一種大跨度鋼框架結構的設計方法與流程
2023-04-27 10:04:32 3
本發明屬於建築結構設計領域，尤其涉及一種大跨度鋼框架結構的設計方法。
背景技術：
現行的工業廠房對跨度較大的框架結構需求量很大。目前的鋼結構設計中，大跨度的網架結構，鋼框架結構等大空間結構應用較多，跨度較大的鋼框架廠房結構，由於荷載較大，結構比較笨重，在工程施工安裝期間，容易產生難就位、不好安裝的問題，甚至可能發生倒塌等事故。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種大跨度鋼框架結構的設計方法，旨在解決現有大跨度框架的結構笨重、施工難、安全係數低、經濟性差的問題。
本發明是這樣實現的，一種大跨度鋼框架結構的設計方法，該方法包括以下步驟：
S1、根據內力包絡圖，對橫梁進行區段劃分，確定各區段截面樣式；
S2、根據橫梁的長度，初步設定各橫梁構件的拼接點位置；
S3、根據截面樣式、拼接點位置建立初步鋼框架模型，設定橫梁載荷並對模型進行初步運算；
S4、根據初步運算結果，對比內力包絡圖和各項參數變化，優化鋼框架模型再行計算，得到理想的鋼框架模型。
優選地，在步驟S4之後還包括步驟：
S5、根據實際施工要求和施工建議對理想的鋼框架模型再做優化計算，得到最終鋼框架模型。
優選地，在步驟S1中，所述各區段截面樣式具體為：
橫梁根部至其最近反彎點之間的區段設為變截面；
兩相鄰反彎點之間的區段設為等截面或者魚腹式截面。
優選地，在步驟S1中，所述確定各區段截面樣式之後還包括以下步驟：確定梁根部的梁高以及反彎點位置的梁高。
優選地，在步驟S2中，所述橫梁構件為直線段形式，長度不超過12m，且在所述橫梁構件為十字或T字形式時，減小橫梁構件的長度和寬度。
優選地，在步驟S3中，所述內力包絡圖、鋼框架模型均通過鋼結構軟體STS建立和計算。
優選地，在步驟S4中，所述各項參數變化包括應力比、長細比、撓度、位移。
本發明克服現有技術的不足，提供一種大跨度鋼框架結構的設計方法，根據框架結構的受力特點，確定合理的框架截面設計，根據結構的經濟型採用變截面梁，此外，根據鋼結構的施工特點，設計合理的組裝方案，合理設計構件的長度，方便構件的運輸和吊裝，優化設計拼接點位置，使施工組裝時更加安全可靠。
相比於現有技術的缺點和不足，本發明具有以下有益效果：本發明用常規的結構形式、常見的構件截面型式來實現大跨度鋼框架廠房結構的設計，具有易加工，自重較輕、容易運輸和組裝、施工安全可靠，經濟實用等優點。
附圖說明
圖1是本發明大跨度鋼框架結構的設計方法一實施例的步驟流程圖；
圖2是本發明實施例中鋼框架的包絡力圖；
圖3是圖2中A部分的包絡力圖；
圖4是圖2中A部分的層梁、牆柱節點輸入及樓面荷載平面圖；
圖5是圖2中A部分的配筋包絡和鋼結構應力比圖；
圖6是圖2中A部分的理想的鋼框架模型；
圖7是本發明大跨度鋼框架結構的設計方法又一實施例的步驟流程圖；
圖8是圖2中A部分的最終的鋼框架模型；
圖9是圖8所示部分鋼框架模型的參數評價數據。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
在本發明實施例中以某一廠房項目為例，本項目建築面積為7931m2，平面尺寸為122m*36m，共二層二跨，每跨為18米，柱距為8米，樓面設計活荷載為4KN/M2，樓面採用疊合樓板。
該項目設計主要程序依次為：方案設計→初步設計→施工圖(優化)設計→施工圖審查。
本發明實施例中18米大跨度鋼框架結構的設計也是遵循上述的流程，重點強調了前期計算分析、施工圖優化設計這兩個環節。首先進行初步建模分析，大致定出結構截面、拼接點位置及結構的支撐系統，接著就是施工圖(優化)設計，通過反覆計算、細緻分析和不斷優化，最終得出合理的結果，使結構的安全性、經濟性達到完美的統一。
更具體的，本發明公開了一種大跨度鋼框架結構的設計方法，如圖1所示，該方法包括以下步驟：
S1、根據內力包絡圖，對橫梁進行截面區段劃分，確定各區段截面樣式；
在步驟S1中，根據大跨度鋼框架結構受力及廠房樓面荷載較大的特點，確定合理的框架中橫梁截面。
更具體的，在步驟S1中，通過中國建築科學研究院編制的鋼結構軟體STS對鋼框架結構建立構件內力包絡圖，對構件進行截面區段劃分，結果如圖2所示，以圖2中截取出的A部分為本發明的分析對象，如圖3所示。
從圖3中可以看出，梁端根部部位彎矩很大，隨著離根部距離的加大，彎矩很快變小，大約在1/4跨度處，彎矩變為零，稱作反彎點，在本發明實施例中，將梁根部至其最近反彎點之間的區段設為變截面；
此外，梁兩個反彎點大約1/2梁跨範圍內，從反彎點開始底部彎矩逐漸增大，在梁中部附近達到最大值，中部區段考慮到施工方便，將兩相鄰反彎點之間的區段設為等截面，寬度較大時，也可以採用魚腹式截面。
最後，梁根部的梁高根據計算需要確定，反彎點位置的梁高可以根據梁中部區段的梁高協調設計。
S2、根據橫梁的長度，初步設定各橫梁構件的拼接點位置；
在步驟S2中，根據杆件的幾何長度，對構件進行拼接點位置初步設定。鋼結構構件是在工廠加工後運送到現場進行拼接組裝。拼接點數量多構件長度小，便於運輸但拼接點耗材多；拼接點數量少構件長度大，運輸困難但拼接點耗材少。合理選擇拼接的數量和位置，既要使拼接點數量較少，減少耗材，又要使構件的長度不太大且比較均衡，便於運輸和安裝，需要豐富的實踐經驗。
更具體的，在本發明實施例中，構件以直線段形式為宜，長度不宜超過12m；當採用必須採用十字、T字等形式時，應減小構件的長度和寬度。
在步驟S2中，根據鋼結構的施工特點，合理設計構件的長度，方便構件的運輸和吊裝；優化設計拼接點位置，設計合理的組裝方案，使施工組裝時更加安全可靠。
S3、根據截面樣式、拼接點位置建立初步鋼框架模型，設定橫梁載荷並對模型進行初步運算；
在步驟S3中，通過鋼結構軟體STS對單品鋼框架建模試算，在確定梁柱構件的截面大小和拼接點的位置後，輸入荷載進行計算，對構件截面和拼接點進行優化，以圖3為對象，計算結果如圖4所示，圖4為層梁、牆柱節點輸入及樓面荷載平面圖。
S4、根據初步運算結果，對比內力包絡圖和各項參數變化，優化鋼框架模型再行計算，得到理想的鋼框架模型。
在步驟S3中，進行了構件截面和拼接點的優化後，重新計算，會發現原來滿足要求的參數(如應力比、長細比、撓度、位移等)可能不再滿足要求。這就要求對步驟S3中的模型進行修改，重新計算，如此反覆幾次，取得一個比較滿意的結果。
因此，在步驟S4中，以圖4內容為對象，將步驟S3的運算結果，對比內力包絡圖和各項參數(如應力比、長細比、撓度、位移等)變化，如圖5所示，對優化的構件截面和拼接點再行計算優化，主以控制構件應力比>0.80且<1.0，拼接點設置在反彎點或者彎矩較小處，最終得到理想的鋼框架模型，如圖6所示(對應圖2中A部分)。
在本發明實施例中，首先進行初步建模分析，大致定出結構截面、拼接點位置及結構的支撐柱，最後對鋼框架模型重複計算、修改，得到理想的鋼框架模型，使結構的安全性、經濟性達到完美的統一。
在進一步的實施過程中，為結合實際施工需要，在本發明實施例中，如圖7所示，在上述步驟S4之後還包括步驟：
S5、根據實際施工要求和施工建議對理想的鋼框架模型再做優化計算，得到最終鋼框架模型。
在步驟S5中，以圖6位對象，初繪鋼框架立面圖，得到自己認為比較理想的模型後，繪出框架立面圖，結合項目組討論意見和建議，再優化模型計算，得到最終模型，詳細繪出框架施工圖，如圖8所示。這樣，經過反覆計算、優化、完善，本發明實施例中完美的鋼框架施工圖就出來了。
對最終模型進行參數評價，如圖9所示，從圖9中可以看出，按本發明設計出來的大跨度鋼框架結構，比一般設計方法可以節省鋼材15％，可給建設方帶來較大的經濟效益。
本發明不僅滿足了建設單位對空間的要求，並且在後期的施工中表現出良好的經濟性、安全性、易施工性、結構的合理性。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。