学文网摘 要：介绍钢框架设计的要求、步骤、原则。
关键词：钢框架设计；结构布置；结构计算
中***分类号：TU391文献标识码：A
一、前言：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、建筑体型、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、工业车站等等。
二、钢框架设计的一般步骤：
（一）结构布置方案的确定
对于钢框架结构，随着层数及高度的增加，除承受较大的竖向荷载外，抗侧力（风荷载、地震作用等）要求也成为框架的主要承载特点，其基本结构体系一般可分为三种：柱-支撑体系、纯框架体系、框架-支撑体系。其中框架-支撑体系在实际工程中应用较多，这种体系形式是在建筑的横向用纯钢框架，在纵向布置适当数量的竖向柱间支撑，用来加强纵向刚度，以减少框架的用钢量，并且由于横向纯钢框架无柱间支撑，便于生产、人流、物流等功能的安排。
钢结构的布置要根据体系特征、荷载分布情况及建筑性质等综合考虑。一般要保证刚度均匀，力学模型清晰。尽可能限制大荷载或者移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础，柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形心要尽量靠近侧向力的作用线，否则考虑结构的扭转。结构的抗侧应有多道防线，比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受1/4的总水平力。
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，顶层边柱也有时会吃不消，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。
（二）预估截面
结构布置方案确定后，需要对构件截面做初步估算，主要是梁、柱和支撑等构件的截面形状与尺寸进行预估初选。
钢梁可选择槽钢、轧制或者焊接的H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/50~1/20之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按1/b限制确定。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。
柱截面按长细比预估，通常50
（三）结构分析
结构分析的核心问题是计算模型的确定，包括计算简***和采用的计算理论。这部分通常采用手算和电算相结合。目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能，为更精确的分析结构提供了条件，但并不是所有的结构都需要使用软件进行设计，如：(a)典型结构可通过查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形；（b）简单结构通过手酸进行分析；（c）复杂结构需要运行建模设计。
（四）工程判定
要正确使用结构设计软件，还应对其输出结构做“工程判定”，比如，评定各向周期、总剪力、变形特征等。根据“工程判定”决定是修改模型重新分析，还是直接修正计算结果。
（五）构件设计
构件的设计首先是材料的选择。钢框架设计比较常用的钢材是Q235和Q345。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。出于经济的考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时，可选择Q345；而稳定起控制作用时，宜使用Q235。
（六）节点设计
连接节点的设计师钢结构设计中的重要内容之一。节点设计与构造是保证钢结构安全的重要环节，对结构受力性能有着极其重要的影响。各种钢结构灾害事故（如美国北岭的地震和日本阪神地震造成的破坏）分析表明，许多钢结构是由于节点区首先破坏而导致建筑物的整体破坏的。钢结构节点区的受力状况比较复杂，构造要求相当严格，应引起设计人员的足够重视。
节点设计一般应遵循以下原则：
1.节点受力应力应满足传力简洁、明确的原则，尽量使计算分析与节点的实际受力情况一致；
2.保证节点连接点的连接有足够的强度，使结构不致因连接较弱而引起破坏；
3.节点连接应具有良好的延性，避免节点的局部压屈或脆性破坏，应采用合理的细部构造；
4.构件的拼接一般应按等强度原则设计；
5.尽量简化节点构造，便于加工与现场安装调整。
在结构分析前，就应该对节点的形式有充分的思考与确定。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，必须避免。按传力特性不同，节点分刚接、铰接和半刚接三种。连接的不同对结构影响很大。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大转动，不符合结构分析中的假定，会导致实际工程变形大于计算数据等不利结果。
节点设计应考虑一下主要内容：
1.焊接：
对焊接焊缝的尺寸及形式等，规范有强制规定，应严格遵守。焊条的选用应和被连接金属材质适应。E43对应Q235，E50对应Q345。Q235与Q345连接时，应该选择低强度的E43，而不是E50。
焊接设计中不得任意加大焊缝，焊缝的重心应尽量与被连接构件的重心接近。其他详***内容可查规范中关于焊缝构造方面的规定。
2.栓接：
在建筑工程中，现已多采用栓接。
普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。
高强度螺栓使用日益广泛。常用8.8s和10.9s两个强度等级。根据受力特点分为承压型和摩擦型。高强度螺栓最小规格为M12，常用M16～M30。
连接板：可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪。
梁腹板：应验算栓孔处腹板的净截面抗剪。承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。
节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等施工的空间及构件吊装顺序等。
节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。
参考文献： [1]《钢结构设计规范》GB50017-2003.
[2]《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98.
[3] 陈树华，《钢结构设计》2007（6）.
[4] 王燕，《钢结构设计》2009（5）.
[5] 陈绍番《钢结构》.
[6] 钢结构CAD软件 STS.