钢结构的优化设计

钢结构的优化设计随着我国经济的快速增长，钢结构越来越多的被应用在民用及工业建筑中。与钢筋砼结构相比,钢结构具有轻质高强的特点,其强度重量比指数是钢筋砼结构的5倍以上,可显著降低基础的造价,能显著减轻结构自重25%以上。由于钢材轻质高强,其梁柱截面尺寸相对较小,可节约使用面积;钢结构工厂化程度高,构件均在工厂加工制作,现场安装,一般比钢筋砼结构施工速度约快1.5倍,可为整个项目的安全投产争取了很多宝贵时间。同时钢结构柱网尺寸可以比砼结构大,便于使用。正因为钢结构具有以上的优点,目前钢框架结构才被广泛的应用在主厂房、准车间中。一、钢框架结构布置1、布置原则:对于平面、竖向不规则的要求与钢筋砼结构相同,抗震设计要符合“强节点弱构件、强柱弱梁、强焊缝弱钢材”的原则,对于框架,使节点的承载力高于构件的承载力,防止节点的破坏先干构件的破坏,是确保构件整体性的必要条件,但节点又不可过强,应允许地震时梁、柱节点域的板件能产生一定量的剪切屈服变形,以提高整个框架的延性,“强柱弱梁”的道理与钢筋砼结构一样,有利于提高框架的防倒塌能力;由于构件焊缝的延性,一般低于被连接构件的钢材延性,因此要求焊缝的承载力应高于被连接钢材板件的承载力,可以使构件的屈服截面避开焊缝而位于钢板件之中,从而提高构件以至整个结构的延性,螺栓连接的延性等抗震性能优于焊缝连接,重要的构件和节点宜采用高强度螺栓连接。2、柱、梁布置；钢框架柱截面形式常用的有箱形截面、H型截面、十字工形截面等。箱形截面的受弯载力较强,截面性能没有强、弱轴之分,截面尺寸可以按照两个方面的刚度强度要求而定,经济、合理,缺点是需要拼装焊接,焊接工艺要求高,加工量大；轧制宽翼缘H型钢优点是加工、杆件连接容易,但有强、弱轴之分，当层高较高时，弱轴的长细比就不容易满足；十字形截面钢柱的两侧刚度都较大，能很好的承受柱侧钢梁传来的弯矩。十字形截面钢柱的两侧刚度一致，长细比容易满足，梁柱节点也制作方便。鉴于主厂房内大型设备多，楼层荷载很重，加上有时候大层高，大跨度，使得钢柱两侧的弯矩均很大，钢柱本身的轴力也很大，这时候采用十字形截面钢柱是比较合适的。Ⅰ字形截面梁的经济跨度为6～12m,一般框架梁、次梁均选用Ⅰ字形梁。次梁是钢结构中数量最多的构件,占结构用钢量的比例较大。布置次梁时应有利于荷载均匀分布和明确传力途径。钢次梁一般宜与主梁铰接相连,连续的组合梁虽可减小梁的跨中弯矩和挠度,但与主梁受弯节点要求采用栓焊法或在钢梁上、下翼缘设置钢盖板法相连时,将增加较多的焊接工作量,实际工程中很少采用。次梁的间距一般为1.5～2.5m，在震动设备比较集中，荷载比较大的地方间距还要适量减小。3、楼板布置钢结构的楼板宜采用压型钢板现浇钢筋砼组合楼板或非组合楼板。也可同钢筋砼结构一样采用钢筋砼现浇楼板。在无抗震设防要求时,可采用予制楼板（限于厂房内埋件较多，不适用）。组合楼板在使用阶段压型钢板可作为砼楼板的受拉钢筋。压型钢板镀锌量不多,板厚不应小于0.75mm,在板底需刷防火涂料,目前防火涂料价格还是较高而且量又大,因此采用组合楼板造价一般较高。非组合楼板在使用阶段,压型钢板不代替砼板的受拉钢筋,按普通钢筋砼楼板计算。其承载力在施工阶段,要考虑由压型钢板承担未结硬的湿砼板的重量和施工活荷载。压型钢板宜采用具有防锈功能的镀锌板,板底不需刷防火涂料,板厚不应小于O.5mm,压型钢板仅做为模板使用。组合楼板、非组合楼板及钢筋砼楼板均需在钢梁顶设置圆柱头栓钉,栓钉需穿透钢板焊于钢梁翼缘上,栓钉直径d根据板跨度大小,13d19mm,柱顶间距一般≥4d,栓钉高度高出压型钢板顶面30mm以上,顶面砼保护层厚度≥15mm。浇注混凝土的压型钢板波槽平均宽度不应小于50mm，当在槽内设置栓钉等时，压型钢板的总高度不应大于80mm。二、节点设计多高层钢结构节点的受力状况比较复杂，构造要求相当严格，故节点的设计至关重要。节点设计的基本原则：1)、节点受力应该力求简捷、明确；2)、保证节点足够的强度，后于构件破坏；3)、节点连接应具有良好的延性，故设计中应采用合理的细部构造，不宜采用约束度大的和易产生层状撕裂的连接形式；4)、构件拼接一般按等强度原则；5)、尽量简化节点构造，以便于加工、安装。1、梁柱节点梁柱节点通常采用刚性连接,并通常采用栓焊混合连接;梁的上、下翼缘用坡口全熔透焊缝与柱翼缘连接,腹板用摩擦型高强度螺栓与柱翼缘上的剪力板连接,原则上梁端弯矩由梁翼缘负担,梁端剪力由梁腹板承担,在梁的对应位置设置柱的水平加劲肋。对抗震设防的结构,水平加劲肋应与梁翼缘等厚,水平加劲肋与柱采用坡口全熔透焊缝焊接,当柱两侧梁高度不等时,每个梁翼缘对应位置均应设置柱的水平加劲肋,加劲肋之间的距离不小于150mm,也可设置坡度小于1:3的加劲肋或将截面高度较小的梁腹板高度局部加大,腋部翼缘的坡度不得大于1:3。2、柱拼接、梁拼接当柱、梁长度大于14-15m左右时,不便于运输和装配,需要在工地现场进行拼接。柱接头应位于框架节点塑性区以外,一般宜在框架梁上方1.3m附近,柱接头的设计应满足极限承载力Ma≥1.2Mpc的原则(Ma:极限受弯承载力;Mpc:全塑性受弯承载力),I字形截面柱的工地接头,翼缘采用全熔透坡口焊接,腹板用高强度螺栓连接,也可采用焊接,在上柱腹板开K形坡口,要求焊透。梁接头应位于框架节点塑性区以外,即从梁端算起的1/10跨长并应大于1.6m,拼接接头由;翼缘承担弯矩,腹板承担剪力。梁的拼接主要用于梁与柱全焊接节点的柱外悬臂梁段与中间梁段的连接,连接形式有:翼缘为全溶透焊接,腹板为高强度螺栓连接;翼缘、腹板都用高强度螺栓连接;翼缘、腹板都用全溶透焊接。3、框架梁的侧向隅撑按抗震设计的框架梁,在梁可能出现塑性铰处(通常距柱轴线1/8～1/10梁跨处),梁上下翼缘均应设置侧向隅撑。主梁的侧向隅撑三、防锈、防火钢构件制作完毕后进行喷砂除锈处理,除锈等级Sa2.5;钢结构表面防护底漆两道,漆膜总厚度≥60μm,面漆颜色由业主自定;高强螺栓连接范围内的钢构件接触面不得涂刷油漆;需要现场焊接构件的焊接范围内由现场涂刷油漆;埋入式柱脚在混凝土中部分不得涂刷油漆;钢结构在使用过程中应定期进行油漆、维护。需做防火涂层的钢材表面可除锈后只做底漆涂层。主钢结构出厂时涂覆醇酸防锈底漆,干膜厚度不小于60μm,在结构安装后涂覆与底漆相容的防锈面漆。钢结构宜采用防火涂料防火,按建筑物耐火等级及构件耐火时限,根据《钢结构防火涂料应用技术规范》CECS24,选用涂料的类别及构造做法。几种常用的防火涂料，根据其厚度有：厚型防火涂料（厚度为8—50毫米，耐火时限可达0.5—3.0小时）一般用于要求极限为2.0小时以上的钢结构中；薄型钢结构防火涂料（厚度为3-7毫米），一般用于耐火极限不超过2.0小时的建筑钢结构中；超薄型钢结构防火涂料（厚度为不超过3.0毫米一般用于耐火极限不超过2.0小时的建筑结构。