摘要：钢结构建筑是结构体系较为成熟、配套的装配式建筑。在城市的超高层建筑、文化体育场馆建设中快速发展。建筑构配件采用工厂预制、现场装配的生产方式，是目前具备推广条件的工业化建筑产品，特别是《报告》中提出到2020年，新建建筑面积中，装配式建筑要占到30%以上，毫无疑问装配式钢结构建筑将成为装配式建筑的“新主角”。
关键词：装配式；框架；钢结构
0、引言
钢结构是一种重量轻、强度高、抗震性能好，并节能环保，能够循环使用的建筑结构，具有非常明显的绿色建筑的特点。目前钢结构的发展日新月异，规模更大，技术更新，被称为建筑行业的“朝阳产业”。
目前用于房屋建筑钢结构的结构体系有：
1、多层、高层和超高层建筑结构体系
多层、高层和超高层建筑结构体系主要有框架、框架-支撑体系，框架-内筒体系、带伸臂桁架的框架-内筒体系、筒中筒及成束筒等结构体系。
2、平面承重结构体系
平面承重结构体系由承重体系和附加构件两部分组成，其中承重体系是由一系列相互平行平面结构组成，承担该结构平面内的竖向荷载和横向水平荷载，并传递到基础。附加构件由纵向构件及支撑组成，将各个平面连成整体，同时也承受结构平面外的纵向水平力。轻型门式钢架结构是近几年来广泛应用的平面承重体系。
3、空间受力结构体系
空间受力结构体系分为刚性空间结构体系和柔性空间结构体系。刚性空间结构体系有网架结构、网壳结构和管桁架结构等。柔性空间结构有悬索结构、斜拉结构、张弦结构、索穹顶及索膜结构等。
其中，钢框架结构是一种常用的钢结构形式，多用于大跨度公共建筑、工业厂房和一些对建筑空间、体型、建筑功能有特殊要求的建筑物和构筑物中，如剧院、商场、体育馆、火车站、展览厅等。本文拟对一多层带地下室钢框架办公楼设计要点展开探析。
本文以柳州市某多层办公楼为例进行的多层装配式钢框架结构设计的阐述。
1、办公楼的平面特征
办公楼在使用功能上要求能提供舒适的工作环境和空间；提供有附加值的空间，并且类似租赁办公楼最初不能确定特定租赁者的使用状况，所以必须具备建成后可以根据租赁者的需要而对使用空间灵活布置对应的特性。
为实现以上所需的空间特性，办公楼布置一般按一下几点进行：
（1）排除无用空间，构成平整规则的平面和剖面。
（2）为具备办公空间的灵活布置性，采用柱间大跨度。
（3）对办公室空间以外的电梯、楼梯、卫生间、设备管道井等进行集中布置。
2、结构选型与结构布置
框架结构的楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面，沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高，顶层边柱有时也会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。本层取纵向7.5m跨布置为次梁，横向较短跨布置为主梁，结构平面布置如下所示：
结构方案确定后，即可按照设计资料进行静力计算以及构件及连接设计，最后绘制施工图。绘图时应尽量采用构件及连接件的标准图集，本工程参考图集有《多高层民用建筑钢结构节点构造详图》16G519等。另外，多高层钢结构隔墙应尽量采用轻质材料，如加气混凝土板，本工程隔墙采用墙体做法：墙体均采用石材发泡轻质墙板，其导热系数λ=0.148[w/（m.k），蓄热系数S=2.841[w/（m.k）。外墙抹灰砂浆的强度为M20水泥砂浆，顶棚抹灰砂浆的强度为M10混合砂浆，内墙、洞口、窗台等抹灰砂浆的强度为M5混合砂浆。
办公楼共五层，高21.60m。结构采用钢结构框架体系，这主要考虑到框架结构在建筑平面设计中具有较大的灵活性，由于可以采用较大的柱距从而获得较大的使用空间，易于满足多功能的使用要求。结构刚度均匀，构造简单，便于施工。
在施工图阶段，采用PKPM软件进行建模计算，结构嵌固在+0.000以下的混凝土结构上。本结构标准层及全楼模型示意图如下所示。
3、预估截面并建立结构模型
结构布置完成后，需要进行梁柱截面尺寸估算。根据荷载与支座情况，钢梁的截面高度通常在跨度的1/50~1/20。当翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可不用考虑钢梁的整体稳定的复杂计算。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按照规范中局部稳定的构造规定预估。本工程7.5m跨无梁搭接的钢梁截面取H320X150X5X10，6.8m，为跨度的1/23，；跨框架主梁（作为次梁支座）的截面取H400X150X8X14，为跨度的1/15。虽然截面高度及板厚都满足规范要求，但是在施工完成后却发现，7.5m跨的梁实际挠度过大，计算值为18mm，实际挠度为28mm，超出计算挠度较多。所以可以得出结论实际设计时应适当加高梁的高度并采取对梁预先起拱的措施。
4、结构分析与工程判定
一般情况下，多层钢结构很容易满足楼层剪力、层间位移角等整体控制要求，其验算的重点为各钢构件的强度是否满足要求。此处构件计算主要是查看结果是否超限，若有超限需要反复调整，直到满足设计要求为止。预估的截面不满足设计要求，在调整时，应分情况区别对待：
①若强度不满足，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯不满足时，加大翼缘厚度；抗剪不满足时，加大腹板厚度；
②若变形超限，通常不应该加大组成截面的板件厚度而应该考虑加大梁高，否则会很不经济。
5、构件设计
通常主体结构使用单一钢种以便于工程管理。出于经济考虑，也可以选择不同强度的钢材的组合截面。当强度起控制作用时，可选择Q345，当稳定起控制作用时，宜选择Q235。本工程结构主框架均采用Q345，均采用高频焊接工艺加工。
在结构体型和布置调整合理后，再进行构件设计。
5.1框架梁一般按非组合梁设计，并采用PKPM提供的工具箱菜单，按照非组合梁验算梁最大内力下的截面强度，再按组合梁配置连接件（栓钉）。本工程采用高频焊接H型钢，可考虑腹板屈曲后强度利用。注意，如果采用的是轧制H型钢，则不能考虑腹板屈服后的强度利用。由于本工程楼板采用钢筋混凝土组合楼板，楼板与主梁的仅靠栓钉连接，故适当加大了栓钉的布置。
5.2两端铰接的次梁一般按照组合梁来设计以节省钢材。组合梁的设计应按照极限状态设计准则进行，其承载力极限状态设计一般采用塑性理论方法，但当钢梁不满足规范关于钢梁受压翼缘和腹板板件宽厚比限值即不符合塑性设计方法要求时，则应采用弹性理论方法。
5.3框架柱的设计基本同框架梁的设计。应注意：
①如果是一般钢柱，计算长度系数按照《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-1998（6.3.2）或查《钢结构设计规范》GB 50017-2003附录D表D-1或表D-2。本工程采用钢管混凝土柱，柱子计算长度则是按照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010，附录F计算。
②轴压比：考虑在第二阶段抗震设计中，当结构进入塑性阶段后保证塑性铰不出现在柱中，钢柱轴压比应满足《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-1998 式（6.3.3-2），不应大于0.6。
6、节点设计
节点设计可参考《多、高层民用建筑钢结构 节点构造详图》（16G519），并根据现场施工情况适当调整。
结束语
就建筑结构而言，21世纪将是钢结构的世纪。我国钢结构还是一个年青的行业，总体水平与发达国家相比仍有较大差距。这个差距是钢结构发展的潜力，也是钢结构发展的空间。就设计师而言，结构计算和结构设计是反复的过程，尤其是钢结构设计。只有结构设计者能真正理解规范等规定的结构设计规则的真正含义，才能在结构设计中全面发挥出钢结构这种新型建材的优势。
参考文献
[1] 中华人民共和国建设部.钢结构设计规范 GB 50017-2003 [S].北京：中国计划出版社，2003。
[2] 中国建筑科学研究院.钢管混凝土结构设计与施工规程 CECS28：2012 [S].北京：中国计划出版社，2012。
[3] 中国建筑科学研究院.多、高层民用建筑钢结构节点构造详图 01（04）SG519 [S].北京：中国建筑标准设计研究院，2012。
[4] 陈绍蕃等。钢结构设计原理 [M].北京：科学出版社，2001
论文作者:覃柳华
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/7
标签：结构论文; 钢结构论文; 截面论文; 体系论文; 框架论文; 组合论文; 强度论文; 《建筑学研究前沿》2018年第17期论文;