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钢框架结构柱网尺寸的技术经济分析

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钢框架结构柱网尺寸的技术经济分析陈利华1张昔飞1（开封安利达金属工程有限公司，河南开封，475004）提要：钢框架结构[1]具有很好的抗震性能，能够提供宽敞而灵活的使用空间，造价低廉、施工方便，建筑造型的可塑空间大。

在建筑设计中，只要选择了钢框架结构，就面临柱网尺寸如何确定的问题。

钢框架结构柱网尺寸的选择不仅需要符合建筑设计和使用的要求，同时还要保证经济合理、施工方便。

本文定性和定量的分析了影响柱网尺寸确定的主要因素：工程造价、施工技术难易程度等，得出了他们与柱网尺寸的关系，找出最合理的柱网尺寸。

关键词：钢框架结构柱网尺寸影响因素一、引言为了确定经济合理的柱网尺寸[2]，掌握其规律性，需要对影响柱网尺寸的因素及确定原则进行研究。

为此，首先分析了确定框架结构柱网尺寸的影响因素及它们之间的关系，再利用建筑科学院出版的PKPM2010软件算出实际工程中不同柱网尺寸时对应的钢材消耗量及单平方用钢量，确定最为经济合理的钢框架结构柱网尺寸。

二、影响钢框架结构柱网尺寸的主要因素在实际工程中，柱网尺寸的大小往往不是通过单一的平面关系就能确定的，尤其是比较复杂的建筑物。

影响框架结构柱网尺寸选择的因素很多，如使用功能、建筑布局和造型、工程造价、施工技术难度等。

（1）建筑布局和造型。

一幢高层建筑中，有的楼层可能是办公房间，有的楼层是旅馆，有的楼层是公寓，底层可能是商场或某行业的营业大厅，地下室还要做停车场及设备用房等。

这时，确定建筑物的柱网就不能仅从单一的功能去考虑，必须对建筑物的各种功能进行权衡，找出既适应各种功能又最经济合理的柱网。

（2）工程造价。

当柱网尺寸较小时，构件截面满足构造要求即可，所以其强度不能充分发挥，造成材料浪费；当柱网尺寸较大时，构件尺寸增大，结构的造价也可能提高，故只有合理的柱网尺寸才能使造价最低、最经济。

（3）施工技术难易程度。

当设计柱网尺寸较大时，单根梁的重量可能就比较重了，而由于场地限制吊车又进不去或者没办法伸臂，这是就增加了施工的难度。

所以大柱距钢框架有可能既不经济又增加了施工难度。

三、试验研究试验计算模型为无填充墙全钢框架结构体系，建筑为三层钢结构厂房，层高3.6m。

屋（楼）面恒荷载为4.0KN/m2；基本风压0.45 KN/m2；抗震设防烈度为7度,地震分组为第一组；楼板采用组合楼板（楼承板+现浇混凝土板）；框架梁柱钢材材质为Q345-B，楼承板材质为Q235-B,混凝土强度等级为C30，板内钢筋采用HPB400。

为了便于分析，假定所设计的钢结构厂房开间数保持不变（共8间），以单位面积上的含钢量作为比较标准。

依据建筑设计，其柱网布置如图1所示，其中L0为柱距，分别取L0=4200，4800，5400，6000，6600，7200，7800，8400和9000mm进行计算、分析讨论。

图1. 钢框架柱网布置图对以上8种不同柱网尺寸条件下的钢框架结构进行设计[3][4]，根据钢框架结构设计进行了技术经济指标的计算和用钢量的分析[5]，在不同活荷载的情况下得出相应的结果，次梁每隔两米横向布置，楼板混凝土和钢筋用量不计。

本试验基准计算屋（楼）面活荷载取4.0 KN/m2（表1），再取2.0 KN/m2（表2）和6.0 KN/m2（表3）分别计算与其比较，从而得出比较准确的结论。

（1）、在屋（楼）面活荷载取4.0 KN/m2情况下表1：在屋（楼）面活荷载取4.0 KN/m2情况下，钢结构厂房的含钢量方案一方案（1）方案（2）方案（3）方案（4）方案（5）方案（6）方案（7）方案（8）方案（9）开间L0（mm）4200 4800 5400 6000 6600 7200 7800 8400 9000 恒载（KN/m2） 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 活载（KN/m2） 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0梁截面ZL-1H350x200x8x12H350x200x8x12H350x200x8x12H350x200x8x12H350x200x8x12H400x200x8x12H400x200x8x12H450x200x8x12H500x200x8x12 ZL-2H350x200x8x12H350x200x8x12H350x200x8x12H350x200x8x12H350x200x8x12H400x200x8x12H400x200x8x12H450x200x8x12H500x200x8x12 CL-1H300x160x6x8H300x160x6x8H350x160x6x8H300x160x6x8H300x160x6x8H350x180x6x10H350x180x6x10H400x200x8x12H450x200x8x12柱截面H350 H350 H350 H350 H350 H350 H400 H400 H400x250 x8 x12x250 x8 x12 x250 x8 x12 x250 x8 x12 x250 x8x12 x250 x8 x12 x260 x10 x12 x260 x10 x14 x280 x10 x14 钢材总用量（（t ） 90.6 95.9 102.5 108 113.6 129.4 146.3 164.8 184.4 单位用钢量（kg/m2）63.759.156.153.250.853.155.457.960.5根据上述计算结果绘出钢框架结构单位用钢量W 与柱网尺寸的关系图曲线(如图2)：图2：单位用钢量W 与柱网尺寸关系曲线由上图曲线可知，W5<W6<W4<W7<W3<W8<W2<W9<W1，6.6m 为最经济合理柱距，7.2m 与6.0m 次之。

（2）、在屋（楼）面活荷载取2.0 KN/m2情况下表2：在屋（楼）面活荷载取2.0 KN/m2情况下，钢结构厂房的含钢量方案二 方案（1） 方案（2） 方案 （3） 方案（4） 方案（5） 方案（6） 方案（7） 方案（8） 方案（9） 开间L0（mm ） 4200 4800 5400 6000 6600 7200 7800 8400 9000 恒载（KN/m2） 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 活载（KN/m2）2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 梁 截面ZL-1H300X180 x8 x12H300 X180 x8 x12 H300 X180 x8 x12 H300 X180 x8 x12 H300 x200 x8 x12 H350 x200 x8 x12 H350 x200 x8 x12 H400 x200 x8 x12 H450 x200 x8 x12 ZL-2H300 X180 x8 x12 H300 X180 x8 x12 H300 X180 x8 x12 H300 X180 x8 x12 H300 x200 x8 x12 H35 x200 x8 x12 H350 x200 x8 x12 H400 x200 x8 x12 H450 x200 x8 x12 CL-1H250x150 x6 x8H250 x150 x6 x8H300 x160 x6 x8H300 x160 x6 x8H300 x160 x6 x8H300 x180 x6 x10H350 x180 x6 x10H350 x180 x8 x12H400 X180 x8 x12柱截面H300x220 x8 x12H300 x220 x8 x12 H300 x220 x8 x12 H300 x220 x8 x12 H300 x220 x8 x12 H300 x250 x8 x12 H350 x260 x8 x12 H350 x260 x8 x14 H400 x260 x10 x14 钢材总用量（t ） 80.585.291.896.7106.7120.7135.2154.5171.6单位用钢量（kg/m2）56.6 52.5 50.2 47.6 47.8 49.5 51.2 54.3 56.3根据上述计算结果绘出钢框架结构单位用钢量W 与柱网尺寸的关系图曲线(如图3)：图3：单位用钢量W 与柱网尺寸关系曲线由上图曲线可知，W4<W5<W6<W3<W7<W2<W8<W9<W1，6.0m 为最经济合理柱距，6.6m 与7.2m 次之。

（3）、在屋（楼）面活荷载取6.0 KN/m2情况下表3：在屋（楼）面活荷载取6.0 KN/m2情况下，钢结构厂房的含钢量方案三 方案（1） 方案（2） 方案 （3） 方案（4） 方案（5） 方案（6） 方案（7） 方案（8） 方案（9） 开间L0（mm ） 4200 4800 5400 6000 6600 7200 7800 8400 9000 恒载（KN/m2） 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 活载（KN/m2）6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0 梁 截面ZL-1H400x200 x8 x12H400 x200 x8 x12 H400 x200 x8 x12 H400 x200 x8 x12 H400 x200 x8 x12 H450 x200 x8 x12 H450 x200 x8 x12 H450 x200 x8 x12 H500 x200 x10 x12 ZL-2H400 x200 x8 x12 H400 x200 x8 x12 H400 x200 x8 x12 H400 x200 x8 x12 H400 x200 x8 x12 H450 x200 x8 x12 H450 x200 x8 x12 H450 x200 x8 x12 H500 x200 x10 x12 CL-1H350x160 x6H350 x160 x6H350 x180 x6H350 x180 x6H350 x180 x6H400 x180 x6H400 x180 x8H400 x200 x8H450 x200 x8x8 x8 x8 x8 x10 x10 x10 x12x12柱截面H350x250x8x14H350x250x8x14H350x250x8x12H350x250x8x14H350x260x8x14H350x260x8x14H400x260x10x14H400X300x10x14H450X300x10x14钢材总用量（t）98.7 104.4 111.4 117.1 126.4 139.9 153.8 175.8 201.4 单位用钢量（kg/m2）69.4 64.3 60.9 57.7 56.6 57.4 58.3 61.8 66.1根据上述计算结果绘出钢框架结构单位用钢量W与柱网尺寸的关系图曲线(如图4)：图4：单位用钢量W与柱网尺寸关系曲线由上图曲线可知，W5<W6<W4<W7<W3<W8<W2<W9<W1，6.6m为最经济合理柱距，7.2m与6.0m 次之。

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钢结构 重点(2)

钢结构 重点(2)

1.单层门式钢架结构的组成：檩条、屋脊、屋面墙面、保温层、柱间支撑。

2.单层门式钢架的结构特点：优点：质量轻、工业化程度高，施工周期短、综合经济效益高、柱网布置灵活、门式钢架体系的整体性可以依靠檩条，墙梁及隅撑来保证，从而减少了屋盖的支撑数量，同时支撑多用紧张的圆钢做成，很轻便、门式钢架的梁，柱多采用变截面杆，可以节省材料。

缺点：组成构件的杆件较薄，对制作，涂装，运输，安装的要求高。

构件的抗弯刚度，抗扭刚度比较小，结构的整体刚度也比较柔。

3.门式钢架的结构形式。

按跨度分：单跨、双跨、多跨；按屋面坡脊数分：单脊单坡，单脊多坡，多脊多坡。

4.单脊双坡多跨钢架，用于无桥式吊车房屋时，当钢架柱不是特别高且风荷载也不是很大时，中柱宜采用两端铰接的“摇摆柱”。

但是在设有桥式吊车的房屋时，中柱宜为两端刚接.5.温度分区：纵向温度区段≤300；横向温度区段≤150.6.檩条和墙梁的布置：①屋面檩条一般应等间距布置。

②在屋脊处，应沿屋脊两侧各布置一道檩条。

③在天沟附近应布置一道檩条。

④确定檩条间距时，应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定。

7.荷载效应组合原则？（解答）①屋面均不活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值。

②积灰荷载应与雪荷载或屋面均布荷载中的较大值同时考虑。

③施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑。

④多台吊车的组合应符合《荷载规范》的规定。

⑤当需要考虑地震作用时，所需要考虑的荷载效应组合：用于截面强度和构件稳定性计算；用于锚栓抗拉计算，其永久荷载的抗力分项系数取1.0.8.主要的组合效应：①1.2*永久荷载+0.9*1.4*【积灰荷载+max{屋面均布活荷载，雪荷载}】+0.9*1.4*（风荷载+吊车竖向及水平荷载）；用于截面强度和构件稳定计算；②1.0*永久荷载+1.4*风荷载；用于锚栓抗拉计算。

9.钢架的侧移不满足要求时采取哪些措施？（解答）①放大柱或（和）梁的截面尺寸。

钢结构住宅综合经济效益分析

钢结构住宅综合经济效益分析

表 3 基 础 承受 荷 载 比 较 [3]
钢结构
钢—混凝土组合结构 钢筋混凝土结构
1/2～3/5
2/3～3/4
1
1.4 钢结构住宅施工速度快
三种结构体系的工效比较如表 4 所 示.钢结构适合 于工业化生 产, 在砖混结 构中, 虽然现场 砌筑作业 量大, 但
混凝土养护和梁、柱、板支模作业量比钢筋混凝土 结构的少.
从表 4 可以看出, 三种工程 的施工速度比为:钢结构 > 砖混
结构 > 钢筋混凝土结构.
表 4 三 种 结 构施 工 速 度 比 较 [2]
结构类型 工效 ( d/m2)
钢结构 0. 02 2
钢筋混凝土结构 0.039
砖 混结 构 0.028
1.5 钢结构住宅绿色环保和符合可持续发展 钢结构住 宅绿色环保 , 是 一种节能 、节 地、节水和 节材
项目
理论最佳构成 ( %) 实际平均构成 ( %)
防火
16
30
防锈
12
10
运输和安装
8
7
制造 费 用
28
23
钢材 价 值
32
27
设计 费 用
Hale Waihona Puke 431.2 钢结构住宅有效使用面积利用率高 表 2 列出了三种结构体系的面积利用率.从表 2 可以看
出, 与钢结构混凝土结构相比, 钢结构住宅面积利用 率高约 10%, 与砖混结构相比, 钢结构住宅面积利用率高约 15%.显 然是 由于当荷载相同时钢结构梁柱等结构构件的占 用面积 小的缘故.
表 5 钢、混凝土两种结构的综合比较[7]
内容
框 架 柱 断面
框架梁
楼板
填充墙 ±0.00 以上结构自重
钢筋混凝土框架结构设计中的优化与安全性分析

钢筋混凝土框架结构设计中的优化与安全性分析

钢筋混凝土框架结构设计中的优化与安全性分析钢筋混凝土框架结构是现今建筑工程中最常用的一种结构，其安全性和可靠性对于保障人员生命财产安全至关重要。

而在设计阶段，如何优化结构设计，提高建筑物的承载能力和抗震性，成为设计师面临的重要任务。

本文将从优化设计和安全性分析两个方面进行探讨。

一、优化设计钢筋混凝土框架结构设计阶段，需要根据建筑物的地理环境、建筑物使用功能以及承重情况等多种因素进行考虑，通过合理的结构设计方案，提高建筑物的整体安全性和抗震能力。

1. 材料的选择钢筋混凝土框架结构的优化设计中，材料的选择是至关重要的因素，主要从以下三个方面进行考虑：1）力学性能在结构设计阶段，需要根据建筑物的使用功能和设计荷载，选择具有良好力学性能的钢筋和混凝土材料。

通常情况下，采用大直径的高强钢筋、高强混凝土等材料，可以提高材料的承载能力和抗震性能。

2）耐久性钢筋混凝土结构的使用寿命是一个重要的考虑因素，在材料的选择上，需要考虑材料的耐久性能。

钢筋材料选用不含氢、磷等杂质的优质钢筋，混凝土材料选用优选掺合料，有利于提高混凝土的耐久性能。

3）经济性经济性是针对使用性能特别要求不高的情况下考虑的一个因素。

例如，在需要降低造价的情况下，采用增强弹性模量材料、有机纤维等加强剂，可以起到一定的经济效益。

2. 结构的布局结构布局是钢筋混凝土框架结构优化设计中另一个十分重要的环节。

通常情况下，优化的结构布局应该是结构安全可靠、布局合理且美观大方，具备好的通风采光性能，并且考虑到建筑物的使用功能，增加使用时的舒适性。

3. 抗震设计抗震性能是钢筋混凝土结构设计中最为关键的考虑因素，通常情况下，钢筋混凝土结构的抗震能力依赖于材料的强度、布局和连接方式，因此，进行抗震设计是优化结构设计的主要环节之一。

抗震设计包括结构形式、轴力比、刚度比和拐点等因素的确定，建筑物的抗震能力通常需要根据设计标准进行评估和检验。

二、安全性分析钢筋混凝土框架结构的安全性分析主要涉及到以下方面：1. 结构的承载能力承载力是钢筋混凝土结构安全性的重要因素，设计师需要考虑建筑物的使用功能、地理环境等多个方面指标，应根据设计标准确定建筑结构布置、墙体开口、集中力的作用部位等因素，进行合理的结构设计和布置。

钢结构结构设计期末复习知识点

钢结构结构设计期末复习知识点

影响柱网布置因素：生产工艺流程要求：结构上的要求；经济要求；模数要求托架与屋架的连接；叠接；平接横向框架梁与柱的连接形式；刚接框架；铰接框架；柱脚刚接；铰接框架；刚接框架柱间支撑的布置：1）每列柱都要设柱间支撑2）多跨厂房的中列柱的柱间支撑要与边列柱的柱间支撑布置在同一柱间3）下层柱间支撑一般宜布置在温度区段的中部，以减少纵向温度应力的影响。

4）上层柱间支撑除了要在下层柱间支撑布置的柱间设置外,还应当在每个温度区段的两端设置。

5）每列柱顶均要布置刚性系杆柱间支撑的作用：1）承受并传递纵向水平荷载：作用于山墙上的风荷载、吊车纵向水平荷载、纵向地震力等。

2）减少柱在平面外的计算长度。

3) 保证厂房的纵向刚度。

确定桁架形式的原则；1.满足使用要求：受力合理；3 .制造简单及运输与安装方便；综合技术经济效果好尺寸确定；跨度L—工艺及使用要求；高度H—经济、刚度、运输、坡度等；三角形屋架：中部高度H≈(1/6～1/4)L屋盖支撑的作用；1.保证屋盖结构的几何稳定性；2.保证屋盖的刚度和空间整体性；为弦杆提供适当的侧向支承点；4.承担并传递水平荷载；保证结构安装时的稳定与方便.永久荷载；屋面恒载；檩条自重；屋架、其它构件自重和围护结构自重；可变荷载；屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载及吊车荷载。

内力组合原则；并取最不利组合进行设计。

常用的内力分析方法有图解法、解析法、电算法3.节点刚性影响；节点刚性引起杆件次应力，次应力一般较小，不予考虑。

4.杆件的内力变号；屋架中部某些杆件在全跨荷载时受拉，而在半跨荷载时可能受压。

因此需分别计算全跨与半跨两种荷载工况。

半跨荷载：活荷载、雪荷载、积灰荷载、单侧施工影响钢屋架杆端约束大小的因素：1杆件轴力性质；拉力使杆拉直，约束作用大，压力使杆件弯曲，约束作用微不足道。

2）杆件线刚度大小；线刚度越大，约束作用越大，反之，约束作用越小。

3）与所分析杆直接刚性相连的杆件作用大，较远的杆件作用小。