一种大跨度钢框架结构的设计方法与流程

本发明属于建筑结构设计领域，尤其涉及一种大跨度钢框架结构的设计方法。

背景技术：

现行的工业厂房对跨度较大的框架结构需求量很大。目前的钢结构设计中，大跨度的网架结构，钢框架结构等大空间结构应用较多，跨度较大的钢框架厂房结构，由于荷载较大，结构比较笨重，在工程施工安装期间，容易产生难就位、不好安装的问题，甚至可能发生倒塌等事故。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大跨度钢框架结构的设计方法，旨在解决现有大跨度框架的结构笨重、施工难、安全系数低、经济性差的问题。

本发明是这样实现的，一种大跨度钢框架结构的设计方法，该方法包括以下步骤：

S1、根据内力包络图，对横梁进行区段划分，确定各区段截面样式；

S2、根据横梁的长度，初步设定各横梁构件的拼接点位置；

S3、根据截面样式、拼接点位置建立初步钢框架模型，设定横梁载荷并对模型进行初步运算；

S4、根据初步运算结果，对比内力包络图和各项参数变化，优化钢框架模型再行计算，得到理想的钢框架模型。

优选地，在步骤S4之后还包括步骤：

S5、根据实际施工要求和施工建议对理想的钢框架模型再做优化计算，得到最终钢框架模型。

优选地，在步骤S1中，所述各区段截面样式具体为：

横梁根部至其最近反弯点之间的区段设为变截面；

两相邻反弯点之间的区段设为等截面或者鱼腹式截面。

优选地，在步骤S1中，所述确定各区段截面样式之后还包括以下步骤：确定梁根部的梁高以及反弯点位置的梁高。

优选地，在步骤S2中，所述横梁构件为直线段形式，长度不超过12m，且在所述横梁构件为十字或T字形式时，减小横梁构件的长度和宽度。

优选地，在步骤S3中，所述内力包络图、钢框架模型均通过钢结构软件STS建立和计算。

优选地，在步骤S4中，所述各项参数变化包括应力比、长细比、挠度、位移。

本发明克服现有技术的不足，提供一种大跨度钢框架结构的设计方法，根据框架结构的受力特点，确定合理的框架截面设计，根据结构的经济型采用变截面梁，此外，根据钢结构的施工特点，设计合理的组装方案，合理设计构件的长度，方便构件的运输和吊装，优化设计拼接点位置，使施工组装时更加安全可靠。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明用常规的结构形式、常见的构件截面型式来实现大跨度钢框架厂房结构的设计，具有易加工，自重较轻、容易运输和组装、施工安全可靠，经济实用等优点。

附图说明

图1是本发明大跨度钢框架结构的设计方法一实施例的步骤流程图；

图2是本发明实施例中钢框架的包络力图；

图3是图2中A部分的包络力图；

图4是图2中A部分的层梁、墙柱节点输入及楼面荷载平面图；

图5是图2中A部分的配筋包络和钢结构应力比图；

图6是图2中A部分的理想的钢框架模型；

图7是本发明大跨度钢框架结构的设计方法又一实施例的步骤流程图；

图8是图2中A部分的最终的钢框架模型；

图9是图8所示部分钢框架模型的参数评价数据。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中以某一厂房项目为例，本项目建筑面积为7931m²，平面尺寸为122m*36m，共二层二跨，每跨为18米，柱距为8米，楼面设计活荷载为4KN/M²，楼面采用叠合楼板。

该项目设计主要程序依次为：方案设计→初步设计→施工图(优化)设计→施工图审查。

本发明实施例中18米大跨度钢框架结构的设计也是遵循上述的流程，重点强调了前期计算分析、施工图优化设计这两个环节。首先进行初步建模分析，大致定出结构截面、拼接点位置及结构的支撑系统，接着就是施工图(优化)设计，通过反复计算、细致分析和不断优化，最终得出合理的结果，使结构的安全性、经济性达到完美的统一。

更具体的，本发明公开了一种大跨度钢框架结构的设计方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1、根据内力包络图，对横梁进行截面区段划分，确定各区段截面样式；

在步骤S1中，根据大跨度钢框架结构受力及厂房楼面荷载较大的特点，确定合理的框架中横梁截面。

更具体的，在步骤S1中，通过中国建筑科学研究院编制的钢结构软件STS对钢框架结构建立构件内力包络图，对构件进行截面区段划分，结果如图2所示，以图2中截取出的A部分为本发明的分析对象，如图3所示。

从图3中可以看出，梁端根部部位弯矩很大，随着离根部距离的加大，弯矩很快变小，大约在1/4跨度处，弯矩变为零，称作反弯点，在本发明实施例中，将梁根部至其最近反弯点之间的区段设为变截面；

此外，梁两个反弯点大约1/2梁跨范围内，从反弯点开始底部弯矩逐渐增大，在梁中部附近达到最大值，中部区段考虑到施工方便，将两相邻反弯点之间的区段设为等截面，宽度较大时，也可以采用鱼腹式截面。

最后，梁根部的梁高根据计算需要确定，反弯点位置的梁高可以根据梁中部区段的梁高协调设计。

S2、根据横梁的长度，初步设定各横梁构件的拼接点位置；

在步骤S2中，根据杆件的几何长度，对构件进行拼接点位置初步设定。钢结构构件是在工厂加工后运送到现场进行拼接组装。拼接点数量多构件长度小，便于运输但拼接点耗材多；拼接点数量少构件长度大，运输困难但拼接点耗材少。合理选择拼接的数量和位置，既要使拼接点数量较少，减少耗材，又要使构件的长度不太大且比较均衡，便于运输和安装，需要丰富的实践经验。

更具体的，在本发明实施例中，构件以直线段形式为宜，长度不宜超过12m；当采用必须采用十字、T字等形式时，应减小构件的长度和宽度。

在步骤S2中，根据钢结构的施工特点，合理设计构件的长度，方便构件的运输和吊装；优化设计拼接点位置，设计合理的组装方案，使施工组装时更加安全可靠。

S3、根据截面样式、拼接点位置建立初步钢框架模型，设定横梁载荷并对模型进行初步运算；

在步骤S3中，通过钢结构软件STS对单品钢框架建模试算，在确定梁柱构件的截面大小和拼接点的位置后，输入荷载进行计算，对构件截面和拼接点进行优化，以图3为对象，计算结果如图4所示，图4为层梁、墙柱节点输入及楼面荷载平面图。

S4、根据初步运算结果，对比内力包络图和各项参数变化，优化钢框架模型再行计算，得到理想的钢框架模型。

在步骤S3中，进行了构件截面和拼接点的优化后，重新计算，会发现原来满足要求的参数(如应力比、长细比、挠度、位移等)可能不再满足要求。这就要求对步骤S3中的模型进行修改，重新计算，如此反复几次，取得一个比较满意的结果。

因此，在步骤S4中，以图4内容为对象，将步骤S3的运算结果，对比内力包络图和各项参数(如应力比、长细比、挠度、位移等)变化，如图5所示，对优化的构件截面和拼接点再行计算优化，主以控制构件应力比>0.80且<1.0，拼接点设置在反弯点或者弯矩较小处，最终得到理想的钢框架模型，如图6所示(对应图2中A部分)。

在本发明实施例中，首先进行初步建模分析，大致定出结构截面、拼接点位置及结构的支撑柱，最后对钢框架模型重复计算、修改，得到理想的钢框架模型，使结构的安全性、经济性达到完美的统一。

在进一步的实施过程中，为结合实际施工需要，在本发明实施例中，如图7所示，在上述步骤S4之后还包括步骤：

S5、根据实际施工要求和施工建议对理想的钢框架模型再做优化计算，得到最终钢框架模型。

在步骤S5中，以图6位对象，初绘钢框架立面图，得到自己认为比较理想的模型后，绘出框架立面图，结合项目组讨论意见和建议，再优化模型计算，得到最终模型，详细绘出框架施工图，如图8所示。这样，经过反复计算、优化、完善，本发明实施例中完美的钢框架施工图就出来了。

对最终模型进行参数评价，如图9所示，从图9中可以看出，按本发明设计出来的大跨度钢框架结构，比一般设计方法可以节省钢材15％，可给建设方带来较大的经济效益。

本发明不仅满足了建设单位对空间的要求，并且在后期的施工中表现出良好的经济性、安全性、易施工性、结构的合理性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。