钢框架结构节点设计

钢框架结构节点设计（共7篇）

钢框架结构节点设计 篇1

钢框架结构是多层钢结构建筑中常用的结构体系之一,其中梁柱节点连接是保证钢结构安全的重要部位,节点设计是否恰当,不仅影响到结构承载力的可靠性和安全性,还会对结构构件的加工制作与工地安装的质量造成影响,并直接影响结构造价,因此节点设计是整个结构设计的关键环节。

1 梁柱节点连接分析

多层钢框架梁与柱的连接可以设计成铰接、半刚性连接或刚性连接。在实际工程中为简化计算,通常假定梁与柱的连接节点为完全刚接或完全铰接。半刚性连接虽已经有一些研究成果,但在多层钢结构中的应用还不多。连接的方法常用焊接连接、摩擦型高强螺栓连接及栓—焊组合连接,栓—焊组合连接是指同一受力连接的不同部位分别采用摩擦型高强螺栓连接及焊接的组合连接,应该注意的是同一力传至同一连接件上时,不允许同时采用又栓又焊两种方法连接。

刚性连接节点的计算简化考虑梁端内力向柱传递时,梁翼缘承担梁端弯矩,而剪力完全由腹板来承担,同时梁腹板与柱的连接除了梁端剪力要进行计算外,尚应验算腹板净截面面积的抗剪承载力;梁柱刚性连接的精确计算是以梁翼缘和腹板各自的截面惯性矩分担作用于梁端的弯矩和梁端的全部剪力。

不论采用何种计算方法,梁与柱刚性连接时,应满足几点要求:1)梁翼缘和腹板与柱的连接,在梁端弯矩和剪力的共同作用下,应具有足够的承载力;2)梁翼缘的内力以集中力作用于柱的部分,不能产生局部破坏,因此应根据情况设置水平加劲肋(对H形截面柱)或水平加劲板(对箱形或圆管形截面柱);3)连接节点板域,即由节点处柱翼缘板和水平加劲肋或水平加劲板所包围的柱腹板区域,在节点弯矩和剪力的共同作用下,应具有足够的承载力和变形能力;4)按抗震设计的结构或按塑性设计的结构,采用焊缝或高强螺栓连接的梁柱连接节点,应保证梁或柱的端部在形成塑性铰时有充分的转动能力。

梁柱铰接连接节点只能承受很小的弯矩,这种连接实际上是为了实现简支梁的支撑条件,即梁端没有线位移,但可以转动。

2 多层钢框架结构常用梁柱节点连接的几种方案

实际工程中,除了铰接节点外,一般大都采用刚接节点。刚接节点通常有下列几种形式:

1)梁与柱丁字形连接,柱上焊有安装用支托,柱的腹板用横向加劲肋加强,如图1所示。这种连接刚度较大,但梁的长度必须制造精确,安装焊缝有仰焊缝,施工操作难度增大,焊接质量不易保证。

2)梁与柱通过宽翼缘T形钢连接如图2所示,T形钢起竖向加劲肋作用,特别适合于十字形横梁的连接。T形钢可用工字钢在腹板上裁开而得,接头长度需大于横梁高度,可使柱的抗扭刚度得到加强,但节点耗钢量加大。

3)梁与柱通过盖板和角钢连接,在柱的东西方向,通过盖板与梁翼缘连接,以传递弯矩。通过竖直角钢与梁腹板连接,以传递剪力。柱上焊有安装用支托,为避免仰焊,上部水平板应小于梁翼缘,下部水平板应大于梁翼缘。在柱的南北方向,盖板兼肋板与柱翼缘和腹板焊接,为避免仰焊,可在上部水平板中间开槽进行焊接。下部水平板下有竖向肋板作为支托承受剪力。梁与柱焊接前均有安装螺栓定位。

梁柱铰接节点连接形式见图3。

3 改进建议

总结多年的设计经验,认为可从以下方面改进梁柱节点连接:

1)从建筑结构的整体布局考虑节点连接。实际工程中多层钢结构建筑大多采用双向刚性连接,这样可以加大结构自身的侧移刚度,减少抗侧移构件的内力,加强结构耗能机制,提高建筑物的延性,有利于结构抗震。但是,刚性节点连接构造复杂、施工安装工作量大、结构用钢量较多、经济效果比铰接节点连接差。

为了解决这一矛盾,在框架结构的纵向(房屋长方向)梁柱做成铰接连接,纵向沿柱高设置竖向柱间支撑,其空间刚度和抗侧力均由支撑提供,另一个方向做成刚性连接,如图4所示。支撑体系用钢量低而刚度大,抗侧力效果明显且构造简单。这样房屋的一个方向无支撑便于生产或人流、物流等建筑功能的安排,又适当考虑了简化设计、施工简便及用钢量等要求,另一个方向适当布置柱间支撑,保证铰接连接下结构的抗侧移能力,特别适用于平面纵向较长,横向较短的建筑。因为在建筑物的纵向梁柱节点较多,由刚性节点改为铰接节点后节点构造简化,明显减少节点用钢量。

2)巧妙处理节点细部构造。比如当柱两侧的梁高相等且采用刚性连接时,每个梁翼缘对应位置均应设置柱内加劲肋板,当柱两侧的梁高不等时,往往要对应梁翼缘设置柱内加劲肋板,这样不仅加劲肋板数量增加,且加劲肋板间距又常常不能满足焊缝间距的要求(间距不小于150 mm)。此时可考虑调整柱两端梁的根部高度,将截面高度较小的梁腹板高度局部加腋,加腋部分翼缘坡度不得大于1∶3,如图5所示。

参考文献

[1]陈志华.建筑钢结构设计[M].天津:天津大学出版社,2004.

[2]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

[3]潘枫.对钢结构节点设计中抗震验算问题的探讨[J].山西建筑,2007,33(19):67-68.

钢框架结构节点设计 篇2

关键词：钢框架,梁柱节点,联接设计

前言

钢铁在现代建筑中得到了广泛应用, 特别是在20世纪后期, 钢的产量大幅度的增加, 钢的结构也相应的扩展了应用领域。虽然, 钢结构在我国因为一些条件受到限制, 可能在应用上还有一定的发展空间。但是, 我国现在产钢量已位居世界首位, 这必然会给钢制的结构带来更加广阔的的发展前景。梁和柱之间的节点是钢框架结构中的关键部位, 它们之间的联接性直接影响到整个建筑物的承重能力, 特别是在抗震中占据非常重要的地位。所以, 钢框架结构梁柱节点联接设计技术得到提高和创新是确保现代建筑业长远发展的基石。

1 螺栓联接

1.1 螺栓联接形式的种类及其各自的特点

从目前建筑梁柱联接点来看, 螺栓联接形式主要分为普通螺栓和高强度螺栓。

(1) 普通螺栓主要分为A、B、C三个等级, 它们的材质主要是由低碳钢或Q235钢构成的, 形状上, 直径有16mm、18mm、20mm、22mm和24mm。C级螺栓主要用于两种情况:一种是应用于不直接承受动力负荷结构中的次要联接, 另一种是用于安临时固定或者可拆卸结构的联接。

(2) 高强度螺栓, 它在我国有两种联接副:扭剪型高强度螺栓联接副和大六角头高强度螺栓联接副。这两种在使用性能上差不多, 在应用上可以互换。

通过抗剪联接, 根据受力特性的不同, 我们又可以把高强度螺栓分为:摩擦型高强度螺栓和承压型高强度螺栓。

摩擦型高强度螺栓一般出现在柱梁联接中的重要部分和承受动力负荷很大的结构, 以及可能出现的反向内力部分的联接。它的直径比我们一般见到的直径大1.5~2.0mm。这种螺栓已经出现在各大建筑结构中, 如桥梁结构、工业建筑和民用建筑的钢结构联接中。另外, 在建设工程中需要临时安装和组装时, 只要不能用焊接联接的部分, 就可采用摩擦型高强度螺栓代替。

承压型高强度螺栓, 它的计算方法和构造要求与普通螺栓相同。都是以联接板层之间出现的滑动作为正常使用 (即在荷载标准值作用下) 的极限状态, 配以联接的破坏 (螺栓或构件破坏) 作为其承载能力的极限状态。高强度螺栓因其具有联接紧密、安全性好、联接稳固等特点被现代建筑业广泛使用。

1.2 螺栓联接形式的不足及改进

对于普通螺栓来说, A、B两级的材料跟高强度螺栓很相似, 它们的成本差不多。所以, 在使用情况一样的的前提下, 可以采用高强度的螺栓。

高强度螺栓不宜重复使用, 特制是10.9S级的螺栓不能重复使用 (螺栓的表示方法是采用强度分类级别, 其性能等级中的第一个数字表示热处理后的抗拉强度, 第二位数字表示屈强比) 。在摩擦型高强度螺栓和承压型高强度螺栓二者的选择中, 由于承压型高强度螺栓的施工费用较高, 所以, 选择时可以优先选择摩擦型高强度螺栓。

2 栓焊混合联接的施工顺序及注意事项

栓焊混合联接主要是指摩擦型高强度螺栓与焊缝形成的混合联接。它在梁柱联接时步骤较多, 所以一定要注意先后顺序。板件的厚度是选择联接顺序的前提条件, 所以, 施工人员应根据此条件选择焊接的方式, 在实际建筑操作中一般采用先栓后焊的方式, 此时可根据焊接时的具体情况, 及时减少高强度螺栓焊接时的强度;当采用先焊后栓且板间又不夹紧的时侯, 此时适合采用大直径螺栓。

这种联接还要注意以下几点:

(1) 由于焊缝的破坏强度高于高强栓联接时的强度, 它的比值要控制在1~3之间。

(2) 在静力负荷作用下, 摩擦型高强度螺栓会和侧角焊缝共同作用在直接承受动荷载作用的联接中, 所以, 施工时一般采用先栓后焊的顺序, 并且在设计中将温度作为影响高强度螺栓的预拉力的首要因素, 并予以适当缩减, 如乘以0.8、0.96的系数。

(3) 能共同工作的混合联接, 其总的承载力可以按不同的联接方式考虑承载力的总和。

(4) 栓焊混合联接不能用于需要验算疲劳的联接中。

3 全焊型联接

3.1 全焊型联接的特点及适用范围

全焊型联接时, 焊接结构的低温冷却问题比较突出, 容易产生变形, 对结构工作产生不利影响。全焊型联接可广泛应用于工业与民用建筑钢结构中, 但对于接头刚度大或者焊接困难的安装接头就不太适合此种联接方式。

3.2 全焊型联接的优点及注意事项

根据实地考察及施工经验, 我们发现全此种焊接方式的梁柱联接的滞回性能好于栓焊型混合联接, 具有很好的可塑能力。但在施工过程中, 我们要注意选择合适厚度的节点板。节点板太强, 建筑材料就会浪费掉, 抗震能力也会随之减弱;节点域的联接中应注意梁上、下盖板边缘加工后与柱之间的联接, 板与梁的联接采用角焊缝, 梁腹板与柱联接通过钢板或角钢而连在一起, 钢板或角钢与梁腹板采用角焊缝联接, 钢板或角钢与柱采用对接焊缝联接。同时, 也要兼顾焊缝的质量。

3.3 全焊型联接的不足及改进

从理论上看, 良好的焊缝质量和焊接构造可以提供足够的延展性, 但是想要达到理论上的效果经常会出现一些问题, 所以施工人员在设计中要对焊缝的过程进行相对严格的破损检查及对可能出现的问题进行排查。此外, 焊接时的一些步骤可能会使螺栓发生变形, 这就给实际结构带来了一些麻烦。虽然, 高强螺栓联接施工比较方便, 但是存在接头尺寸过大、钢材消耗较多等一些问题。所以, 在今后的施工联接中, 节点一定要保持一定传递的压力的能力, 保证即使在强震下也能保持非弹性变形。

4 结语

梁与柱节点的链接环节是钢框架中结构设计的重要部分, 联接的好坏会直接影响框架结构在荷载作用下的展现效果。所以, 钢框架结构梁柱节点联接设计技术的提高和创新是确保现代建筑业长远发展的基石。因此, 钢框架结构梁柱节点联接设计在今后的建筑业应得到良好的重视及应用。

参考文献

[1]陈胜钢.钢结构设计手册.中国建筑工业出版社, 1990.

[2]张行.两种半刚性节点的有限元分析及对框架的影响[J].山西建筑, 2010.36 (5) .

[3]陈复生.钢结构设计规范[J].广西城市建设, 2010 (9) .

钢框架结构节点设计 篇3

钢结构由于具有重量轻、塑性韧性好、制造简便、易于采用工业化生产、施工安装周期短、抗震性能较好等许多优点, 近年来得到了快速的发展。梁、柱节点是钢框架中的关键连接部分, 连接性能直接影响框架结构在荷载作用下的整体行为。实际的钢框架梁柱连接应分为三类:刚性连接 (具有较高的强度和刚度) 、铰接连接 (具有很大的柔性) 和半刚性连接 (刚度和强度介于铰接和刚接之间) 。通过学习了解到对于梁柱节点的研究还有很长的路要走。在工业建筑物、构筑物中, 梁柱连接一般均采用刚接节点, 而民用建筑物、构筑物中, 梁柱连接形式有用刚接节点的, 也有用铰接节点的, 承受荷载的差异是造成不同连接形式的重要原因之一。对于民建, 梁与柱的连接是采用刚接还是铰接还需具体情况具体分析, 如果做铰接, 钢梁仅在腹板处采用高强螺栓连接, 上、下翼缘无需进行现场焊接。这就使得现场安装程序大为简化, 现场安装可以不受天气及季节的影响, 安装速度大大提高。此外, 在节点及构件设计中, 节点和构件可以标准化。节点较好处理, 只承受剪力, 但梁的型号较大;对于工业建筑, 梁柱一般是做刚接, 这是由于结构承受的荷载一般较大而且还有较大的动力荷载。

2 各种连接形式特点

钢结构梁柱实际连接形式可分为螺栓连接、栓焊混合连接、全焊型连接。

2.1 普通螺栓及高强度螺栓连接

2.1.1 普通螺栓

普通螺栓分为A, B, C 3级, A, B级为精制螺栓, C级为粗制螺栓。A级和B级螺栓材料的性能等级为5.6级或8.8级, C级螺栓性能等级为4.6级或4.8级。A, B级精制螺栓已很少在钢结构中采用, C级螺栓用于不直接承受动力荷载结构中的次要连接, 或安装时的临时固定和可拆卸结构的连接等。A, B级螺栓, 从经济观点出发, 以采用高强螺栓代替较为适宜。

2.1.2 高强度螺栓

1) 我国现有两种高强度螺栓连接副:

扭剪型高强度螺栓连接副和大六角头高强度螺栓连接副, 这两种高强度螺栓的性能都是可靠的, 在设计中可以通用。

2) 抗剪连接, 根据受力特性不同, 又可分为以下形式:

a.摩擦型高强度螺栓。为通过连接板层间的抗滑力来传递剪力, 按板层间出现滑动作为其承载能力的极限状态, 适用于重要结构和承受动力荷载的结构, 以及可能出现的反向内力构件的连接。其孔径比公称直径大1.5 mm～2.0 mm。b.承压型高强度螺栓。以连接板层间出现滑动作为正常使用 (即在荷载标准值作用下) 的极限状态, 配以连接的破坏 (螺栓或构件破坏) 作为其承载能力的极限状态, 其计算方法与构造要求与普通螺栓相同。可用于允许产生少量滑移的静荷载结构或间接承受动力荷载的构件, 当允许在某一方向产生较大滑移时, 可采用长圆孔。当为圆孔时, 其孔径比螺栓公称直径大1.0 mm～1.5 mm。承压型高强度螺栓适用于容许连接处有微量滑移的承受静力荷载的结构。

2.2 摩擦型高强度螺栓与焊缝形成的混合连接

这种连接应注意以下几点:1) 焊缝的破坏强度高于高强栓连接的抗滑极限强度, 其比值宜控制在1～3之间;2) 不能用于需要验算疲劳的连接中;3) 其施工顺序, 应根据板件的厚度, 施焊时能否采取反变形措施等具体条件分析决定, 一般采用先栓后焊的方式, 此时高强度螺栓的强度应计及焊接影响, 作一定的折减;当采用先焊后栓且板间又不夹紧时, 宜采用大直径螺栓, 并需将螺栓的抗剪承载力设计值乘以折减系数;4) 在静力荷载作用下, 摩擦型高强度螺栓可以和侧角焊缝共同作用。在直接承受动荷载作用的连接中, 则不能用这种连接, 施工时一般采用先栓后焊的程序, 并在设计中考虑温度影响将高强度螺栓的预拉力予以适当折减, 如乘以0.8, 0.96的系数;5) 能共同工作的混合连接, 其总承载力可按不同连接方式承载力的总和考虑。

2.3 全焊型连接

全焊型连接时疲劳敏感, 焊接结构的低温冷脆问题比较突出, 产生焊接残余应力和变形, 对结构工作产生不利影响, 除因受力复杂, 接头刚度大或施焊不便的安装接头不宜采用焊接外, 可广泛用于工业与民用建筑钢结构中。

全焊型梁柱连接的优点及施工时注意事项试验结果表明, 全焊型梁柱连接的滞回性能好于栓焊型混合连接, 具有较好的塑性变形能力。在全焊型梁柱连接中, 设计时应注意选择合适厚度的节点板。节点板太强, 不仅浪费材料, 也不能充分利用节点域的变形能力耗散地震能量;相反节点板太弱的梁柱连接虽然能发展相当大的塑性变形, 但由于梁翼缘难以形成塑性, 也限制了节点的耗能能力。同时, 节点域的塑性转动过大会增加框架的水平位移, 对框架的整体受力不利。在这种连接中, 梁上、下盖板边缘加工后与柱采用叶接焊缝连接, 盖板与梁的连接采用角焊缝, 梁腹板与柱连接通过钢板或角钢而连在一起, 钢板或角钢与梁腹板采用角焊缝连接, 钢板或角钢与柱采用对接焊缝连接。在施工时应保证对接焊缝的质量, 对接焊缝必须焊透, 梁上、盖板与柱对接焊缝的质量对梁柱刚性连接的滞回性能有很大的影响。特别是焊缝与柱翼缘的连接面应注意除油除漆, 合理安排施工顺序。下翼缘的焊接引弧板如果留在构件上, 应将其与柱焊接, 最好跟梁翼缘也焊在一起, 以减小对接焊缝未焊透对梁柱连接受力的不利影响。

3 各种连接形式比较

欧美及我国广泛采用的梁柱刚性连接又可分为三类:1) 梁端与柱的连接全部采用焊接连接;2) 梁翼缘与柱的连接采用焊接连接, 梁腹板与柱的连接采用摩擦型高强螺栓连接;3) 梁端与柱的连接采用普通T形连接件的高强螺栓连接。

在以上刚性连接节点中, 全焊连接形式是焊缝连接最充分的, 不会产生滑移。从理论上讲, 良好的焊缝质量和焊接构造可以提供足够的延性, 但在实际施工过程中存在一定的困难, 而且要求对焊缝进行比较严格的探伤检查。此外, 焊接残余应力和残余变形也给实际结构带来不利影响;高强螺栓连接施工比较方便, 但存在接头尺寸过大、钢材消耗较多的现象。目前栓焊连接应用较为普遍, 工地安装时, 先用螺栓定位后对翼缘施焊, 具有施工方便的优点。通过实验表明, 其滞回曲线与全焊连接的接近, 但是, 翼缘焊接对螺栓的预拉力有一定的影响, 可使螺栓预拉力降低, 因此高强螺栓的实际应力应留有余度。梁柱连接节点的基本设计原则:节点必须能够完全传递被连接板件的压力 (或拉力) 、弯矩和剪力等。在强震作用下节点能够基于材料的延性, 保证结构产生非弹性变形, 即在梁内而不是在柱内产生塑性铰, 以消耗地震输入的能量, 使节点免于破坏, 并保证结构的整体性使其免于倒塌, 即“强柱弱梁、强节点弱杆件”的设计思想。

4 提高框架梁柱节点抗震性能的措施

地震区的刚性连接节点设计要满足多遇地震下弹性状态的承载力要求和罕遇地震下弹塑性状态的承载力和变形要求。

根据钢框架强柱弱梁的抗震设计原则, 按照有效控制梁上塑性铰位置的思路, 采用在梁腹板进行开孔削弱的节点形式促成塑性铰的形成。结果表明, 采用腹板开孔的构造形式, 可以控制节点处的塑性铰形成位置, 改变了梁翼缘的应力分布、节点的滞回特性和破坏模式, 在严格焊缝工艺的情况下可以使节点的破坏模式从脆性破坏转变为梁的局部屈曲破坏, 降低了连接焊缝发生脆性破坏的可能性, 达到节点的破坏位置向梁中偏移的目的, 从一定程度上改善了节点的延性性能。

提高梁柱焊接节点的抗震性能是钢结构抗震设计的重要内容之一。美国北岭和日本阪神震害教训表明, 为防止梁柱焊接节点在地震中出现源于焊缝的脆性破坏, 设计上应注意降低节点焊缝处的应力集中, 改善焊缝的受力状态, 设法利用钢材的塑性储备来吸收地震能量, 并根据抗震设防要求和地震作用特点选用韧性达标的焊接材料。制造和安装时还应注意消除节点焊缝处的各种应力集中, 通过加腋和加盖板对节点进行加强, 提高节点承载力;对梁局部削弱, 使塑性铰从节点区外移至梁上;改进节点区焊接孔构造形式, 缓解局部应力集中;妥善处理弧板和垫板, 减少焊缝缺陷。

参考文献

钢框架结构节点设计 篇4

在对钢筋混凝土框架进行设计时, 在节点方面应该注意以下几点要求:对节点构造的设计应该遵循简单、易于施工的原则;在梁柱节点方面可以采用极限强度设计的方法;在性能上节点应该与相邻构件表现出相同的荷载特性;另外节点还要具有一定的可高强度, 足以应对相邻产生的最大荷载。

2 钢筋混凝土框架结构节点构造设计的要点

节点对混凝土强度等级的要求同柱相同或接近, 这是为了保证节点在强度和延性方面的要求。但是, 在在对工程进行施工时, 节点的混凝土和水平构件几乎是在同时完成浇注的, 因此对梁柱混凝土的强度等级就提出了小于5MPa的要求。因为箍筋在节点里对混凝土可以起到约束的作用必须有足够的箍筋配置在节点中, 以此来提高混凝土的抗变形能力, 还能起到防止混凝土遭受剪切破坏和增强节点延性的作用。在对抗震建筑进行设计时, 应该按照有关规定对节点内配筋进行计算和执行。框架节点内采取封闭式的箍筋方法, 抗震设计时节点内部采取封闭箍筋方式其末端应为135。弯钩, 弯钩端部的直线长度应该大于箍筋直径的10倍。在节点的范围内, 柱中的纵筋不宜被切断, 梁上的钢筋要从中间节点处贯通, 梁端、柱顶的钢筋也都应该依照相关规定的要求在节点处设置坚固可靠的锚固。

2.1 对框架节点截面的设计

在框架节点区发生的破坏和交节点处的梁柱破坏顺序有着很大的联系。据调查结果显示, 不同强度的地震, 可以使结构进入不同的非弹性程度。在进行抗震的设计时对节点设计要特别注意, 给其一定的储备潜力。另外节点的截面尺寸大小、核心区域混凝土的强度等级等都会对节点质量产生直接影响。如果节点的四周由梁环绕时, 梁的存在会对核心区混凝土增加一定的约束作用, 对节点的抗剪能力也能起到一定的提高作用, 在设计时对此应该加以仔细考虑。

2.2 对节点的配箍设计

对框架节点的抗震设计主要是由:对节点核心区受剪承载力的计算和构造措施共同组成的, 节点的受剪承载力是混凝土和节点箍筋两者所共同承受的。基于有关规定, 可以知道, 节点核心区是柱箍筋的加密区, 但在节点核心区的箍筋间距可以适当大于柱端加密区, 但同时也应该小于非加密区的箍筋间距, 即在GB50011-2001规范中做出如下规定:柱箍筋在非加密区内的体积配箍率应该大于加密区50%;箍筋间距, 一、二级框架柱应该保持10倍以下的纵向钢筋直径, 而三、四级的框架柱可以保持小于15倍的纵向钢筋直径, 具体倍数等由设计人员依据实际工程的情况进行确定。但在实际的工程设计中, 很多工程的结构施工图在节点配箍构造方面并没有给出明确的交代, 这将不利于施工的进行, 具体原因如下:第一, 这是由于设计人员在节点设计方面没有给予足够的重视;第二, 这是由于设计人员对设计规范和标准图集在节点方面的要求并未真正理解。

2.3 框架节点的抗剪验算

节点受到的水平剪力, 往往是由混凝土斜压杆同剪切钢筋 (箍筋) 共同承担的。在非抗震和3、4级抗震等级框架进行设计的时候, 可以不对节点进行抗剪的验算。试验数据表明, 混凝土的斜压杆截面积会随着轴力的增加而变大的, 但值得注意的是轴压比如果增加到一定的程度, 节点抗剪承载力便不再随之增加。所以, 当柱子处于很大的偏压下时, 为防止混凝土被压碎, 对轴压比要进行一定的限制。

3 钢筋混凝土框架夹心节点设计方法

根据试验结果, 针对有限元具体模拟, 笔者给出夹心节点设计方法, 主要包括:进行夹心节点设计的时候, 为了满足需要位移延性, 还达到承载力标准, 应进行剪压比的设计。还应进行轴压比的设计。更要进行柱梁混凝土强度比的设计, 在核心区混凝土强度有很多下降时, 梁端承载力会降低很多, 同时试件位移延性也不好, 因为当今研究的柱梁混凝土强度比都少于2.0的试件很少, 进行夹心节点设计的时候, 柱梁混凝土强度比不可多于2.0。更要考虑核心区配箍率这些参数约束节点遵循的适用范围;根据核心区受剪及受压承载力验算, 确保节点承载力, 笔者的试验表明了夹心节点核心区受剪及受压验算的需要性, 然而因为通常根据定性分析结果, 得出试验数据, 实际的承载力验算公式很难得出。笔者使用ANSYS软件, 进行2类节点有限元模型的合理建立, 正确模拟了受剪及受压承载力, 还对夹心节点核心区承载力有关影响因素进行了定性分析, 最终根据试验结果, 给出承载力验算公式。成功进行分离式模型-SOLID65-4-link8的建立, 进行钢筋混凝土节点的模拟, 表明混凝土与钢筋粘结很好, 不进行滑移的考虑。基于计算量与收敛精度这些因素, 将梁柱外端一些部分设为弹性单元。对于混凝土本构关系, 其运用规范给出的单轴抗压强度曲线, 同时运用多线性随动强化模型MKIN, 体现混凝土软化。利用William-Warnke五参数强度模型作为失效面模型, 把模型分成网格时候, 尽可能运用六面体单元。将全部模型梁柱划成两种级配, 其一是梁20.9MPa、柱31.7MPa;其二是梁20.9MPa、柱45MPa。进行受压模拟, 进行柱顶轴向压力的施加, 直到计算发散;进行受剪模拟, 进行柱顶轴力的固定, 进行水平力施加, 等到计算发散。同时有需要的时候, 能运用加强措施;采用正确的构造对策, 防止梁筋过度的粘结退化。为确保夹心节点核心区承载力和具体符合, 受压以及受剪验算公式形式等同于传统节点, 然而受压验算公式选用核心区折算抗压强度, 受剪验算公式选用梁混凝土抗压强度, 进行受剪验算时, 把箍筋承载力减少百分之七十五。

4 在对钢筋混凝土框架结构节点设计时应该注意的关键因素

4.1 节点形式

GB50010-2002混凝土结构设计规范的第11.6.7条对框架节点位置提出了规定, 对于┳造型的节点, 可以采用对梁直通锚固的纵筋, 在水平的荷载作用下, 柱子的抗弯承载力要小于梁的承载力, 此时柱端则比较容易产生塑性铰。对于╋造型的节点, 框架梁采用钢筋纵向穿过节点的方式, 即使是在强震的作用下, 框架节点的两侧梁端也可以屈服, 比较容易在核心区形成剪切破坏。对于┏造型的节点, 由于节点核心区受力较为复杂, 极易被破坏。对于┣造型的节点, 由于柱的抗弯承载力较大, 而“强柱弱梁”就比较容易形成, 但对梁筋在锚固方面比较薄弱, 容易形成梁筋的滑移, 对角柱节点的受力会产生一定的不利影响。

4.2 柱纵向钢筋

通常会依照抗弯的具体要求进行设置, 沿柱截面的高度的方向, 依照构造的相关规定对纵向钢筋进行相应的配置。合理对纵向钢筋进行配置有助于提高框架节点抗剪承受载力。

4.3 轴压比

试验研究的结果表明, 轴向压力在一定的范围内可以提高框架节点核心区混凝土的抗剪承载力。由于受到柱轴向压力等的共同作用, 当框架节点核心区混凝土还未开裂时, 柱截面的受压区面积不断加大, 斜压杆的作用也相应加强。当裂缝在混凝土中出现时, 混凝土间形成一定的咬合力。随着轴压比的不断增大, 抗剪承载能力也会相应的增大, 但当轴压比接近并超过某一临界值的时候, 框架节点受压区附近的混凝土便会产生微小的裂缝, 混凝土此时可能会被压碎, 抗剪承载力此时便会降低。

5 总结

总而言之, 通过对钢筋混凝土的框架节点设计准则进行研究及对节点设计要素所进行的分析, 我们可以得知在对钢筋混凝土框架结构节点进行设计的时候, 应该要注意“概念设计”和“构造措施”的结合, 只有这样才能够从根本上确保结构设计的安全性和经济性。

参考文献

[1]周文献.钢筋混凝土结构施工的技术要求和方法[J].山西建筑, 2007, 33 (26) :182-183.

多层钢砼框架结构设计体系研究 篇5

多层钢砼结构 (钢-混凝土组合结构) 充分发挥了钢材和混凝土的材料特性及优点, 钢-混凝土组合结构之一的钢管混凝土 (即钢管砼-CFST) , 就是在钢管中充填素混凝土制成的建筑构件。钢骨砼梁, 是在钢梁周围配置钢筋, 浇注砼后使钢骨与砼成为一体共同工作的组合结构构件。由于钢骨的存在使得构件延性得到很大改善, 其变形能力强, 抗震性能好, 承载力高。混凝土对钢骨的包裹解决了钢结构的防腐、防火问题。施工时钢梁骨架有较大的承载力, 可大大节省模板工作量。

1 钢砼结构的特点分析

钢砼结构体系通常指的是钢框架砼核心筒或剪力墙体系, 抗侧移刚度很大的混凝土核心筒或剪力墙主要抵抗风荷载和地震作用, 而钢框架主要承受竖向荷载。

1.1 降低用钢量钢砼结构体系兼有钢结构和混凝土结构的优点。

与全钢结构相比, 可以降低用钢量40%———55%, 而施工速度与之相当, 能够减少现场焊接工作量、降低防火处理费用;与混凝土结构相比, 可减轻结构自重, 增加建筑使用面积, 缩短施工工期。因此是一种符合我国国情的较好的多层建筑结构形式。

1.2 抗压承载力高, 扩大了建筑使用空间由于钢砼柱的承载力高, 柱子载面小, 还可采用大柱网、大空间的框架结构体系。

所以在多层建筑中采用钢砼柱比采用钢筋混凝土结构增加使用面积3%-6%。

1.3 柱子截面减小对抗震有利和全钢结构相比, 钢砼结构柱的自重小, 地震作用引起的地震反应也将减小。

据有关资料分析, 多层建筑中采用钢砼结构体系比采用全钢结构, 柱自重可以减少1/3~1/2, 地震作用可以减少一半, 相当于设防烈度下降一度。

2 多层钢砼结构的几种常用体系

2.1 多层钢砼框架 (或剪力墙) 体系多层钢砼框架 (或剪力墙)

体系由外围钢框架和混泥土内筒 (或剪力墙) 构成, 钢框架与内筒间的跨度一般为8—12m, 并采用两端饺接的钢梁, 或一端与钢框架柱刚接相连另一端与内筒饺接相连的钢梁。典型工程实例包括深圳发展中心大厦, 北京国贸中心二期塔楼。

2.2 多层带伸臂桁架的钢砼框架体系多层带伸臂桁架的钢砼

框架体系在钢框架混泥土内筒体系的基础上增加伸臂桁架, 目的是提高结构的侧向刚度, 减少水平侧移和内筒承担的倾覆力矩等。典型工程实例为深圳地王商业大厦。

2.3 多层巨柱框架砼内筒体系多层巨柱框架砼内筒体系通过

设置巨型柱, 使带伸臂桁架的钢框架砼内筒体系的测向刚度得以进一步提高, 巨型柱往往采用钢管或钢骨混泥土制成。典型工程实例包括北京冠城园A楼, 上海金茂大厦, 美国休斯顿西南银行大厦等。

3 多层钢砼框架结构设计体系的问题

3.1 目前多层建筑、商住楼开发较多。

随着实心粘土砖的禁用, 多层砖混结构体系的逐渐退出, 纯框架体系更成为了大多数设计院首选的结构体系, 但纯框架体系毕竟是柔性体系, 抗震设计中只有一道梁柱框架抗震防线, 强震下较易破坏甚至倒塌, 可靠度较低;随着层灵敏的增加, 执受力和变形工需要较大的柱, 以致较难满足用户对柱、梁断面尽量的要求。框架梁、柱配筋量增大, 结构造价逐渐增加。

3.2 建议五层以上的多层建筑优先采用框架—剪力墙结构体系。

在分散、均匀、对称和周边的布置原则下利用楼、电梯间、分户墙或允许落地的墙位合理布置长短适中, 数量适当的纵、横剪力墙, 在保证楼板与剪力墙间传递水平力的可靠性下, 可收到良好的抗震、使用及经济效果, 主要如下:

3.2.1 增加了一道抗震防线, 使剪力墙成为第一道防线, 框架成为第二道防线, 较好地实现抗震设计多道设防的设计概念。

3.2.2 设置刚度较框架大许多的剪力墙, 提高了结构的承载力,

减少了层间变形, 在常遇地震下的结构件及非结构构件均不易开裂、破坏;在强震下, 剪力墙不易剪切破坏, 大大提高了结构的防倒塌能力及可靠度。有关专家综合日本震害调查得出结论:剪力墙的数量宜取每平方米楼面50mm长以上。

3.2.3 剪力墙厚一般同填充墙厚, 不会外露, 剪力墙承受了大部分地震剪力及较大部分的地震倾覆力矩。

这样框架基本上以承受竖向荷载为主, 柱、梁断面均较小, 配筋也较少, 特别是框架梁的主筋减少较多。对于非大柱网的多层建筑, 梁宽可取200mm, 也不外露。对于建筑有较好的使用效果。

3.2.4 一般墙量合理不太多的情况下, 框剪结构的混泥土工程

量略小于纯框架结构, 框剪结构墙、柱基本都是构造配筋, 框架梁基本由竖向荷载控制配筋, 钢筋工程量小于纯框架结构, 故多层建筑采用框剪结构的经济效益优于纯钢框架结构。

4 多层钢砼框架结构设计体系典型问题的处理

4.1 对砼结构裂缝的修补采用表面密封法用于修补不再发展的裂缝, 其缝隙宽度不大于0.

2mm具体做法为:在裂缝处用钢丝刷将砼表面打毛, 并用清水洗净, 然后喷涂或涂刷一层涂敷材料、丙烯酸橡胶、聚酯树脂, 或在裂缝上先铺放玻璃丝布, 再用修补材料涂刷。

4.2 对砼结构受损伤部位的修补采用涂抹砂浆法或化学灌浆方法对于浅表面损伤, 可采用涂抹砂浆法或化学灌浆法。

其具体做法是先将受损表面清洗干净, 然后涂一层界面剂或低黏度环氧树脂, 再涂抹环氧树脂砂浆或聚合物水泥砂浆进行修补。

4.3 对砼结构的加固对砼结构加固的目的是要在恢复中提高结构的承载力, 使结构能继续使用或改作其他用途。

加固的方法, 大致有以下几种:

4.3.1 采用增大截面加固方法, 这是一种加大原结构截面和配

筋量的加固方法, 用于提高构件的抗弯强度、抗剪强度和刚度, 也可用来修补砼的裂缝。这种方法的优点是适用面广, 可用于加固梁、柱、墙、基础、屋架弦、腹杆以及连接节点等。新浇砼标号宜比原构件砼标号提高一级。施工工艺简单, 但是作业量大, 减少了建筑的使用面积, 施工中必须保证新老砼的粘结。必要时可采用砼界面剂。

4.3.2 采用粘钢加固方法。

在钢筋砼结构表面用结构胶粘贴钢板, 以提高结构承载力。这种方法的优点是施工简单、快捷。加固时, 基本上不影响使用, 主要用于梁的加固。钢板应延伸出需要加固部位外, 延伸的长度应满足加固钢板传力的需要, 如果钢板的锚固长度受到限制, 则需要采用锚拴或型箍板加固粘结。加固法至关重要的是处理好粘结处的砼表面和粘结钢板的表面, 选配好粘结的胶。黏胶后再加固加压, 胶固化后才能受力。

4.3.3 采用增设支点加固方法。

增设支点以减少结构计算跨度, 从而能较大幅度地提高承载能力, 并能减少和限制梁、板的挠曲变形。该法的优点是简单, 但使用空间受到限制。这种加固方法, 应核算增设支点后结构受力情况的改变, 该法多用于框架梁和一般梁的加固。

针对钢砼结构应用于建筑中会遇到的一些具体问题, 我们展开了一系列基础性及应用性的理论研究与工程实践。研究的结果表明, 钢砼结构可以用于多层建筑的建设, 同时也为钢砼结构在建筑建设中的推广应用打下坚实的理论基础。

摘要：随着建筑科学技术的发展, 近20年来又推出了第五种结构类型, 即全新的钢-混凝土组合结构。钢管砼柱, 是在螺旋焊接钢管内灌注高强度等级砼, 形成两种材料相辅相成共同工作的机理。它具有承载力高、抗震性能好、施工简捷的特点, 一般每三层为一个制作安装单元, 整根钢管柱一次吊装就位, 为主体结构安装创造了流水作业的条件。它具有承载力高、抗震性能好、节约钢材和施工简捷等突出优点, 因而在建筑中得到了日益广泛的应用。其推广与发展的速度十分迅猛, 并将成为建筑群最为实用和主要的结构形式。

钢网格框架墙的设计与结构的试验 篇6

关键词：滞回曲线,盒式结构元,装配整体式

试验主要分析了装配整体式钢网格框架墙的滞回耗能能力, 并与理论分析作对比分析, 试验证明此种新型钢结构承重外墙结构在往复荷载作用下具有良好的承载能力, 耗能能力以及变形恢复能力, 抗震性能良好。试验中梁端及柱端截面处的应变值、整榀框架墙的荷载—位移滞回曲线及骨架曲线与有限元分析的数值吻合的均较好。组成装配整体式钢网格框架墙的所有承重结构体系分单元在工厂焊接, 工地现场采用高强螺栓连接, 装配整体式网格式墙架与钢空腹夹层板连接形成空间钢网格盒式结构新体系。

1 试件设置

试验以装配整体式钢网格框架墙为研究对象。试验主要研究该框架墙抗震性能。本文进行了单个试件的试验研究, 以框架墙仿真尺寸进行试件设计, 图1为试件的几何尺寸及各构件单元 (图1中A、B、C单元) 的截面尺寸。由图1可知, 该墙架柱采用焊接工字钢, 每根墙架柱截面均相同, 它沿高度的拼装点均为网格中部。在距柱脚1m、2m处分别布置相同截面的焊接工字梁, 在距柱脚3.82m、4.5m处分别布置焊接T型梁。工字梁及T型梁的连接点亦在网格中央 (反弯点) , 即沿高度为三个拼装单元, 即图1所示的A拼装单元、B拼装单元和C拼装单元。限于试验现场条件, 沿水平方向布置4根墙架柱, 每1.8m一根, 即整个构件水平方向长度3×1.8m=5.4m, 由4个拼装单元组成。A、B和C单元均在钢构工厂进行焊接加工, 每个单元的重量都比较轻, 然后运送至试验现场, 再自下而上于梁、柱拼接点处采用双拼板摩擦型高强螺栓连接完成整个模型的加工。其中所有钢构件均采用Q345钢材, 拼接节点处螺栓根据等强连接原理, 经计算后采用M16、M18、M20、M22及M27共5种型号的10.9级扭剪型高强螺栓。

2 试验主要结果分析

本文将试验结果与有限元分析结果结合起来进行对比分析, 采用通用有限元软件ANSYS对该装配整体式钢网格框架墙模型进行模拟分析。根据试验观测将该框架墙高强螺栓连接节点简化为刚接, 即在有限元分析时不考虑螺栓的滑动对结构受力的影响。梁柱构件均采用BEAM188单元进行模拟。墙架的柱脚依据试验模型的实际情况, 在有限元分析中通过约束柱脚底板中心的单元节点进行模拟。材料采用双线性等向强化模拟, 泊松比取为0.3, 采用von Mises屈服准则。钢材的应力-应变关系假定为理想弹塑性, 屈服强度取为345MPa。

利用有限元模型进行了滞回分析。从荷载-位移曲线、骨架曲线、梁端应变及柱端应变数值4个方面同试验结果进行比较, 因钢网格装配整体式框架墙自身为轴对称结构, 故本文只取一侧框架墙上的梁柱节点应变数值进比较。

3 试验现象

试验中墙架的变形如图2所示。钢框架的承载力-变形过程为:

当框架墙顶点正反向水平位移均小于30mm (即相对变形为h/150, h为墙高) 时, 钢框架的各个构件均未发现明显的屈服现象, 应变片的数值可以发现钢框架处于弹性工作状态;当框架墙顶点正反向水平位移达到30mm (即相对变形为h/150) 时, (1) 截面及 (3) 截面处的T形梁开始出现屈服, 应变片的数值可以验证这一现象。此时钢框架墙水平荷载为正反10k N左右;当框架墙顶点正反向水平位移达到40mm (即相对变形为h/112.5) 时, (2) 截面及 (4) 截面处的T形梁开始出现明显屈服, 应变片的数值可以验证这一现象。此时水平荷载为正反14k N左右;当框架墙顶点正反向水平位移达到45mm (即相对变形为h/100) 时, (7) 截面处的工字梁开始出现明显屈服, 应变片的数值可以验证这一现象。同时应变片数值还可以发现, 此时钢框架墙 (13) 截面及 (14) 截面处的H形框架柱开始屈服。此时水平荷载为正反16k N左右;当框架墙顶点正反向水平位移达到50mm (即相对变形为h/90) 时, (5) 截面及 (6) 处的工字梁开始出现屈服, 应变片的数值可以验证顶部T形梁面外屈曲图现象。同时还可发现此时框架墙顶部 (1) 截面与 (2) 截面之间的T形梁发生了比较明显的面外屈曲, 此时水平荷载为正反18k N左右;此后随着框架墙顶水平位移的增大, 在框架墙的柱脚及其他截面处相继出现屈服现象, 而且框架墙顶部 (1) 截面与 (2) 截面之间的T形梁以及 (3) 截面与 (4) 截面之间的T形梁均呈现出明显的面外屈曲变形。

4 结语

钢框架结构节点设计 篇7

现代科学技术的高速发展, 以及人们对住宅功能齐全、使用方便、居住舒适、安全节能、有益健康等方面的要求, 使钢结构住宅逐步替代传统木结构、砖混结构和钢筋混凝土结构住宅, 成为住宅产业的一只新生力量[1,2]。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, 而钢框架结构体系在低多层钢结构住宅中应用最为广泛[3]。因此对钢框架结构体系进行优化设计研究对推动住宅建设产业化发展具有突出的意义[4]。本文利用大型通用有限元软件ANSYS对低多层钢框架结构进行优化设计, 对低多层钢框架住宅结构体系的优化设计方法进行了一些探索。

1 基于ANSYS参数化设计语言APDL的结构优化设计原理

传统优化方法求解的基本前提在于目标函数及状态变量函数方程的建立。而对于复杂结构的有限元模型来说, 要想得出目标函数及状态变量的解析表达式是十分困难甚至是不可能的。有限元分析过程中几乎所有的设计量, 如厚度、长度、半径等几何尺寸、材料特性、荷载位置与大小等都可以用变量参数表示, 只要改变这些变量参数的赋值就能获得不同设计方案的分析过程。ANSYS基于有限元分析的优化设计技术就是在满足设计要求的条件下搜索最有设计方案。为了将有限元法与优化方法结合起来, 可以采用基于APDL语言的ANSYS优化设计模块OPT来实现。

ANSYS的软件的优化模块 (OPT) 集成于ANSYS软件包之中, 它必须和参数化设计语言APDL完全集合在一起工作才能发挥ANSYS优化设计的功能。其中APDL的利用是ANSYS优化设计的一个核心步骤。

基于参数化有限元分析过程的设计优化包含下列基本要素[5]。

(1) 设计变量 (design variables) :设计过程中需要不断调整赋值的设计变量参数。每个设计变量可能有上下限, 用规定设计变量的取值用于规定设计变量的取值范围。常见的设计变量如结构某部分的宽度、高度等几何尺寸。

(2) 状态变量 (state variables) :是约束设计的数值, 它们可以是设计变量的函数, 也可独立于设计变量, 状态变量可能会有上下限, 也可能只有单方面的限制。常见的状态变量如应力不能超过许用应力、变形不能超过规定大小、振幅限制。

(3) 目标函数 (objective function) :设计中极小化的变量参数, 也必须是设计变量的函数, 即改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在ANSYS优化程序中, 只能设定一个目标函数。常见的目标变量如重量、费用、应力、变量等, 或者某种导出结果如方差最小、平均值最小。

(4) 优化计算方法即优化设计工具:ANSYS软件提供了很多优化设计方法, 主要有零阶方法、一阶方法、随机搜索法等步长搜索法, 乘子计算法和最优梯度法等。除此之外, 用户可以提供外部优化算法替代ANSYS本身的优化方法。

2 基于APDL的优化设计过程

基于A P D L的优化设计方法采用ANSYS的批处理方法进行优化设计的主要分析过程如下:

(1) 构建一个优化分析文件:

(1) 参数化建模:利用ANSYS软件提供的参数化建模功能, 把将要参与优化的数据 (设计变量DV) 初始化, 并构建一个参数化分析模型, 为以后软件修正模型提供可能, 这一过程在前处理器PREP7中进行;

(2) 加载与求解:在求解器SOLUTION中对结构参数化模型进行加载与求解;

(3) 参数化提取结果:进入ANSYS的后处理模块POST1/POST26中, 提取有限元分析结构结果并赋值给状态变量SV (约束条件) 和目标函数OBJ (优化目标) , 提取数据的操作用*GET命令实现。

(2) 构建优化控制文件:

(1) 进入优化设计模块OPT, 指定优化分析文件;

(2) 声明优化变量:包括设计变量、状态变量和目标函数;

(3) 选择ANSYS优化工具或优化方法, 还可以采用用户自己的外部优化程序;

(4) 指定优化循环控制方式, 进行优化分析;

(5) 进行优化参数评价, 优化处理器根据本次循环提供的优化参数 (设计变量DV、状态变量SV、及目标函数OBJ) 与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否收敛, 或者说结构是否达到了最优。如果最优, 则完成迭代, 退出优化循环圈;否则, 进行下步。

(3) 根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量, 重新投入循环。

(4) 查看设计序列结果 (OPT) 及后处理设计结果 (POST1/POST26) 。

(5) 检验优化设计序列。

3 基于ANSYS参数化设计语言APDL的钢框架结构优化设计

(1) 钢框架结构参数化有限元模型

参数化建模, 就是用设计变量作为参数建立实体模型。就本文研究的钢框架而言, 由于在建设规划时大多限制了钢结构建筑的用地, 建筑外围轮廓尺寸不能作修改, 即钢结构住宅的总长及总宽尺寸不能作优化调整。所以, 这里选定构钢结构建筑主要受力体系, 同时也是决定钢结构耗钢量高低最主要指标的钢框架的梁、柱作为参数, 即以梁截面翼缘的宽、厚, 腹板的高、厚;柱截面翼缘的宽度、厚, 腹板的高、厚为设计变量, 建立实体模型。

(2) 钢框架结构分析中特殊性问题

通过参数化模型进行结构重分析时需确定单元类型。ANSYS系统提供了120多种单元类型, 其数目随着计算技术和材料计算技术的发展不断增大。在结构分析中, 选择单元的原则是尽量选用维数比较少的单元来达到预期效果。单元类型的选择好坏, 直接影响到模型的复杂程度和结果的精确程度。

对于本文研究的钢框架, 由于钢框架中的梁、柱承受荷载作用下将引起梁、柱的弯曲, 所以可以考虑采用三维梁单元Beam4作为基本单元体。Beam4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。这种单元在每个节点上有六个自由度:x、y、z三个方向的线位移和绕x、y、z三个轴的角位移。可用于计算应力硬化及大变形的问题。单元的几何模型如图3.1所示。

在进行钢框架结构优化设计时, 应在确保结构安全的前提下, 使结构的用钢量最省、造价最低, 这就是采用优化设计方法的优化目标。而在实用优化设计中, 钢框架的用钢量和造价又是由构件的截面尺寸和截面高度决定的。因此, 优化目标可以直接简化为如何选择经济合理的截面尺寸, 使其在满足强度、刚度、稳定性和易加工等要求的前提下, 截面面积尽可能最小、截面形状尽可能最优。也可以说, 优化目标就是钢框架结构杆件截面的优化。在实现截面优化后即可达到结构材料最省、造价最低和方便加工的优化目标。

4 工程算例

4.1 工程概况

某两跨四层钢框架结构住宅楼, 其框架计算模型见图4.1。

4.2 优化结果

目标函数以框架结构总体积VOLUME最小的结果。

采取零阶方法, ANSYS迭代26次后停止, 第26次为最佳设计序列。目标函数框架体积与优化设计序列号之间的关系曲线如图4.2所示。

采取一阶方法, ANSYS迭代34次后停止, 第33次为最优设计序列。目标函数框架体积与优化设计序列号之间的关系曲线如图4.3所示。

5 结果分析

表5.1列出了原设计方案与优化结果。

从表5.1可以明显看出:

(1) 当选择目标函数为钢框架总体积最小时, 采用有限元软件ANSYS提供的优化方法, 能够减轻结构重量, 降低工程造价, 使得设计趋于合理, 同时发现钢框架顶点水平位移已达限值;

(2) 使用一阶方法比零阶方法优化获得的结果更好。采用零阶方法耗时相对较少, 但会包含较多不合理的设计序列, 需要从更多的设计序列中选择合理的设计序列。采用一阶方法进行优化分析, 由于每次迭代采用梯度法搜索, 每迭代一步搜索的时间要远大于零阶方法的相应时间, 对计算机性能要求较高, 但其结果精确, 且不会产生大量不合理的设计序列。对于ANSYS软件中的优化计算方法建议采用一阶方法进行计算。

摘要：轻钢结构住宅体系已成为当前住宅结构研究中的热点, 而钢框架结构体系在低多层钢结构住宅中应用最为广泛, 本文利用大型通用有限元软件ANSYS对低多层钢框架结构进行优化设计, 对低多层钢框架住宅结构体系的优化设计方法进行了一些探索。

关键词：钢框架,结构优化设计,体积最小

参考文献

[1]赵赤云.钢结构住宅的现状及其综合经济效益分析[J].北京建筑工程学院学报.2004.6, 第20卷第2期:20～23.

[2]刘晓, 王兵.钢结构住宅发展趋势[J].钢结构住宅.2003 (4) , Vol.18, No.66:19～21.

[3]刘红玉.轻型钢结构体系在我国住宅建筑中的应用前景[J].建筑技术开发.2000, (5) .

[4]马恩成, 朱伟等.钢结构CAD软件STS的功能和应用[J].钢结构.2001 (6) Vol.16, No.56:62～63.