步定为：现浇混凝土柱，纵向柱距7.5m，柱外侧贴砌240mm砖墙，钢梁屋架，彩钢板夹聚苯乙烯保温板屋面，坡度1:10。

2、结构平面布置

因仓库长度为90m，依据《混凝土结构设计规范》大于55m需设置伸缩缝，而依据《钢结构设计规范》，屋盖伸缩缝的最小间距也可达120m，不需要设置。针对这一矛盾，有两种方法解决：一是在纵向柱间设型钢支撑，杆件连接的螺栓孔处理成长圆孔来消化温度变形；二是设置双柱，并在双柱两侧屋盖设置横向水平支撑。

从保证仓库整体性和施工方便性角度考虑，确定选用方案一。

3、屋面梁选形

这类混合结构屋面梁的常见形式有两种：梁底面接近水平的变截面实腹钢梁和等截面人字形实腹钢梁。

底平变截面实腹钢梁结构在竖向荷载作用下，柱顶不产生水平推力及由水平推力产生的柱顶水平位移，柱底也无弯矩，柱子受力简单，内力较小，基础面积也较小，但钢梁在跨中屋脊处挠度较大，需增大梁截面，这给钢梁焊接和施工增加了难度，同时也提高了造价。

等截面人字形实腹钢梁结构在竖向荷载作用下，柱顶会产生一定的推力和水平位移，在计算和分析时比较复杂，但结构形式比较简单，制作和施工难度小，工程造价也相对较低。

结合本工程的特点及业主的要求，确定采用等截面人字形实腹钢梁。

4、梁柱节点设计

排架柱采用现浇混凝土柱，柱底刚接。

柱顶与钢梁的节点连接形式主要有刚接和铰接两种形式。

由于混凝土柱属于脆性材料，钢梁属于弹性材料，即使通过加强配筋来提高柱顶的抗弯剪能力，两者的连接也很难达到刚接要求，且节点设计和施工都比较复杂，故一般不采用刚接，而使用铰接形式。

按铰接形式设计时，人字形钢梁相当于两端铰接的折线拱，应按拱的受力特点进行计算。钢梁与柱顶一般采用锚栓连接，螺栓不传递剪力，剪力由焊接于节点板底的抗剪键承担，也有采用柱顶埋设预埋钢板的方法与钢梁拱脚连接。

对于较大跨度结构，柱顶水平推力较大，会导致柱底弯矩和柱配筋很大，基础面积也会偏大，提高了工程造价。本工程中仓库的跨度为30m，属于较大跨度结构，按1:10的坡度计算，屋脊处的矢高达1.5m，跨中弯矩和挠度都会很大，由水平推力产生的柱底弯矩也非常大。

为解决这一问题，考虑在钢梁底部增设拉杆来承受其产生的水平推力。梁柱节点采用4M30锚栓铰接，拉杆可采用圆钢或油浸钢绞线。

5、建模计算和规范选择

这类结构的设计仍可采用PKPM软件进行。用STS门式刚架的程序建模，顺序跟设计门式刚架一样，钢梁与混凝土柱的连接连接形式改为铰接，由于连接形式的不同，致使这种体系单榀刚架的受力与一般的门式刚架不同，设计时不能简单的把门式刚架的钢柱替换为混凝土柱，应采用混凝土柱与钢梁整体建模分析，并以整体分析的结果来设计基础、混凝土柱的配筋与钢梁。若把混凝土柱和钢梁分开进行设计时，往往给设计结果带来安全隐患。

在目前版本的STS中，可以考虑混凝土柱与钢梁的整体建模，整体分析，程序会自动根据整体分析的结果，按照《混凝土结构设计规范》进行混凝土柱配筋、验算，按照选定的钢梁构件验算规范进行钢梁的验算，在布置基础的情况下，也能同时根据整体分析柱底力完成基础的计算。

这类结构已经超出门规的使用范围，参数设置时，应将结构类型选择为“单层钢结构厂房”，本工程位于8度地震区，选择“考虑地震作用计算”，程序会自动按照抗震规范的规定进行控制。混凝土柱应按《混凝土结构设计规范》进行设计，满足其相应要求，钢梁应满足《钢结构设计规范》相关要求。

在挠度控制方面，考虑到所采用的轻型屋面体系对钢梁挠度不敏感，所以此处可较钢结构设计规范的挠度控制指标（L/400）适当放宽到L/250。

6、支撑布置

为保证纵向的结构整体刚度，并考虑到仓库长90m，抗震设防烈度为8度，在仓库纵向两端第二开间和中部1/3区段设置两道柱间支撑，支撑杆件连接的螺栓孔处理成长圆孔。柱间支撑设置开间同时设置屋盖横向水平支撑，在两端第一开间设置刚性系杆。两端山墙处也要设置钢梁，不能将屋面直接采用山墙承重。

7、围护墙、隔墙设计

本工程位于8度区，有抗震设防要求，围护墙和隔墙应符合下列要求：

⑴砌体隔墙与柱宜脱开或柔性连接，并采取措施使墙体稳定，隔墙顶部设现浇钢筋混凝土压顶梁。

⑵砌体围护墙采用外贴式并与柱可靠拉结。

⑶砌体围护墙在门洞口上设一道圈梁，当圈梁被门窗洞口截断时，在洞口上部增设相同截面的附加圈梁。附加圈梁与圈梁的搭接长度不应小于其中到中垂直间距的二倍，且不得小于1m；圈梁兼作过梁时按相关构造要求在梁底加筋。

⑷山墙沿屋面应设钢筋混凝土卧梁，并与屋架端部上弦标高处的圈梁连接。

⑸圈梁的构造应符合下列规定：

①采用闭合式圈梁，圈梁截面宽度与墙厚相同，截面高度不小于180mm；圈梁的纵筋采用4φ12。

②转角处柱顶圈梁在端开间范围内的纵筋采用4φ14，转角两侧各lm范围内的箍筋采用φ8@ l00；圈梁转角处增设3根直径与纵筋相同的水平斜筋。

③圈梁与柱或屋架牢固连接，山墙卧梁应与屋面板拉结；顶部圈梁与柱或屋架连接的锚拉钢筋采用4φ12，且锚固长度不宜少于35倍钢筋直径。

8、结语

虽然这类混凝土柱钢梁的结构形式越来越多见，但所有规范均未明确规定其设计方法和构造要求，设计中也一直存在很多有争议的问题，本文中的一些处理方法，也只针对该工程中涉及的问题，供同行参考。

参考文献：

[1] GB50017-2003，钢结构设计规范，中国建筑工业出版社，2003

[2] GB50010-2010，混凝土结构设计规范，中国建筑工业出版社，2010

[3] GB50011-2010，建筑抗震设计规范，中国建筑工业出版社，2010

[4] CECS102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程，中国计划出版社，2003

篇（11）

引言

伴随着我国经济的快速发展，钢结构房屋尤其是轻钢屋面结构以其自重轻，跨度大、屋面下部空间大等优点应用日益广泛，轻钢屋面结构形式有钢屋架结构、钢梁结构、圆管屋架结构、空间网架结构等。本文将介绍以钢梁和檩条作为主受力杆件的轻钢屋面，简述其设计过程，总结其常见的问题和处理办法。

轻钢屋面结构设计设计依据

-轻钢屋面结构设计依据：《钢结构设计规范》GB50017-2003、《混凝土结构设计规范》GB50010-2010、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010、《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2002、《建筑结构荷载规范》GB5009-2001(2006年版)等规范。

轻钢屋面结构设计设计内容

1、轻钢屋面荷载的选取：一般当屋面无特殊要求时，采取彩钢板作为屋面维护结构时，可取恒荷载标准值为0.3kN/m2，活荷载可依据按不上人屋面考虑取值0.5kN/m2,，依据屋面的有无积灰荷载和当地自然环境因素考虑雪荷载，此时设计时应考虑让雪荷载或不上人屋面均布活荷载两者中的较大值与积灰荷载同时考虑。屋面风荷载可依据《建筑结构荷载规范》对应章节进行取值设计。

2、屋面钢梁与混凝土柱的连接形式：依据笔者的设计经验，当屋面跨度不大于15m时，采用屋面钢梁与混凝土柱铰接，跨度大于15m时，采用屋面钢梁与混凝土柱刚接，这样设计较为合理经济。施工过程中钢梁与混凝土柱铰接很好实现。因混凝土与钢材的材料性质、施工条件等因素两者之间刚接较为困难，笔者一般通过在混凝土柱顶加短钢柱，让钢柱与混凝土柱刚接来实现此处节点刚接，或在混凝土柱顶四周预埋厚度不小于20mm厚钢板，用钢筋将四周钢板连接起来，通过混凝土的浇筑与混凝土柱形成整体，再通过钢梁与钢板焊接来实现此处节点刚接。

3、轻钢屋面结构主要受力构件设计：屋面荷载通过檩条传递给钢梁，钢梁将所受荷载传递给混凝土柱，主要受力构件为檩条、钢梁。

（1） 檩条的设计

檩条可分实腹式檩条和格构式檩条。实腹式檩条一般为卷边C型、斜卷Z形冷弯薄壁型钢；槽钢；H型钢。格构式檩条为平面桁架式、空间桁架或下撑式檩条。实腹式檩条一般应用于檩条跨度不大于9m的屋面，格构式檩条应用于檩条跨度大于9m的屋面。檩条设计时一般按单跨简支构件设计；当檩条跨度在4m~6m时，应在檩条跨中位置设置拉条或撑杆；当檩条跨度大于6m时，应在檩条跨度1/3处各设一道拉条或撑杆。檩条截面的高度实腹式一般取跨度的1/35~1/50，格构式一般取跨度的1/12~1/20。

檩条的荷载包括屋面恒活荷载、积灰和积雪荷载、风荷载、檩条自重。在活荷载的取值时需要注意的是当雪荷载小于0.5 kN/m2,，且檩距小于1.0m时，应验算1kN（标准值）施工或检修荷载作用在跨中时檩条的承载力。实腹式檩条的验算包括强度、稳定性、变形的验算。当屋面维护结构能阻止檩条侧向位移和扭转时，檩条的整体稳定性可不验算。变形验算可按照《钢结构设计规范》附录A 表A.1.1取挠度容许值[VT]≤1/200。

（2） 钢梁的设计

因钢梁与柱顶的连接形式不同，可将钢梁分为：两端铰接钢梁和两端刚接钢梁。铰接钢梁和刚接钢梁的截面形式应依据其受力情况来做截面设计：两端铰接钢梁按中心对称做成变截面-两端截面小中部截面大；两端刚接钢梁因跨度较大，通常以中心对称对钢梁按0.25~0.50~0.25来对称划分截面，将与混凝土柱相接比例为跨度的1/8段做成由大到小的变截面，距跨中为跨度的1/8段做由大到小的变截面，剩余的半跨中部部分做成小的等截面。

钢梁的验算包括强度、稳定性、变形的验算。强度按照相关公式进行即可，需要注意的是两端刚接钢梁在钢梁与混凝土柱相连接处，因弯矩和剪力同时存在，需进行梁腹板计算高度边缘处折算应力验算；稳定性须通过构造措施来满足，例如在钢梁两侧设置加劲肋、隅撑、系杆；变形可按照《钢结构设计规范》附录A 表A.1.1挠度容许值验算。

（3） 节点设计

节点设计包括：钢梁之间的连接节点和钢梁与混凝土柱的连接节点设计。

因考虑到构件运输及安装，当钢梁长度小于12m时，各节点可通过在加工场地焊接完成后运输到现场进行吊装，减少因钢梁之间连接的高空做业的危险；当钢梁长度不小于12m时，钢梁之间一般通过摩擦型高强螺栓连接，所以钢梁的节点设计有螺栓连接、焊缝连接两类。螺栓连接、焊缝连接都可以通过抗剪、抗弯计算来完成，此时需要要按照《钢结构设计规范》8.2和8.3章节考虑焊缝连接和螺栓连接的构造要求。

4、轻钢屋面结构的支撑系统的设计：轻钢屋面结构的支撑系统包括隅撑，横向水平支撑和系杆。支撑系统虽不是屋面的受力构件，但是能保证钢梁在安装和使用过程中的整体稳定性，传递水平荷载，提高屋面系统的空间作用，且能减小钢梁的平面外的计算长度。

屋面横向支撑一般设置在温度区间端部的第一、二开间，当设置在第二开间时应在第一开间相应位置设置刚性系杆；系杆在每个开间都应设置，横向水平支撑宜间隔30~60m设置；隅撑应在钢梁两侧对称布置，一般间距3.0m。横向支撑一般为张紧的圆钢、十字交叉的角钢等；系杆一般有成型钢管、十字形组合角钢，隅撑一般选取单角钢。因屋面支撑系统受力较小，一般按构造长细比来选取截面。