鋼結構設計論文匯總十篇
時間：2023-03-23 15:05:41
序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇鋼結構設計論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。
篇（1）
2加建工程的現狀
我國加建設計起步比較晚，與世界先進國家之間存在著一定的差距。隨著社會的不斷發展與進步，科學技術水平的不斷提高，加建工程得到了很大的發展空間，并且在我國各地都開展了一些舊房挖潛、改造、加建等工程，并且在上海、重慶、廣州、貴陽、昆明等地都將舊房改造工程列入到了城市規劃項目當中，頒布了相應的文件與規章制度。由此可以看出，我國加建工程得到了很大的發展空間。1)由以往的單個房屋加建發展為成片住宅區的加建工程;2)各種新材料、新工藝應用到了加建工程當中;3)輕鋼結構加建技術得到了深入的分析與研究，并且在加建工程中得到了廣泛的應用。
3鋼結構加建的優缺點
開展鋼結構加建工程的時候，具有以下優點:1)節約土地，提高土地面積的使用效率，縮短建設工期;2)因為鋼結構的自重比較輕，因此，加建部分的荷載作用對原結構的影響非常小，不需要單獨對地基進行加固處理，這樣不僅可以減少工作量，還可以縮短工期，節省部分施工成本;3)鋼結構具有較強的多樣性，在進行加建的時候，可以充分發揮空間的優勢，降低對原建筑結構的影響;4)鋼結構加建的適用范圍比較廣，不僅可以對房屋建筑進行加建，還可以對工業建筑進行加建，因此，在建筑加建工程中得到了廣泛的應用。當然，其也存在著一些缺點:1)在進行鋼結構加建之后，其整體建筑結構就會呈現一種上柔下剛、上輕下重的質量與剛度分布，導致建筑整體性較差，缺乏一定的抗震性能;2)鋼結構耐久性較差，在進行加建的時候，需要進行防腐、防火等措施的考慮，這樣就會增加一些建筑材料的使用，此時不僅會涉及到原材料的質量問題，還要考慮原材料的成本問題，因此，存在著一定的不足。
4混凝土框架頂層加建鋼結構設計
1)樓板設計。在設計樓板的時候，現階段一般選用的都是現澆灌技術。目前，現澆灌技術是樓板設計中最為常用與有效的方法，在采用此種方式進行鋼結構施工的時候，可以有效提高建筑結構整體的穩定性、牢固性與安全性。同時，在鋼結構施工中，此種方法可以對出現的問題進行靈活的處理與調整，根據實際情況，提出有效的解決辦法，保證樓板設計與施工的順利進行，確保建筑工程的整體施工質量。2)梁設計。在進行梁設計的時候，一定要結合國際設計標準與實際設計情況，制定合理、科學的鋼構設計要求:首先，在進行梁設計的時候，一定要保證其截面寬度不會低于200mm，同時寬度與高度之間的比值不要超過4。其次，在梁設計中必然要使用一些鋼筋，對其使用鋼筋也要進行一定的規定，保證梁結構具有一定的硬度與抗震性能，進而確保建筑工程整體結構的牢固性與安全性。最后，在設計扁梁的時候，一定要保證梁中線和柱中線重合，采用雙向布置結構。同時對扁梁進行嚴格的計算與設計，保證其結構的合理性與科學性，增強建筑工程整體結構的穩定性。3)柱設計。在進行柱設計的時候，一定要保證其截面符合設計標準:通常情況下，柱截面寬度與高度均不可低于300mm，柱直徑一定要超過350mm，截面短邊與長邊的比值不可以超過3，柱縱向鋼筋配比不可以低于0．2%等。在設計柱的時候，一定要嚴格遵照以上要求，這樣才可以保證柱設計的合理性與科學性，同時增強鋼結構的穩定性，保證建筑工程施工的順利完成。4)基礎承載重量構件設計。在進行基礎承載重量構件設計的時候，一定要綜合考慮各方面的因素，結合建筑負荷、結構形式、施工狀況等，加強基礎設計的合理性與科學性，使其達到建筑工程整體設計要求。針對設計不合理、不符合要求的部分，一定要進行相應的修改，保證其設計的合理性與科學性，這樣才可以保證建筑工程整體的施工質量。
篇（2）
1、引言
由于國家政策、鋼材生產、構件制作、設計研發、標準規范修訂等方面的有利因素，近幾年我國的建筑鋼結構進入了一個全新的發展時期。新材料、新部品、新結構體系不斷出現，鋼結構設計研發、制作安裝能力日益強大，建筑鋼結構向多樣性、適用性、經濟性方向發展。
建筑鋼結構的經濟性能一直是大家最為關注的一個問題。如何控制工程造價，充分發揮鋼結構建筑技術經濟上的綜合優勢，工程設計階段是關鍵階段。據權威資料統計分析，在初步設計階段，影響工程造價的可能性為75%-95%；在技術設計階段，影響工程造價的可能性為35%-75%；在施工圖設計階段，影響工程造價的可能性為5%-35%。因此設計質量的好壞、設計是否優化對工程造價將產生直接的影響。下面以門式剛架輕鋼結構廠房和多、高層鋼結構建筑的設計為例，在材料選用、結構體系等方面進行簡要分析，探討在設計階段控制工程造價，提高建筑經濟性能的可行性。
2、材料選用方面工程造價控制
由于我國鋼產量已經突破兩億噸，鋼材品種更趨于多樣化。各種新型建材，如輕質保溫墻板、彩涂壓型鋼板、樓承板等不斷開發出來并推廣應用。建筑鋼結構在設計階段材料的選擇上有了更大的空間。材料選擇不同，工程直接費不同，總造價不同。設計階段合理選擇建筑材料，控制材料單價或工程量，是控制工程造價的有效途徑。試舉例如下：
（1）彩涂鋼板：彩涂鋼板一般用于輕鋼廠房屋面板和墻面板，有不同板型、不同基板厚度和鋼號、不同鍍鋅板類別和鍍鋅層厚度以及不同的彩涂層類別，在形式上又可選用單板、保溫復合板、單板加內保溫層等，其中保溫層又有超細玻璃絲棉、硬質巖棉、聚苯乙烯等類別及厚度的不同，這些不同都造成單方材料價格的差異，從而影響廠房工程總造價。所以設計時要根據廠房性質、大氣環境等因素綜合考慮，合理選用板材，控制工程造價。
（2）多、高層住宅鋼結構體系的墻體材料：墻體材料造價一般占土建工程造價的15%-25%。對于多、高層住宅鋼結構體系來說，選用配套、經濟、節能的墻體材料至關重要。目前，設計選用的外墻材料主要有水泥保溫外墻板、輕質加氣混凝土砌塊、NALC板等；內墻材料主要有改性石膏板、GRC內墻板、水泥保溫復合板等。萊鋼集團自主研發的LCC-A系列、LCC-B系列和LCC-C系列輕質保溫復合墻板也已應用于在建鋼結構節能住宅工程中，逐步使鋼結構住宅體系走向標準化、定型化和工業化，為降低綜合造價創造了基礎條件。
（3）多、高層鋼結構建筑樓（屋）面的樓承板：設計時，根據在樓（屋）蓋結構體系中的作用，樓承板可采用兩種形式，即①樓承板只作為永久性模板，一般采用普通鍍鋅壓型鋼板即可，對最小鍍鋅量和耐火時間要求較低，價格較便宜；②施工時作為模板，在使用階段則替代受拉鋼筋，即組合樓板。由于在設計中考慮樓承板作為受拉筋，其使用壽命必須與主鋼結構的使用壽命保持一致，所以對其最小鍍鋅量和耐火時間要求較高，單方價格相對較高。
（4）鋼材規格及材質：由于鋼材品種的增多，結構設計時可選擇的構件形式也多了。比如框架柱，可采用熱軋H型鋼、焊接H型鋼、螺旋焊接圓鋼管、焊接方鋼管以及組合截面等形式，鋼梁可采用等截面、變截面等形式。材質可采用Q235普碳鋼，也可采用Q345低合金鋼。設計時應盡可能采用高強度等級的材料，比如采用Q345鋼比采用Q235鋼就可節約鋼材15%-25%，用于受拉或受彎構件節約比例較大。設計時要選用經濟截面型材，比如熱軋H型鋼、T型鋼等。在某些情況下，采用熱軋H型鋼柱、梁可能比采用焊接H型鋼用鋼量稍多，但從加工成本、施工進度等方面綜合考慮，其造價可能更有優勢。
3、結構體系方面工程造價控制
不同的結構體系和平、立面布置對工程造價的影響較明顯。在設計階段只有根據建筑物的使用功能要求，確定合理的平、立面布置和結構體系，才能有效控制工程造價，做到經濟適用。列舉如下：
（1）根據有關資料測算分析，對于多層建筑，不同層數對土建工程造價的影響為10%-25%；不同層高對土建工程造價的影響為1.5%-12%。
（2）門式剛架輕鋼結構廠房設計，同樣存在經濟跨度和剛架最優間距。在工藝要求允許的情況下，盡量選擇小跨度的門式剛架較為經濟。一般情況下，門式剛架的最優間距為6m-9m，當設有大噸位吊車時，經濟柱距一般為7m-9m,不宜超過9m，超過9m時，屋面檁條、吊車梁與墻架體系的用鋼量也會相應增加，造價并不經濟。下表（表3.3）是按《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102:98）進行設計的廠房主鋼用鋼量，通過橫向、縱向比較，可以看出各影響因素在設計階段合理確定的意義。設計荷載取值：恒載0.3KN/m2、活載0.5KN/m2、基本風壓0.55KN/m2、不考慮吊車及懸掛荷載。
柱距7.5m
檐高6.0m
用鋼量
（kg/m2）
柱距7.5m
檐高6.0m
用鋼量
（kg/m2）
柱距7.5m
檐高6.0m
用鋼量
（kg/m2）
跨度
Q345
Q235
跨度
Q345
Q235
跨度
Q345
Q235
1×18.0m
7.20
8.72
2×18.0m
7.16
8.92
3×18.0m
7.38
8.95
1×21.0m
8.41
9.90
2×21.0m
8.45
10.28
3×21.0m
8.43
10.12
1×24.0m
9.22
11.43
2×24.0m
9.68
11.75
3×24.0m
9.29
11.36
1×27.0m
10.54
12.72
2×27.0m
10.86
13.12
3×27.0m
10.35
12.96
1×30.0m
11.57
13.95
2×30.0m
11.92
14.53
3×30.0m
11.35
13.54
1×33.0m
12.86
15.10
2×33.0m
13.21
16.58
3×33.0m
12.46
15.61
（3）在多、高層鋼結構中，樓板結構體系的工程量占有較大比重，對結構的工作性能、造價都有重要影響。在確定樓板結構方案時，主要考慮要保證樓板有足夠的平面整體剛度，能減輕結構的自重及減小結構層的高度，有利于現場安裝方便及快速施工，還要有較好的防火、隔音性能，并便于管線的敷設。常用樓板做法有：壓型鋼板組合樓板、預制樓板、疊合樓板和普通現澆鋼筋混凝土樓板等。目前最常用的做法為壓型鋼板組合樓板和普通現澆鋼筋混凝土板。當采用這兩種做法時，考慮現澆板與鋼梁組合成為共同受力的組合梁，能有效降低鋼梁高度，較多地節約鋼材。
（4）在高層鋼結構中，框架柱采用圓形鋼管混凝土柱，梁、板采用鋼-砼組合結構，總用鋼量比普通鋼結構用鋼量有大幅度減小，能有效降低工程造價。
4、結束語
鋼結構建筑所具有的優點決定其必將具有強大的生命力。設計階段技術創新、選材配套、設計優化是控制造價、促進建筑鋼結構走向產業化的關鍵階段。為此，強調以下幾點：
篇（3）
最為現代最重要的建筑材料，鋼是在19世紀被引入到建筑中的，鋼實質上是鐵和少量碳的合金，一直要通過費力的過程被制造，所以那時的鋼僅僅被用在一些特殊用途，例如制造劍刃。1856年貝塞麥煉鋼發發明以來，剛才能以低價大量獲得。剛最顯著的特點就是它的抗拉強度，也就是說，當作用在剛上的荷載小于其抗拉強度荷載時，剛不會失去它的強度，正如我們所看到的，而該荷載足以將其他材料都拉斷。新的合金又進一步加強了鋼的強度，與此同時，也消除了一些它的缺陷，比如疲勞破壞。
鋼作為建筑材料有很多優點。在結構中使用的鋼材成為低碳鋼。與鑄鐵相比，它更有彈性。除非達到彈性極限，一旦巴赫在曲調，它就會恢復原狀。即使荷載超出彈性和在很多，低碳鋼也只是屈服，而不會直接斷裂。然而鑄鐵雖然強度較高，卻非常脆，如果超負荷，就會沒有征兆的突然斷裂。鋼在拉力（拉伸）和壓力作用下同樣具有高強度這是鋼優于以前其他結構金屬以及砌磚工程、磚石結構、混凝土或木材等建筑材料的優點，這些材料雖然抗壓，但卻不抗拉。因此，鋼筋被用于制造鋼筋混凝土——混凝土抵抗壓力，鋼筋抵抗拉力。
在鋼筋框架建筑中，用來支撐樓板和墻的水平梁也是靠豎向鋼柱支撐，通常叫做支柱，除了最底層的樓板是靠地基支撐以外，整個結構的負荷都是通過支柱傳送到地基上。平屋面的構造方式和樓板相同，而坡屋頂是靠中空的鋼制個構架，又成為三角形桁架，或者鋼制斜掾支撐。
一座建筑物的鋼構架設計是從屋頂向下進行的。所有的荷載，不管是恒荷載還是活荷載（包括風荷載），都要按照連續水平面進行計算，直到每一根柱的荷載確定下來，并相應的對基礎進行設計。利用這些信息，結構設計師算出整個結構需要的鋼構件的規格、形狀，以及連接細節。對于屋頂桁架和格構梁，設計師利用“三角剖分”的方法，因為三角形是唯一的固有剛度的結構。因此，格構框架幾乎都是有一系列三角形組成。 鋼結構可以分成三大類：一是框架結構。其構件包括抗拉構件、梁構件、柱構件，以及壓彎構件；二是殼體結構。其中主要是軸向應力；三是懸掛結構。其中軸向拉應力是最主要的受力體系。
網架結構 這是剛結構最典型的一種。多層建筑通常包括梁和柱，一般是剛性連接或是簡單的通過沿著提供穩定性的斜向支撐方向在端部連接。盡管多層建筑是三維的，但通常某個方向即某一維度要比其他維度剛度更大，所以，其有理由被當做是一系列的平面框架。然而，如果一個框架中某一平面上的構建的特性可以影響其他平面的特性，這個框架就必須當做一個三維框架來考慮。
網殼結構 在這類結構中，殼體除了參與傳遞荷載外，還有其他實用功能。許多殼體結構中，框架結構也會與殼體一起組合使用。再強和平屋頂上“外殼”構件也和框架結構一起承擔壓力。
懸掛結構 在懸掛結構中，張拉索是主要的受力構件。屋面也可以有索支撐。這種形式的結構主要是吊橋。這種結構的子系統，是有框架結構組成，就像加勁桁架支撐索橋。由于這種張拉構建能夠最有效的承擔荷載，結構中的這種設計理念被越來越廣泛的應用。
很多不尋常的結構，是由框架、殼體以及懸掛結構的不同組合形式建造。
在美國，鋼結構的設計主要依據是美國鋼結構協會頒布的規范。這些規范是很多學者和一線工程師的經驗所得。這些研究成果被綜合處理成一套既安全又經濟的設計理念的設計程序。設計過程中數字計算機的出現促使更加精妙可行的設計規則產生。
規范包括一系列保證安全性的規則，盡管如此，設計者必須理解規則的適用性，否則，很可能導致荒謬的、非常不經濟的、有時甚至是不安全的設計結果。
建筑規則有時等同于規范。這些規則涉及所有有關安全性的方面，例如結構設計、建筑細節、防火、暖氣和空調、管路系統、衛生系統以及照明系統。
結構和結構構件必須具有足夠的強度、剛度、韌性，以在結構的使用中充分發揮其功能。設計必須提供足夠的強度儲備，以承當使用期間的荷載，也就是說，建筑物不需承擔可能的超負荷。改變某一結構原來的使用用途，或者由于在結構分析中采用了過度簡化的方法而低估了荷載作用，以及施工程序的變更會造成結構的超載。即使在允許范圍內，構建尺寸的偏差也可導致某個構件低于他所計算的強度。
不管采用哪些設計原理，結構設計必須提供足夠的安全性。必需預防超負荷和強度的不足情況。在過去的三十年里，如何保證設計安全性的研究一直在繼續。使用各種不同的概率方法來研究構件、連接件或者系統的失效可能性。
此外，由于結構鋼構件相當高的造價，與人工安裝費用相比，材料采購成本是巨大的。與其他總承包合同中所涉及的混凝土工程、砌筑工程以及土木工程不同，與人工安
裝費用相比，鋼構件的材料成本是相當大的。
隨著鋼結構建筑的發展，鋼結構住宅建筑技術也必將不斷的成熟，大量的適合鋼結構住宅的新材料也將不斷的涌現，同時，鋼結構行業建筑規范、建筑的標準也將隨之逐漸完善。相信不久的將來，鋼結構住宅必然會給住宅產業和建筑行業帶來一聲深層次的革命，鋼結構的應用前景廣闊！
英文翻譯：
Steel Structure
Steel in one form or another is now probably the most widely used material in the world for building construction. For the framings it has almost entirely replaced timber, except for rather special work, and it has superseded its immediate predecessors, cast iron and wrought iron, for pidges and structural frameworks in general.
Steel , the most important construction material of modern times, was introduced in the nineteenth century. Steel, basically an alloy of iron and a small amount of carbon, had been mad up to that time by a laborious process that restricted it to such special uses as sword blades. After the invention of the Bessemer process in 1856, steel was available in large
quantities at low prices. The enormous advantage of steel is its tensile strength; that is, it dose not lose its strength when it is under a calculated degree of tension, a force which, as we have seen, tends to pull apart many materials. New alloys have further increased the strength of steel and eliminated some of its problems, such as fatigue.
Steel has great advantages for buildings. The steel normally used for structures is known as mild steel; compared with cast iron it is resilient and, up to a point known as the “elastic limit” it will recover its initial shape when the load on it is removed. Even if its loading is increased by considerable margin beyond the elastic limit, it will bend and will stay bent without peaking; whereas cast iron, though strong, is notoriously pittle and, if overloaded, will peak suddenly without warning. Steel is also equally strong in both tension (stretching) and compression, which gives it an advantage over the earlier structural metals and over other building materials such as pickwork, masonry, concrete, or timber, which are strong in compression but weak in tension. It is for this reason that steel rods are used in reinforced
concrete—the concrete resisting all compressive stresses while the steel rods take up all the tensile (stretching) forces.
In steel-framed building, the horizontal girders which carry the floors and walls are
themselves supported on vertical steel posts,
Known as “stanchions” , which transfer the whole load of a building down to the
foundations, except for the lowest floor which rests on the ground itself. A flat roof is framed in the same way as a floor. A sloping roof is carried on open steel lattice frames called roof trusses or on steel sloping rafters.
The steel framework of a building is designed from the roof downwards, all the loading, both “dead” and “live” (including wind forces) , being calculated at successive levels until the total weight carried by each stanchion is determined and the foundations designed accordingly. Whih this information the structural designer calculated the sizes and shapes of the steel parts needed in the whole structure, as wall as details of all the connexions. For roof trusses and lattice girders, he uses the method of “triangulation” because a triangle is the only open frame which is inherently rigid. Therefore, lattice frameworks are nearly always built up from a series of triangles.
Steel structures may be divided into three general categories: (a) framed structures,
where elements may consist of tension member, columns, beams, and members under
combined bending and axial load; (b) shell-type structures, where axial stresses predominate; and (c) suspension-type structures, where axial tension predominates the principal support system.
Framed Structures Most typical building construction is in this category. The
multistory building usually consists of beams and columns, either rigidly connected or having simple end connections along with diagonal pacing to provide stability. Even though a multistory building is three-dimensional, it usually is designed to be much stiffer in one direction than the other; thus it may reasonably be treated as a series of plane frames.
However, if the framing is such that behavior of the members in one plane substantially influences the behavior in another plane, the frame must be treated as a three-dimensional
space frame.
Shell-Type Structures In this type of structure the shell serves a use function in
addition to participation in carrying loads. On many shell-type structure, a framed structure may be used in conjunction with the shell. On walls and flat roofs the “skin” elements may be in compression while they act together with a framework.
Suspension-Type Structure In the suspension-type structure tension cables are major supporting elements. A roof may be cable-supported. Probably the most common structure of this type is the suspension pidge. Usually a suspension pidge. Since the tension element is the most efficient way of carrying load, structures utilizing this concept are increasingly being used.
Many unusual structure utilizing various combinations of framed, shell-type, and
suspension-type structure have been built.
Structural steel design of buildings in the USA is principally is principally based on the specifications of the American Institute of Steel Construction (AISC), The AISC
Specifications are the result of the combined judgment of researchers and practicing engineers. The research efforts have been synthesized into practical design procedures to provide a safe, economical structure. The advent of the digital computer in design practice has made feasible more elaborate design rules.
A lot of unusual structure, is made up of frame, shell and different combination forms of hanging structure.
In the United States, the design of steel structure is mainly on the basis of regulations
promulgated by the American association of steel structure. These specifications are a lot of scholars and a line engineer experience. The results of this study was comprehensive
processing into a set of safe and economic design idea of design program. The design process of the digital computer prompted a more sophisticated feasible design rules.
Specification includes a series of security rules, in spite of this, the designer must
understand the applicability of the rules, otherwise, is likely to lead to absurd, very
uneconomical, sometimes even unsafe design result.
Building rules sometimes equated with specification. These regulations cover all aspects relating to the safety, such as structure design, architectural details, fire protection, heating and air-conditioning, piping system, health systems, and lighting systems.
Structure and structural components must have sufficient strength, stiffness, toughness, in order to give full play to its functions in the use of the structure. Reserves of design must
provide sufficient strength to bear the load during use, that is to say, the buildings do not need to bear the possible overload. Change a structure of the original purpose, or because of excessive simplified method was adopted in the structural analysis and underestimated the load, as well as the construction process of change will cause the overload of the structure. Even within the scope of the permit, building size of the deviation can also lead to a
component is lower than the strength he calculates.
No matter what design principle, structure design must provide adequate security. The lack of necessary to prevent overload and intensity. Over the past 30 years, the research of how to ensure the safety design has continued. Use a variety of different probability method to study the components, fittings or system failure probability.
In addition, due to structural steel components are very high cost, compared with the cost of installation of artificial, material procurement cost is huge. With other involved in the general contract of building project and civil engineering, concrete engineering, compared with the manual installation cost, material cost of steel components are considerable.
With the development of steel structure, steel structure residential construction
篇（4）
2鋼架加固
2．1加固設計方案
按照上述工程實例情況，基于目前加固設計標準和操作規范，結合事故檢測報告中提及的問題進行分析，本文設計了2種鋼架加固方案，進行篩選。方案一:通常廠房荷載計算只選取恒荷載，一般為50年最大風雪荷載量進行計算。這種方案計算所得的輕鋼廠房強度并不能滿足實際工作需求，也不能達到設計標準。為解決上述問題，本方案對承重梁進行加腋處理，以緩解焊接重量，柱翼緣選擇對稱焊接，以提高承載能力。該方案所需焊接工作量大，對生產過程的影響也大。方案二:對上述工程實測數據分析可知，廠房懸掛荷載較低，鋼架所承受恒荷載為0．3kpa。按照上述數據可知，輕鋼廠房外部構件穩定性不達標，在柱翼緣處加入剛性系桿，以緩解這一問題。該加固方案工作量較少，對廠房內部設備生產運行影響也小。對廠房實際工作情況進行分析，在廠房運行過程中不能有灰塵產生，兩種方案進行對比分析，選取方案二進行加固處理。
2．2荷載取值范圍
在計算過程中確定荷載取值范圍，選擇輕鋼結構設計可以按照相關設計規范選取合理數值。通常情況，雪壓、風壓選取50年內最大值，本工程分別選取0．5kpa和0．55kpa;恒荷載量取0．3kpa，懸掛荷載量取0．1kpa;房屋自重計算得0．2kpa。按照上述荷載取值范圍進行核算，該數值是按照單向剛接計算所得，而實際工作中是雙向剛接，應對上述數據進行處理。根據上述數據可見，輕鋼結構中主要存在超負荷工作現象，大部分鋼架外部穩定應力超過承受限值。經分析可知，保證鋼架柱穩定應力不超過1，面部長度應取5．5米進行計算。此外，鋼架梁所承受的應力也超極限運行，要保證穩定性達標，面外長度應取3米進行計算。
2．3剛架結構的加固
如圖2所示，剛架結果加固處理即在柱間設置剛性系桿，以降低軸面外部的長度，設計規范中規定，面積應小于5．5m2，該工程計算0．9m×5．85m=5．25m2，符合規范條件。
3維護結構的加固設計
3．1檁條的加固設計
在對檁條進行加固設計中，應首先確定檀條部分的荷載數值。參考本次雪災積雪分布規律進行計算。在進行加固處理時，應輕輕揭開廠房外頂板，為確保廠房能夠正常運行，廠房內部環境不受影響，應將廠房內頂板留于廠房頂部，為緩解承載應力作用，應增加檁條數量。檁條加固設計時應結合實際積雪荷載量和分布范圍，選擇最為經濟合理的檁條位置和數量進行加固設計。積雪較少的位置處檁條可以不改變布設位置，在原檁條位置加設2．5毫米厚的C狀檀條;在積雪符合較大的區域，在原檁條處加設3毫米厚的C狀檀條，加設的C狀檀條高度應與原檀條保持一致;在積雪最嚴重的區域，可利用25a熱軋槽或者H型鋼檁條焊接到原檀條位置，對受損部位進行焊接修復處理，以加強原檁條的承載能力。
3．2其他結構的加固設計
屋面支撐材料的加固應遵循設計規范中規定的設計方法進行設計，加設剛性系桿以提高屋面整體的承載能力，同時，設計者還應考慮實際加固施工的可操作性，選取最方便可行的設計方案。墻梁加固設計中，可在需要加固的墻梁部位增設一道墻。懸掛梁加固時應在連接處加設剛性系桿，以增強梁的承載力。雨篷加固，可將槽鋼焊接在橫梁上，增大衡量的抗扭強度。
篇（5）
2不等高梁與柱的剛性連接
不等高梁與柱剛性連接時，如圖2所示，當兩端梁的高差不大于150mm，根據《多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖》規定，截面高度度較小一側的鋼梁，其與柱的連接牛腿應按1:3進行放坡，并在轉折處設置加勁板。當兩端梁的高差大于150mm時，如圖3所示，對應于每個梁翼緣的位置，均應設置水平加勁板。截面高度較小一側的梁還應在牛腿腹板下方設置豎直加勁板。
3梁上起柱
根據結構需要，鋼桁架的部分鋼柱需在主梁上生根，也就是所謂的梁上起柱。這種節點在深化設計之前應先建立三維模型或進行桁架放樣，以便確立鋼柱的準確定位。鋼柱的柱腳應做靴梁，將柱腳應力均勻擴散至鋼梁上翼緣。鋼梁上對應鋼柱靴梁的位置處也應設置加勁板，使力的傳遞均勻擴散。
4三維建模在深化設計階段的應用
本工程由于建筑造型復雜，其結構桿件大多高低起伏，各連接節點均為三個方向連接構件且角度不一。因此，在鋼結構部分深化設計的同時，應根據施工圖首先建立三維模型。模型中，應將各構件及連接節點按照1:1的比例輸入模型。待模型建立完畢后，整個工程的結構桿件便全部呈現于模型當中。三維模型除了能直觀的反映各構件之間的連接關系外，還能校核深化設計的準確性。若節點設計出現問題，能立刻從模型中反映出來，避免了傳統的二維放樣出現錯誤只能在構件現場安裝時才發現的失誤，從而大大提高了深化設計的準確性。
篇（6）
失穩和屈曲的概念
Bazant [14]、Farshad [15]、Huseyin [16]等引述和討論了穩定和屈曲的定義，他們從不同的角度和范圍描述了失穩現象，并指出屈曲是眾多失穩現象中的一個模式，屈曲是發生在結構中的一種失穩。文獻[14]-[18]討論了結構產生屈曲的原因，可以定義結構的屈曲為處于高位能的結構由平衡臨界狀態隨著能量的釋放向處于低位能的結構平衡臨界狀態轉移的過程，發生平衡轉移的那個瞬間狀態，就是臨界狀態。這也是目前比較廣泛被接受的解釋[19]。具體地講有三種：
1) 、從能量的角度來說，結構失穩就是儲存在結構中的應變能形式發生轉換。
2) 、從力學要素的性質方面來說，失穩是結構中承載的主要力學要素的性質發生了變化。
3) 、從變形角度來說，失穩在實際上也可以被認為是一種從彈性變形到幾何變形的變形轉移。
鋼結構構件以軸壓、壓彎構件居多，如上所述，其核心問題是穩定問題。就單個鋼結構構件而言，影響穩定的主要因素有殘余應力的分布、初始缺陷、截面形狀、幾何尺寸、材料強度和構件的長度等。【2】張志剛。而近年來，采用新技術設計和建造的大型復雜空間鋼結構形式（如網殼結構、拱、弦支穹頂結構等）越來越多，通常這類結構整體上或某些較大區域內承受很大的壓力作用，也即某些構件承受很大軸向壓力，使得這類結構容易引發整體失穩或某區域內的局部失穩現象。大型復雜結構 的這一力學特征顯著不同于傳統的小跨度或小規模簡單結構，因而，在設計這類結構時，除按常規設計規范驗算結構構件的強度及穩定性，結構的剛度外，設計者還要驗算結構的整體穩定性。【3】整體結構穩定
在現階段的鋼結構設計中，常以計算長度系數法來進行整體結構的整體穩定性分析。以鋼框架為例【3】P94
目前大部分工程師在設計鋼框架結構承載力時，常分兩步進行。第一步進行結構分析，通過一階彈性分析確定構件在各種外荷載與作用組合工況下的內力效應；第二步進行構件設計，首先查得采用彈性近似分析法確定的構件計算長度系數，然后按現行《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）的計算公式求得構件的承載力。如果所有構件的承載力大于外荷載產生的效應，則認為結構體系整體和構件均滿足承載力要求。 這種設計方法以通過計算長度系數把構件承載力驗算和結構整體穩定承載力驗算聯系起來，被稱為計算長度系數法。
對于一些大跨空間結構桿件的計算長度系數取值，規范缺乏詳細的規定，沒有提出明確的計算方法。針對實際工程設計時，桿件計算長度系數的取值往往無據可依。為了設計方便，
工程上常通過反推的方法來確定計算長度系數。方法有兩種
1） 反推法
為了鋼結構設計應用上的方便，可以把各種約束條件的構件屈服荷載Pcr 值換算成相當于兩端鉸接的軸心受壓構件屈曲荷載的形式，其方法是把端部有約束的構件用等效長度為l0
22P =πEI /l cr 0的構件來代替，這樣。等效長度通常稱為計算長度，而計算長度l0與構件
實際的幾何長度之間的關系l 0=μl ，這里的系數μ稱為計算長度系數。對于均勻受壓的等截面直桿，此系數取決于構件兩端的約束。這樣一來，具有各種約束條件的軸心受壓構件的屈曲荷載轉化為歐拉荷載的通式是：
π2EI P cr =(μl ) 2
構件截面的平均應力稱為屈曲應力：
P cr π2EI π2E σcr ===2A (μl /i ) 2λ
式中A 為面積，λ為長細比，λ=μl i ；而i
為回轉半徑，i =關。計算長度系數的理論值可寫作：
μ=
其中PE 為歐拉荷載，即兩端鉸接的軸心受壓構件的屈曲荷載。
對兩端固接
自由=μ= 0.5，兩端鉸接μ= 1.0，一端固接，一端鉸接μ= 0.7，一端固接，一端μ= 2.0。
2） 反彎點法
通過對整體結構進行屈曲分析，可以得到結構及桿件發生屈曲時彎矩圖或變形曲線圖。彎矩圖和變形曲線圖均可以反映出桿件反彎點之間的距離l0。因為反彎點的彎矩為零，因此與鉸支點的受力相當。L0可以代表該桿件的計算長度。根據不同的約束條件，反彎點可能落在桿件的實際長度范圍之內，也可能在其延伸線上。由于約束條件是多種多樣的，有時很難在變形曲線上表示出反彎點之間的距離。反彎點法主要包括以下3個步驟：
1） 由屈曲分析得到結構及桿件的屈曲模態；
2） 提取桿件屈曲模態對應的彎矩圖或變形曲線中變形位移曲線；
3） A ） 確定彎矩圖中反彎點的位置，從而得出桿件的計算長度及計算長度系數；
4） B) 根據圖（）中桿件發生屈曲時的變形曲線，可以根據桿件已有的變形擬合出此桿
件在理想鉸接狀態下的變形曲線。對比兩個曲線圖，確定桿件變形曲線的拐點（即反彎點）位置，從面可以得出桿件的計算長度及計算長度系數。
計算長度系數的推導方法：
計算長度系數的推導
圖4-1 無側移剛接框架柱的計算簡圖
圖4-1給出的是無側移多層鋼框架的子結構，利用受彎構件和壓彎構件的轉角位移方程，代入θE =θF =-θB ，θG =θH =-θA ，且θC =-θB ，θD =-θA 建立與節點A 有關的梁端與柱端力矩：
M AG =M AH =
M AB =M AC EI b 22θA (4-1) l EI =c (C θA +S θB ) (4-2) h
其中，C 、S 根據無側移彈性壓彎構件轉角位移方程確定：
kl sin(kl ) -(kl ) 2cos(kl ) (kl ) 2-kl sin(kl ) ，S =，k =C =2-2cos(kl ) -kl sin(kl ) 2-2cos(kl ) -
kl sin(kl ) =π根據節點平衡條件：
可得：
EI ?EI ?EI 2 2b 2+C c ?θA +2S c θB =0l h ?h ? M AB +M AC +M AG +M AH =0
或 (2K 2+C )θA +S θB =0
(4-3)
式中：
K 2=I b 2/l I c /h
同時，可求出節點B 的彎矩平衡條件為
S θA +(2K 1+C ) θB =0 (4-4)
式中：
K 1=I b 1/l I c /h
由公式（4-3、4-4）組成無常數項的聯立程。要得到θA 和θB 的非零解，必須系數行列式等于零。這就是說，子結構失穩時應滿足下列條件
2K 2+C
S
即 S =02K 1+C
C 2+2(K 1+K 2) C +4K 1K 2-S 2=0 (4-5)
把式中的C 和S 代入公式(4-5)整理后得，即得下列臨界條件：
2??π?2??π??π????π??π?? μ??+2(K 1+K 2) -4K 1K 2? μ??sin μ??-2?(K 1+K 2) μ??+4K 1K 2?cos μ??+8K 1K 2=0??????????????????
(4-6)
其中，式中的K 1與K 2分別表示柱下端與上端的梁的線剛度之和與各柱的線剛度之和的比值，說明計算長度系數μ的值取決于K 1與K 2。
對于有側移框架也可以按以上方法推導，過程從略，得到的臨界條件為：
2??π??
?36K 1K 2- μ???t ???????π?π?a +6(K +K ) =0 12 μ?μ??
(4-8)
《高層民用建筑鋼結構技術規程》第6.3.2條，
指出對于框架柱的計算長度系數可采用下列的近擬公式計算：
1. 有側移時
μ=
2. 無側移時 7. 5K 1K 2+4(K 1+K 2) +1. 52 (4-9) 7. 5K 1K 2+K 1+K 2
μ=0.64K 1K 2+1.4(K 1+K 2)+3 (4-7) 1.28K 1K 2+2K 1+K 2+3
K 1與K 2分別表示柱下端與上端的梁的線剛度之和與各柱的線剛度之和的比值 其中有側移框架常指純框架體，無側移結構常指有支撐和（或）剪力墻的體系
4.1 計算長度系數確定方法
《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)(以下簡稱“規范”) 對框架柱的計算長度系數有明確的規定。在框架平面內框架的失穩分為有側移和無側移兩種，有側移框架的承載力比無側移的要小得多。因此，確定框架柱的計算長度時首先要區分框架失穩時有無側移。框架柱的分析方法有兩種：一是采用一階分析方法（計算長度法），即分析框架內力時按一階理論，不考慮框架二階變形的影響，計算框架時用計算長度代替柱的實際長度考慮與柱相連的影響；二是采用二階或近似二階分析方法求得框架柱的內力，穩定計算時取柱的幾何長度。目前國內外大多數國家的規范采用了計算長度法。該方法的計算步驟為：首先采用一階分析求解結構內力，按各種荷載組合求出各桿件的最不利內力；然后按第一類彈性穩定問題建立框架達到臨界狀態時的特征方程，確定各柱的計算長度；最后將各桿件隔離出來，按單獨的壓彎構件進行穩定承載力的驗算。驗算中考慮了材料非線性和幾何缺陷等因素的影響。該方法的最大特點是采用計算長度系數來考慮結構體系對被隔離出來構件的影響。該方法對比較規則的結構可以給出比較好的結果，而且計算比較簡單。
柱的計算長度系數與相連的各橫梁的約束程度有關。而相交于每一節點的橫梁對該節點所連柱的約束程度，又取決于相交于該節點各橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比。因此，柱的計算長度系數就由節點各橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比確定，常見的鋼框架設計方法中均給出了根據框架柱端部約束條件直接查用的計算長度系數表格或曲線。“規范”將框架分為無支撐純框架和有支撐框架，根據支撐抗側移剛度的大小，有支撐框架又可分為強支撐框架和弱支撐框架。
根據不同的情況，不同支撐框架柱可分別選用有側移框架柱和無側移框架柱的計算長度系數μ[47]。
“規范”有側移和無側移框架柱的計算長度系數μ均為根據一定理想化的假定得到。對于需要確定無側移框架計算長度的柱子以及與之相連的4根梁和上下兩根柱的計算模型如圖4-1。對有、無側移框架均采用了理想化的假定[46,48,49]。
無側移框架柱確定計算長度系數μ時的基本假定[46]：1) 、梁與柱的連接均為剛接；2) 、柱與上下兩層柱子同時失穩，即圖4-1中，柱AB 與柱BD 、AC 同時屈曲；
3) 、剛架屈曲時，同層的各橫梁兩端轉角大小相等，方向相反；4) 、橫梁中的軸力對梁本身的抗彎剛度的影響可以忽略不計；5) 、柱端轉角隔層相等；6) 、各柱
的這里P 是柱子的軸力，P E 是柱子計算長度系數為1時的歐拉臨界力；7) 、失穩時各層層間位移角相同；8) 、材料為線彈性材料。
有側移框架柱確定計算長度系數μ時同無側移框架柱的基本假定大體相同，只是在第3點：剛架屈曲時同，同層的各橫梁兩端轉角大小相等但方向相同。
4.1.2 網殼規程的規定
《網殼結構技術規程》(JGJ61-2003)根據節點的型式，規定了構件的計算長度。對于雙層網殼桿件計算長度應按表4-1采用，單層網殼按表4-2采用。
表4-1 雙層網殼桿件的計算長度l 0
節 點
桿件
螺栓球
弦桿及支座腹桿
腹 桿 l l 焊接空心球 0.9l 0.9l 板節點 l 0.9l
表4-2 單層網殼桿件的計算長度l 0
節 點
彎曲方向
焊接空心球
殼體曲面內
殼體曲面外 l l 轂節點 0.9l 0.9l
“規范”及網殼規程的這些規定有很大的局限性：對于其它節點型式，特別
是大型網殼結構，桿件規格多、截面尺寸大、構造復雜，采用上述節點型式將很不合理，導致無法采用現成的規范條文；而且本章后續的研究表明：網殼規程所取的計算長度系數，特別是單層網殼，存在較大的安全隱患，不能直接運用于設計中；構件的計算長度系數也不僅僅簡單地與節點型式相關；當前規范針對大跨空間結構構件的計算長度取值，缺乏明確的規定，更沒有提出計算方法，導致結構設計人員無據可依。實際工程設計中，通常將需要穩定設計的構件近似為軸壓構件，通過歐拉公式反推的方法來確定計算長度系數，常見的各種方法如本章4.4節所述。
4.4.1 工程設計常用的方法
歐拉荷載的推導：
加圖：（P31）【5】陳驥的書
所圖所示兩端鉸接的挺直的軸心受壓構件，按照小撓度理論求解中性平衡狀態時彈性分岔彎屈屈曲荷載。
如圖所示，兩端鉸接的軸心受壓桿件，在壓力P 的作用下，根據構件屈曲時存在微小彎曲變形的條件，先建立平衡微分方程，再求解構件的分岔屈曲荷載。在建立彎曲平衡方程時作如下基本假定：
（1） 構件是理想的等截面挺直桿。
（2） 壓力沿構件原來的軸線作用。
（3） 材料符合胡克定律，即應力和應變呈線性關系
（4） 構件變形之前的平截面在彎曲變形后仍為平面。
（5） 構件的彎曲變形是微波的。曲率可以近似地用變形的二次微分表示，即（）
可取如圖隔離體，列方程：（EIy``+PY=0）推導得出：P=n2pi()2EI/l2，其中式中n=1時為構件具有中性平衡狀態時的最小荷載，即分岔屈曲荷載Pcr ，又稱為歐拉荷載Pe=pi^2EI/l2
采用計算長度系數進行穩定設計的原因：
的概念：
穩定問題具有多樣性、整體性及相關性三個問題：【5】陳紹蕃P94
1） 多樣性：軸性受壓桿件有彎曲屈曲、扭轉屈曲、彎扭屈曲等多種形式。
2） 整體性：構件作為結構的組成單元，其穩定性不能就其本身去孤立地分析，而
應當考慮相鄰構件對它的約束作用。這種約束作用顯然要從結構的整體分析來確定。穩定問題的整體性不僅表現為構件之間的相互約束作用，也存在于圍護結構與承重結構之間的相互約束作用中，只不過在通常的平面結構（框架和桁架）的分析中被忽略了。
3） 相關性：具體體現在不同失穩模型之間有耦合作用、局部屈曲與整體屈曲互有
影響、組成構件的板件之間發生屈曲時有相互約束用等。
【5】P169
結構和構件喪失穩定屬于整體性問題，需要通過整體分析來確定它們的臨界條件。不過，為了計算簡便，目前在設計工作中的做法是所計算的受壓構件（或壓彎構件）從整體結構中分離出來計算，計算時考慮結構其他部分對它的約束作用，并用計算長度來體現這種約束。
計算長度的概念：
計算長度的概念來源于理想軸心壓桿的彈性分析。其把端部有約束的壓桿化作等效的兩端鉸接的桿件，等效條件為兩者的承載力相同。
構件在荷載作用下的變形曲線圖可以反映出了反彎點之間的距離，此距離代表了該構件的計算長度；因為反彎點的彎矩為零，因此與鉸支點的受力相當。根據不同的約束條件，反彎點可能落在構件的實際長度范圍之內，也可能在其延伸線上[46]。
常見的結構形式的受壓構件的計算長度系數在相應的規范及規程中都有所體現。將規范涉及到的可以直接使用的規范例舉如下：
1） 鋼結構設計規范第5.3條：桁架：含弦桿、單系腹桿（用節點板與弦桿連接）、交叉腹桿，
均分平面內與平面外的計算長度考慮；
框架：依據側移剛度將框架分為無支撐、弱支撐和強支撐框架三種，分別按照本規范的附錄D 的表格D-1至D-2查找框架柱的計算長度系數；
單層廠房的階形柱（單階柱及雙階柱）：按本規范附錄D-3至D-6查找相應的計算長度系數
2） 鋼高規：第6.3.1及6.3.2條規定了鋼框架柱的計算長度取值
指出1）重力荷載作用下的穩定計算，應按鋼結構設計規范相應條文進行，并指出相應的近似公式：。。。。
2）結構在重力和風力或多遇地震作用組合下的穩定計算相應的計算長度系數。
網殼結構技術規程：第5.1條，根據鋼殼的分類及其節點的做法形式，分別定義其計算長度系數
3） 空間網格結構技術規程：第5.1條，根據網架、雙層網殼、單層網殼、立體桁架及其桿
件分類和節點形式，分別定義其計算長度系數
對于梁-柱鋼框架結構體系，可直接采用規范查表的方法或實用公式確定構件的計算長度系數。但對于大多數不規則（非梁-柱鋼框架結構體系）的大跨空間結構構件的計算長度取值，如上所述，規范不可能包含所有的結構類型，也缺乏明確的規定，沒有提出計算方法，導致結構設計人員無據可依。
因此為了設計方便，工程上通常將其近似為軸壓構件，通過反推的方法來確定計算長度系數。
大跨度結構及其桿件的穩定問題都是一個整體問題，各桿件互相支承、互相約束，任何一個構件的屈曲都會受到其他構件的約束作用，影響因素較多。而對于空間鋼結構桿件的計算長度系數，規范（桁架體系、網殼結構）根據桿件位置規范一般規定在0.8~1.0范圍內取值。有學者的研究資料表明：對于復雜結構體系中部分桿件，采用低于1.0的計算長度系數取值可能偏于不安全。因此，工程上常從整體結構穩定性角度出發，取重力荷載（自重＋附加恒載＋活荷載）標準值工況組合作用作為初始態，根據計算長度系數的物理意義，通過整體結構線性屈
曲分析來研究各主要桿件的計算長度系數，主要包括以下3個步驟[56]：
1) 、由線性屈曲分析得到結構的各階屈曲模態以及屈曲臨界荷載系數；
2) 、檢查各階屈曲模態形狀，確定該桿件發生屈曲時的臨界荷載系數，乘以相應的初始態軸力，得到該構件的屈曲臨界荷載P cr ；
3) 、由歐拉臨界荷載公式反算各桿件的計算長度系數，即：
π2EI P cr =
2(μl )
μ=式中：EI 為桿件發生屈曲方向的彈性抗彎剛度；P cr 為桿件對應的屈曲臨界荷載；l 為桿件的幾何長度；μ為桿件計算長度系數。
由4.3.2節可知，當某個方向的荷載（如水平荷載）較大時，確定計算長度系數的初始態應采用各工況的組合，這樣，根據不同的荷載組合下（初始態）反推出來的計算長度系數是不同的。
確定計算長度系數主要是確定歐拉臨界荷載P cr 。
本文以確定一平面無側移框架柱的計算長度為例，詳細地介紹工程設計中。如圖4-6所示的有側移，橫梁與柱均為剛接，柱的截面為H500×400×12×20， I c =1.019×109mm 4，為保證柱先于梁發生屈曲，設梁的截面為1000×400×30×30， I b =9.80×109mm 4，鋼材采用Q235。作用在梁上的荷載標準值q=60kN/m，柱高l c =6m，梁長度l b =6m。
圖4-6 無側移剛架
按規范的設計方法，由K 1i =i b
c EI b /l b I b l c 9.80?109?6000====9.6173，EI c /l c I c l b 1.019?109?6000
K 2=0根據鋼結構規范附錄D 表D-1，采用插值法μ=0.7341, 或采用實用公式的方法：
μ=0.64K 1K 2+1.4(K 1+K 2) +31.4?9.6173+3==0.7404 1.28K 1K 2+2(K 1+K 2) +32?9.6173+3
.3.2 整體屈曲法
通過整個結構的屈曲分析確定該構件的計算長度，其方法是將該構件放在整體模型中，進行屈曲模態分析，從而得到歐拉臨界力和屈曲系數的方法。整體模型的屈曲分析具有較為直觀的屈曲模態，可以直接看到結構整體的屈曲變形，通過判斷各階屈曲模態對應的變形來判斷具體結構構件是否發生屈曲，從而得到其對應的屈曲臨界力[57]。該方法較難判斷具體構件應對應的屈曲模態，常導致計算結果偏于保守；但該方法考慮了諸多計算長度系數的影響因素，與實際情況也相符合，較為合理。
本文采用SAP2000做鋼框架的屈曲分析。在荷載q 的作用下，鋼框架的軸力如圖4-7(a)所示，圖(b)為構鋼框架的第一階屈曲模態，從變形圖可以看出，柱子發生了屈曲。 -180-180
(a) q作用下的軸力(kN) (b) 第一階屈曲模態(η=784.547)
圖4-7 荷載作用下的軸力及屈曲模態
所以，柱子的臨界荷載為：
P cr =ηP =180?784.547=141218.46kN
由歐拉臨界荷載公式反算各桿件的計算長度系數：
μ===0.638
由此可見，兩者非常接近。工程中的一系列對比，也說明這些做法是正確的，下面以筆者的一個實例來說明些方法在工程實踐中的運用。
本算例取決于某工程的施工頂升架，頂模鋼平臺由桁架層、支撐柱和支撐鋼梁組成，鋼平臺桁架層由主桁架、次桁架、三級桁架和邊桁架及內部小次梁、吊架梁等構件組成。桁架層高2.05m ，支撐柱高12.6m ，兩層支撐鋼梁間距4.5m 。頂模鋼平臺設計采用SAP2000軟件，圖2.1.1至圖2.1.3為頂模鋼平臺sap2000計算模型。
圖2.1.1頂模鋼平臺三維圖
圖2.1.2 頂模鋼平臺立面圖
圖2.1.3 頂模鋼平臺平面圖
荷載考慮：恒荷載、活荷載、風荷載（考慮三種情況：施工狀態及提升狀態下遭遇八級風、
施工狀態下遭遇十級風、施工狀態下遭遇臺風荷載）、頂升不同步位移、施工電梯荷載。
1.1 邊界約束條件
根據邊界約束條件的不同，鋼平臺分為兩種計算模型。施工狀態時，假定兩道支撐梁兩端為鉸接，如圖2.3.1所示；頂升狀態時，忽略支撐梁的約束作用，將千斤頂與支承柱的連接簡化為鉸支座，如圖2.3.2所示。
圖2.3.1施工狀態支承柱的約束邊界
下列僅以施工狀態 圖2.3.2頂升狀態支承柱的約束邊界
1.1.1.1 支承柱計算長度取值（根據屈曲分析）
采用十級風施工狀態模型：
以結構整體模型為基礎，對結構進行特征值屈曲分析。正常施工狀態下取D+L計算屈曲工況，圓管柱及格構柱在Mode98的屈曲模態下首次發生屈曲。其屈曲變形及屈曲荷載如下：
圓管柱在D+L工況下的最小軸力值為：-2634kN ，則根據屈曲分析結果，施工階段的支承柱的一階彈性屈曲臨界荷載為2634×11.05=29105.7kN，根據歐拉公式可以反推得到理論計算長度系數：
μ=π2EI
P cr l 23. 142?2. 06?105?5. 355?109==1. 40 29105. 7?103?138002
1.1.1.1 鋼結構構件計算應力比
將各計算長度系數值手工輸入模型中，應力比計算結果如下圖所示：
具體各構件應力比數值可在模型中查看，圓管柱最大應力比為0.378，格構柱應力比均小于0.95，滿足規范要求。
整體穩定性計算步驟如下【3】P61
鋼結構系統整體穩定性理論分析的主要步驟包括：
（1） 建立完善結構力學模型
按理論設計結構構型建立完善結構計算模型，包括確定結構幾何模型、構件單元模型、構件規格尺寸、構件材料特性、結構邊界條件等。
確定整體穩定性驗算的荷載組合
荷載組合常采用標準組合。對于活荷載需要按不同的分布模型分別進行組合； 對于風荷載需要按不同的風向分別進行組合。
結構線性整體穩定性分析
對每一種荷載組合，通過對穩定特征方程的分析，分別計算結構線性整體穩定的臨界荷載因子（）及相應的屈曲模態矩陣（）
確定結構的初始幾何缺陷模型
對每一種荷載組合，確定相應的初始幾何缺陷模式及幅值，可采用“一致缺陷模態法”模擬。若第一臨界點為重臨界點，應選用與臨界荷載因子（）相應的所有模態。對于第一臨界點附近頻率密集的結構，應多選用幾個模態。
結構大位移幾何非線性整體穩定性分析
包括完善結構和有缺陷結構分析，獲得相應的整體穩定最小臨界荷載因子（）和（）
判斷構件是否出現屈服變形現象
判斷在幾何非線性分析過程中，當荷載達到整體穩定最小臨界荷載因子（）之前，主要構件是非否屈服，若未屈服，則轉第（8）步，進行結構整體穩定性評定，否則，進入第（7）步。
結構大位移彈塑性整體穩定性分析
篇（7）
前言
所謂超限高層建筑工程是指超出國家現行規范、規程所規定的適用高度和適用結構類型、體型特別不規則以及有關規范、規程規定應進行抗震專項審查的高層建筑工程。中廣大廈是集辦公，住宅,商場,餐飲,娛樂為一體的大型高層綜合性建筑。包括三棟高層塔樓(A,B,C棟).裙房五層,地下二層。地下一、二層為設備用房，汽車庫，地下二層戰時為六級人防。地上一~五層為商場。A、B棟塔樓為6~26層蝶形平面的高層住宅，房屋高度89.1米，包括局部突出在內，建筑總高度106.1米。C棟塔樓為6~28層大空間辦公室，房屋高度99.6米。包括局部突出在內，建筑總高度118.800米。五層商場總面積為26745平方米，總建筑面積100010平方米。
因房屋總長度遠超過鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距55米的限值，為此設二道抗震縫將房屋分為三段，形成三個結構單元。即A、B棟高層為大底盤、雙塔樓；C棟為獨立帶裙房的框架剪力墻結構高層建筑；其余為框架結構。建筑抗震設防類別均為乙類，場地類別為Ⅱ類。基礎采用鋼筋混凝土平板式筏形基礎，底板厚度1600mm（住宅部分）、1800mm（辦公部分），持力層為強風化砂巖，地基承載力標準值400Kpa，壓縮模量Es=12~17Mpa.。本建筑的結構安全等級為一級，設計基準期為50年。本文以A、B棟為論及對象。
1、結構布置特點
A、B棟高層為滿足上部住宅建筑的舒適性、規則性要求（即住宅室內無柱角）及下部五層商場大空間的使用要求，采用五層大底盤雙塔樓框支剪力墻結構，在五~六層中間利用設備層做轉換層，采用梁式轉換，轉換層設置標高為23米。高寬比為3.22，長寬比為4.13，轉換層上下剪切剛度比值γ=1.395。
1、房屋高度超限
A、B棟高層房屋高度為89.1米，超過了《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》（JGJ3-91）中規定的框支剪力墻結構8度區適用高度80米的限值。
2、采用雙塔樓聯體結構，質量、剛度分布不均勻，豎向不規則。
3、高位轉換：
在五~六層之間利用設備層做轉換層，標高23米。超過8度區轉換層宜控制在3層以下的限制。
4、由于住宅建筑平面的要求，局部存在二次轉換。
5、由于商場使用功能的限制，A、B棟塔樓的落地剪力墻數量偏少，且大都布置在商場后部，主體結構與大底盤中心的偏心矩與底盤尺寸之比大于0.2。
6、6~26層住宅部分在剪力墻局部開設角窗。
2、構造措施
經我院多次分析論證，認為其主要不利因素為：框支剪力墻結構在轉換層以下，支撐框架與落地剪力墻并存，形成了“支撐框架—剪力墻“體系。此中，支撐框架是一個薄弱環節。這種結構體系，在高位轉換時，由于在轉換層附近的剛度、內力和傳力途徑發生突變，易形成薄弱層，對抗震不利。同時，支撐框架柱要直接承擔上部傳來的重力荷載，直接承擔其上剪力墻由于傾覆力矩產生的軸力，要直接承擔不可能依靠樓板全部間接傳力給落地剪力墻而有一部分直接傳來的地震水平剪力。這樣使得轉換層以下支撐框架柱的內力遠大于計算分析結果。對此采取以下措施：
1、在塔樓范圍內五層以下框支部分采用鋼骨混凝土柱，鋼筋混凝土梁混合結構（鋼骨混凝土柱共48個）。作為解決高位轉換和高度超限的一項重要措施。
2、A、B棟塔樓的裙樓樓屋面板，在塔樓高振型的影響下，承受較大反復作用下的縱向拉壓力及橫向剪力，受力十分復雜。同時，由于建筑使用功能的要求，在裙樓中部開設大洞以便設置電梯，對樓板削弱較大。針對這一不利因素，在設計中采用了加強開大洞處樓板四周梁的斷面及配筋，加大樓板厚度，增設斜筋的措施。
3、由于上部住宅為蝶形平面，在轉換層個別部位出現了二次轉換梁。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002）第10.2.10條的規定：轉換層上部的豎向抗側力構件（墻、柱）宜直接落在轉換層的主結構上。當結構豎向布置復雜，框支主梁承托剪力墻并承托轉換次梁及其上剪力墻時，應進行應力分析，按應力校核配筋，并加強配筋構造措施。B級高度框支剪力墻高層建筑的結構轉換層，不宜采用框支主、次梁方案。針對這一不利因素，我們采取了加強框支主梁的配筋構造措施，并在框支主梁的下部配筋區設置鋼梁的措施。
4、在住宅部分開設角窗，削弱了剪力墻結構體系的整體性，對其抗震性能帶來了不利影響，改變了剪力墻與框支梁之間的傳力方式。針對這一不利因素，我們決定從受力計算和構造措施兩方面予以加強處理。
3、計算結果分析
3.1、總體計算結果
1、計算軟件：
采用中國建筑科學研究院的PKPM系列中的TAT（多層及高層建筑結構三維分析與設計軟件），SATWE（多、高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件）兩種不同程序分別進行對比計算，其總體計算結果接近。下面列出TAT、SATWE的計算結果。地震影響系數采用《建筑抗震設計規范》GBJ11-89中的數值：多遇地震0.16，罕遇地震0.9，阻尼比取0.05
2、設計參數：
地震烈度8度；場地土類別Ⅱ類；抗震等級框架、剪力墻均為一級；樓層自由度數：每個塔樓每層3個自由度（兩個平動，一個扭轉）；地震作用按側剛分析模型考慮扭轉耦連，用18個振型計算，固定端取在±0.000處。
3、結構基本周期：
SATWE結果：T1=1.3611T2=1.3455T3=1.2611
T4=1.1075T5=1.0510T6=1.0458
（僅列出前六個振型）
TAT結果：T1=1.5046T2=1.4899T3=1.3669
T4=1.2368T5=1.1506T6=1.0749
(僅列出前六個振型)
4、地震作用下的底層水平地震剪力系數：
SATWE結果：Qox/G=4.44%Qoy/G=4.35%
TAT結果：Qox/G=4.08%Qoy/G=4.08%
5、地震作用下按彈性方法計算的最大層間位移與層高比值：
SATWE結果：Ux/h=1/2262Uy/h=1/2187
TAT結果：Ux/h=1/1573Uy/h=1/1583
6、地震作用下按彈性方法計算的最大頂點位移與總高比值：
SATWE結果：Ux/H=1/3021Ux/H=1/2649
TAT結果：Ux/H=1/2428Ux/H=1/2373
7、結構振型曲線及時程分析的部分圖形
3.2、計算結果分析
根據以上計算結果來看，兩種計算結果接近。下面以SATWE程序為主進行分析：
1、自振周期在合理范圍之內，結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.9，滿足規范要求。
2、振型曲線光滑符合規律。
3、底層剪重比>3.2%,滿足規范要求。
4、最大層間位移和頂點位移<1/1000，滿足規范要求。從最大樓層位移曲線可以看出，五層以下較緩，而轉換層以上較陡，說明底盤剛度比塔樓剛度小。
5、分析表明，時程分析的最大位移均不超過反應譜法計算的位移值，y向樓層剪力，X、Y向樓層彎矩均不超過反應譜法計算的樓層剪力及樓層彎矩，僅X向樓層剪力TAF-2波大于反應譜法，但三個波的平均值仍小于反映譜法樓層剪力。動力時程分析復核結果表明，不需要調整個樓層構件的內力和斷面配筋。
3.3、局部計算及構造處理
1、框支梁：采用SATWE程序中的框支剪力墻有限元分析程序進行計算，并進行應力分析。同時，加強框支梁的配筋構造措施，為避免框支梁鋼筋過密，在框支主梁的下部配筋區加設一根580mm高的鋼梁。
2、角窗：整體計算時，角窗上部墻體按雙懸臂梁進行計算。配筋設計時同時滿足剪力墻連梁的要求。同時，加強角窗周圍的暗柱及連梁的配筋，邊墻剪力墻加墻垛，角窗部分樓板加斜筋。
3、鋼骨柱的計算：首先，確定鋼骨的截面形式，預定鋼骨柱的鋼骨含鋼率，帶入SATWE程序中進行整體計算，并根據計算結果調整含鋼率。有關鋼骨柱的構造及具體做法見下面的詳細介紹。
4、鋼骨混凝土結構設計前的準備工作
采用鋼骨混凝土是解決超限問題的重大技術措施，也是本次設計的重要組成部分，在我省也是首次采用。在本次設計中，鋼骨柱采用的是實腹式十字型鋼，鋼骨梁采用的是工字型鋼。在鋼骨混凝土結構設計中需要注意的幾個問題如下：
4.1、鋼骨的含鋼率：
關于鋼骨混凝土構件的最小和最大含鋼率，目前沒有統一的認識，但當鋼骨含鋼率小于2%時，可以采用鋼筋混凝土構件，而沒有必要采用鋼骨混凝土構件。當鋼骨含鋼率太大時，鋼骨與混凝土不能有效地共同工作，混凝土的作用不能完全發揮，且混凝土澆注施工有困難。因此，在冶金部行業標準《鋼骨混凝土結構設計規程》YB9082-97中將鋼骨含鋼率定為2%~15%。一般說來，較為合理的含鋼率為5%~8%。另在建設部行業標準《型鋼混凝土組合結構技術規程》JGJ138-2001中定為4%~10%。在中廣大廈鋼骨混凝土柱的設計中，考慮到建設單位盡量節約鋼材，節省資金的要求，經專家委員會認可，鋼骨柱的含鋼率確定為3.5%。
4.2、鋼骨的寬厚比：
鋼板的厚度不宜小于6mm，一般為翼緣板20mm以上，腹板16mm以上，但當鋼板厚度大于36mm時，鋼材的厚度方向的斷面收縮率應符合現行國家標準《厚度方向性能鋼板》GB5313中的Z15級的規定。這是因為厚度較大的鋼板在軋制過程中存在各向異性，由于在焊縫附近常形成約束，焊接時容易引起層狀撕裂，焊接質量不易保證。鋼骨的寬厚比應滿足規范的要求。
4.3、鋼骨的混凝土保護層厚度：
根據規范規定，對鋼骨柱，混凝土最小保護層厚度不宜小于120mm，對鋼骨梁則不宜小于100mm。
4.4、要重視鋼骨混凝土柱與鋼筋混凝土梁在構造連接上的配合協調問題。
5、鋼骨的制作與構造措施
5.1、鋼骨的制作
鋼骨的制作必須采用機械加工，并宜由鋼結構制作廠家承擔。型鋼的切割、焊接、運輸、吊裝、探傷檢驗應符合現行國家標準《鋼結構工程施工及驗收規范》GB50205、《建筑鋼結構焊接技術規程》JGJ81、《鋼結構工程質量檢驗評定標準》GB50221的規定，鋼材、焊接材料、螺栓等應有質量證明書，質量應符合國家有關規范的規定。焊接前應將構件焊接面除油、除銹，焊工應持證上崗。施工中應確保施工現場型鋼柱拼接和梁柱節點連接的焊接質量，型鋼鋼板的制孔，應采用工廠車床制孔，嚴禁現場用氧氣切割開孔，在鋼骨制作完成后，建設單位不可隨意變更，以免引起孔位改變造成施工困難。
5.2、鋼骨混凝土中設置抗剪拴釘的要求
鋼骨混凝土與鋼筋混凝土結構的顯著區別之一是型鋼與混凝土的粘結力遠遠小于鋼筋與混凝土的粘結力。根據國內外的試驗，大約只相當于光面鋼筋粘結力的45%。因此，在鋼筋混凝土結構中認為鋼筋與混凝土是共同工作的，直至構件破壞。而在鋼骨混凝土中，由于粘結滑移的存在，將影響到構件的破壞形態、計算假定、構件承載能力及剛度、裂縫。通常可用兩種方法解決，一是在構件上另設剪切連接件(栓釘)，并按照計算確定其數量，即滑移面上的剪力全由剪切連接件承擔，稱為完全剪力連接。這樣可以認為型鋼與混凝土完全共同工作。另一種方法是在計算中考慮粘結滑移對承載力的影響，同時在型鋼的一定部位：如（1）柱腳及柱腳向上一層范圍內；（2）與框架梁連接的牛腿的上、下翼緣處；（3）結構過渡層范圍內的鋼骨翼緣處加設抗剪栓釘作為構造要求。構件中設置的栓釘應符合國家現行標準《園柱頭焊釘》GB10433的規定，栓釘直徑一般為Ø19,長度不宜小于4倍栓釘直徑，間距不宜小于6倍栓釘直徑，且不宜大于200mm。并采用特制的設釘槍進行焊接，焊接質量應滿足規范要求。
5.3、鋼骨的拼接
鋼骨柱的長度應根據鋼材的生產和運輸長度限制及建筑物層高綜合考慮，一般每三層為一根，其工地拼接接頭宜設于框架梁頂面以上1~3m處。鋼骨柱的工地拼接一般有三種形式：（1）全焊接連接；（2）全螺栓連接；（3）栓、焊混合連接。設計施工中多采用第三種形式，即鋼骨柱翼緣采用全溶透的剖口對接焊縫連接，腹板采用摩擦型高強度螺栓連接。中廣大廈設計中的鋼骨工地拼接采用第三種形式。
5.4、鋼骨柱的柱腳構造
1、鋼骨柱的柱腳分為埋入式和非埋入式兩種，在抗震區宜采用埋入式柱腳，柱腳鋼骨的混凝土最小保護層厚度為：中間柱：不得小于180mm，邊柱和角柱：不得小于250mm。
2、鋼骨柱埋入式柱腳的埋入深度不應小于3倍型鋼柱截面高度，在注腳部位和柱腳向上一層的范圍內，鋼骨柱翼緣外側設置栓釘，栓釘直徑不小于Ø19，間距不大于200mm,且栓釘至翼緣板邊緣的距離大于50mm。
3、在中廣大廈的鋼骨設計中，由于建筑物嵌固端取在±0.000米處，為保證地下一層汽車庫的使用功能，經多次反復研究、討論，最終確定了底層框架梁水平、垂直加腋，鋼骨伸入框架柱內長度為1.5m，下部與鋼筋混凝土柱柱心鋼筋焊接。在施工過程中，施工單位提出，鋼骨注腳放在半層柱上施工有困難，施工質量無法保證。后經施工單位、設計單位、制作單位及建設單位多次研究，決定在鋼骨柱柱腳底部另設格構式支架，將支架一延伸至地下一層底板（支架必須保證拉力傳遞），比上述方法容易施工，加快了施工進度。經實踐證明在今后的設計中若遇到同類問題，宜將鋼骨直接伸入地下一層，這樣即滿足了埋入式柱腳的埋深問題，又取消了底層梁加腋的施工工序、支架的制作安裝工序，節省了時間，施工質量較易保證。
5.5、鋼骨柱的節點構造
框架梁、柱節點核心區是結構受力的關鍵部位，設計時應保證傳力明確，安全可靠，施工方便，節點核心區不允許有過大的變形。
在鋼骨混凝土結構中，梁、柱節點包括以下幾種形式：（1）鋼骨混凝土梁—鋼骨混凝土柱的連接；（2）鋼梁—鋼骨混凝土柱的連接；（3）鋼筋混凝土梁—鋼骨混凝土柱的連接。在中廣大廈設計中我們遇到的是第三種情況。
規范規定，節點區鋼骨部分的連接構造應與鋼結構的節點連接相一致，在柱鋼骨的鋼牛腿翼緣水平位置處應設置加勁肋，其構造應便于混凝土澆灌，并保證混凝土密實。柱中鋼骨和主筋的布置應為梁中主筋貫穿留出通道，梁中主筋不應穿過鋼骨翼緣，也不得與柱中鋼骨直接焊接，鋼骨腹板部分設置鋼筋貫穿孔時，截面缺損率不宜超過腹板面積的25%。
根據規范要求，在中廣大廈鋼骨設計中，我們采用的方法是：在鋼筋混凝土梁與鋼骨柱連接的梁端，設置一段工字型鋼梁（牛腿），鋼梁的高度由鋼筋混凝土梁高決定，一般為鋼筋混凝土梁高的0.7倍以上，鋼筋混凝土梁內鋼筋的一部分與鋼牛腿焊接或搭接，鋼牛腿的長度應滿足梁內鋼筋內力傳遞要求。因鋼骨柱主筋穿過鋼牛腿翼緣，鋼牛腿強度有所削弱，因此梁內鋼筋焊接或搭接長度應從牛腿根部起算。在實際施工中，由于鋼牛腿長度較長，運輸有困難，鋼牛腿的長度均取滿足梁內主筋焊接長度要求。在鋼牛腿的上、下翼緣上設置栓釘，栓釘的直徑為Ø19，間距200mm，從框架梁梁端至鋼梁（牛腿）端部以外2倍梁高范圍內為框架梁端箍筋加密區，梁內主筋保證有不少于1/3主筋面積穿過鋼骨連續配置。
為方便鋼骨的工廠化制作，鋼骨混凝土結構與普通鋼筋混凝土結構設計中不同且難度最大的是：
（1）需確定鋼骨柱中每根鋼筋的準確位置；
（2）根據鋼骨這種型鋼翼緣的寬度確定框架梁的寬度；
（3）確定框架梁中每根鋼筋的位置；
（4）根據柱梁鋼筋的位置確定鋼骨穿孔的位置；
（5）鋼骨中穿鋼筋的孔徑由鋼筋直徑確定，一般比鋼筋直徑大4~6mm；
（6）,鋼骨中縱橫兩方向穿鋼筋孔的位置至少應錯開一個孔徑。
5.6、鋼骨的柱頂構造
根據規范規定，但結構下部采用鋼骨混凝土柱、上部采用鋼筋混凝土柱時，其間應設置過渡層。在本次設計中，過渡層設置在轉換層中，柱頂加設一塊25厚柱頂錨固板。但在實際施工過程中，轉換大梁配筋較多，柱頂錨固板直接影響轉換大梁鋼筋的錨固，經多方研究，取消了柱頂錨固板，為轉換大梁的順利施工創造了條件。
6、經濟比較
未采用鋼骨混凝土柱前，框支柱截面尺寸為1300X1300mm,上部住宅為6~25層。采用鋼骨混凝土柱后，框支柱截面尺寸為1100X1100mm,上部住宅為6~26層，框支柱截面面積減少了30%左右，住宅面積增加了1860平方米。
在整個建筑中，共使用型鋼650噸，型鋼的材料、制作、安裝綜合預算價約為6500元/噸，減去縮小柱截面及減少鋼筋面積的費用后，增加費用257.63萬元，柱截面縮小后商場部分增加使用面積115.2平方米，按20000元/平方米計算，增加收益230.4萬元。增加住宅面積增加收益372萬元（1860平方米，按2000元/平方米計算），變更后增加凈收益352.77萬元。
篇（8）
一、鋼結構穩定性設計的原則
1、結構整體布置必須必須兼顧整個體系以及組成部分的穩定性要求
我國目前鋼結構設計大多都是以平面體系設計為主,設計中的結構體系是結構各組成部分構件構成的。因此在大跨度結構穩定性設計中,結構局部穩定性是保證整體穩定性的關鍵前提。在設計中需要注意結構各組成部分構件的整體布置,設計有針對性的支撐構件,來保證平面結構構件的結構布置與平面穩定計算之間的一致性。
2、結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖保持一致
目前設計單層和多層框架結構時,一般以框架柱的穩定計算為準,而不作框架穩定分折。在采用這種方法時,必須通過框架整體穩定分析計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數,才能使柱穩定計算等效于框架穩定計算。但是在實際設計工程中,這種操作方法簡便。GBJl7-88規范對單層或多層框架給出的計算長度系數采用了五條基本假定中包括:“框架中所有柱子是同時喪失穩定的,即各柱同時達到其臨界荷載”。根據這條假定,當設計單層或多層框架結構時,框架各柱的桿件穩定和穩定參數計算的常用方法是依據一定的簡化假設或者典型情況得出的,保持結構參數計算方法與前提假設和具體計算對象一致,設計者需確認所設計的結構符合這些假設時才能正確應用。
3、設計結構的細部構造和構件的穩定計算必須相互配合
設計者處理構造細部時要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接,應分別賦與它足夠的剛度和柔度,對桁架節點應盡量減少桿件偏心。但是,當涉及穩定性能時,構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如,簡支梁就抗彎強度來說,對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移,同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉,同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲,以符合穩定分析所采取的邊界條件。
二、鋼結構穩定性設計的特點
鋼結構穩定性設計的重點在于找出結構內部抵抗力與外荷載間的不穩定平衡狀態。主要從下面幾個特點進行設計:
1、計算臨界荷載:臨界荷載是理想構件平衡路徑分支點所對應的載荷。鋼結構穩定問題中有一類分支點失穩問題,即完善平板中面受壓時的屈曲以及完善直桿軸心受壓時的屈曲。這一問題是由建筑鋼材做成的偏心受壓構件在彈縮性變形時喪失穩定的能力造成的。因此在鋼結構穩定性設計中要求得鋼結構的臨界荷載,避免分支點失穩。根據臨界荷載的定義,通常按以下兩個基本原理求得臨界荷載:①建立構件在微曲狀態下屈曲位移與荷載間的微分方程,求其在滿足邊界條件下的臨界載荷解。②在構件微曲狀態下建立以屈曲位移和載荷的總勢能式:E=U+V(U為變形體應變能;V為外力勢能,它等于外力功的負值),然后根據能量法原原理,由總勢能一次微分為零,即E0=0的條件可求得臨界荷載。
2、失穩和整體剛度:現行規范通用的軸心壓桿的穩定計算法是臨界壓力求解法,臨界壓力是由著名歐拉公式給出的:
,式中E為鋼材料特性,I為截面特性,L 為桿的長度。它表明軸心受壓的桿件,壓力使桿件的彎曲度下降,而當壓力達到臨界值NE時,桿的彎曲度就會消失。
3、對穩定性進行整體分析:必須從整體著眼進行穩定分析,因為桿件的穩定性來自結構的整體穩定性。
4、二階彈性分析:這種分析對柔性構件尤為重要,這是因為柔性構件的大變形量對結構內力產生了不能忽視的影響。可按照以下步驟完成:
(1)根據《規范》得,應在每層柱頂附加考慮由下式計算的假想水平力Hni:
其中,Qi為第i樓層的總重力荷載設計值; ns為框架總層數,當0.2+1/ns>1時,取此根號值為1.0;αy為鋼材強度影響系數,Q235鋼為1.0,Q345鋼為1.1,Q390鋼為1.2。
(2)①對有側移的純框架結構,當采用二階彈性分析時,各桿桿端的彎矩MⅡ可按下式近似計算:其中MⅠb為假定框架無側移時按一階彈性分析求得的各桿端彎矩;MⅠs為各節點側移時按一階彈性分析求得的各桿端彎矩;
為考慮二階效應第i層的側移彎矩增大系數。
②對于有側移的純框架,當采用二階彈性分析方法計算內力,且在每層柱頂附加假想水平力Hni時, P―Δ效應已在內力分析中計入,柱計算長度系數取1.0,因此柱穩定計算的計算長度就可取其幾何長度。
(3) 在解決了以上問題的基礎上,根據壓彎構件穩定性驗算公式進行穩定性設計驗算:
三、鋼結構穩定性設計中的難點
1、目前梁-柱單元理論已成為網殼結構穩定性的研究中的主要研究工具,但是梁-柱單元并不能確保真實反映網殼結構的受力狀態,因此如何反映軸力和彎矩的耦合效應是目前網殼結構穩定性設計中的主要問題。
2、目前結構隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結構參數、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍,而在實際工程中,由于如材料(彈性模量,屈服應力,泊松比等)、桿件尺寸、截面積、殘余應力、初始變形等不確定性會引起結構響應的顯著差異。所以應著眼于考慮隨機參數的結構極值失穩、跳躍型失穩、干擾型屈曲等問題的研究。
3、在統計與穩定性有關的幾何量和物理量時,一般只是根據有限樣本來選擇概率密度分布函數,帶有很大程度上的統計信息局限性,造成對穩定性設計的數據依據不夠準確。因此在統計時,要結合實踐經驗和相關規范確定統計信息的準確性。
四、總結
在實際設計中,設計人員應把握鋼結構穩定性設計的原則,明確知道結構構件的穩定性能,完善設計方案,達到穩定性要求。同時針對結構構件的失穩的問題進行研究,不斷完善鋼結構穩定設計理論。
篇（9）
2混凝土水池設計
在分析完混凝土水池荷載情況之后，在水池結構設計時需要考慮這些荷載作用.下面我們以矩形鋼筋混凝土水池為例做結構設計分析.首先，完成長高比池壁的計算假定.側向荷載作用下，水池不同長高比受力情況有所差異，根據池壁單向與雙向受力情況做劃分。水池結構的布置要符合設計原則，像矩形水池均為長方形，布置時要考慮地形.基礎形式為擋土墻水池基礎多采用池壁下設置帶形基礎，地板采用鋪砌式結構，地板做成整體式，水池基礎為水平框架式和雙向板式.伸縮縫的設置上要考慮建造位置，比如土基中矩形水池，伸縮縫間隔情況如下：普通≤20m，溫度區間段≤20m，巖基中間隔≤15m；比如建造在土基中的鋼筋混凝土矩形地下式水池，伸縮縫間隔情況如下：普通≤30m，巖基中間隔≤20m.水池池壁結構形式的選擇情況如下：開敞式水池宜選擇變厚池壁，池底厚度為池壁的1.5倍；擋土墻式選擇等厚池壁；水平框架式池壁選擇變厚池壁.遵照以上設計原則，水池的結構設計將會保持合理性與穩定性，利于施工.
3鋼筋混凝土水池施工要點
鋼筋混凝土水池施工中要注意施工縫、混凝土澆筑與養護等施工要點.像施工縫，在底板澆筑完成后，池壁與底板的施工縫要在八字以上1.5m與2m處，底板和柱的施工縫在表面.池壁豎向澆筑要一次澆到施工縫處，并對柱身、柱帽等做兩次澆筑，以確保穩定性.對施工縫還要做鑿毛處理，將不密實表面或者浮漿鑿掉，還要避免損及混凝土棱角，避免剔出粗集料.鋼筋綁扎時可使用板凳筋做法或者排架法.混凝土澆筑過程中要保持池壁模板的穩定，避免變形或硬化失敗.至于施工縫要提前清理，保持合理濕潤度，在澆筑前鋪與混凝土配比相同的水泥砂漿，澆筑部分分層完成，每層厚度≤4m，間隔時間不宜過長，均勻攤鋪.在澆筑頂部時，要暫停1h，在混凝土下沉后做二次震動，消除可能因沉降造成的裂縫，澆筑完成后及時灑水養護.養護根據季節不同有不同注意要點，比如夏季因高溫干燥或者多雨等混凝土強度會受影響出現收縮裂縫后，必須在初凝后聯系養護兩周才能拆模，養護期間還要及時灑水，保證濕潤到位.完成養護拆模時表面還要添加超時的覆蓋層，及時回填土，保證混凝土水池的施工質量.
4鋼筋混凝土水池施工實例分析
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(一)題目的設置應有助于教學相長
畢業設計內容的設置除了應密切結合指導教師的科研項目外，還應結合指導教師的專業特長，這樣教師對學生的指導才能高效。例如，筆者從攻讀博士學位開始，就從事新型高層鋼結構體系及抗震性能等方面的研究。留校后，承擔了研究生選修課高層建筑鋼結構課程的教學工作，負責講授高層鋼結構的制作和安裝，以及新型抗側力和耗能構件在高層鋼結構的應用等內容。以上研究和教學工作均為指導采用新型結構體系的高層鋼結構畢業設計奠定了基礎。同時，通過給學生答疑，筆者感到，雖然學生的著眼點不同，但多數問題是圍繞設計任務提出來的，一些問題也是指導教師尚未涉及而想弄明白的問題。因此，教師愿意投入時間去研究問題，這樣既解決了學生的疑惑，也有利于指導教師提高自身的專業技能。
(二)設計題目的指定應兼顧學生的興趣
目前，學生畢業設計的題目，大體上是由學院統一指定的。這樣做是為了避免學生“偏科”，即避免一些設計題目出現無學生選擇的窘境。但是，高層鋼結構設計題目與其他題目一樣，也僅是提升學生在一個專業方向上的理論水平和技能。而且相當多的設計院在未來一定時期內仍主要是開展量大面廣的混凝土結構設計。因此，由學院指定畢業設計題目的方式無法完全滿足學生的專業設計興趣和愛好，使真正對鋼結構設計有興趣的學生又得不到應有的鍛煉。倘若學生對指定的題目毫無興趣，畢業設計就可能收效甚微。其實，每個學生經過3年多的學習，基本已有感興趣的專業方向，畢業設計題目應結合學生畢業后的就業方向或深造計劃，并綜合考慮學生自己的興趣、能力和未來發展等因素來選擇建議。題目指定要有適當的靈活性，給學生一定的選題權利，可列出每年開設的所有題目，讓學生提前自愿申報2～3個題目，然后綜合分組。這種適當考慮學生興趣的選題做法將使學生對畢業設計更有積極性，收效可能更好。
(三)設計內容應結合專業最新發展而適時更新
為避免多年使用同一設計題目可能出現的抄襲現象，指導教師有必要適時更換設計內容和要求。鑒于目前設計院或施工單位“以高層設計為主流”的情況，應結合高層建筑的實際工程應用，增加新型結構體系的設計內容，以縮短學生就業后的工作適應期。對高層鋼結構，應要求學生掌握目前比較流行的結構形式、計算方法和構造要求。因此，筆者在設計任務書中鼓勵學生應用新型的抗側力構件和新型的結構體系作為設計任務。除了采用傳統的純鋼中心支撐，推薦采用新型的墻板內置無粘結鋼支撐或桿狀防屈曲支撐(BucklingRestrainedBrace)代替傳統的純鋼支撐。除了中心支撐，也鼓勵采用偏心支撐和鋼板剪力墻等抗側力構件。例如，在2014年的畢業設計中，一名學生自愿嘗試采用偏心支撐鋼框架結構形式，通過努力，圓滿完成了設計任務，最終取得了較好成績。
二、積極有效的師生互動是畢業設計取得實效的基石
(一)注重培養學生主動學習的能力
對20多層的高層建筑鋼結構設計，要求學生學習結構設計方法和設計軟件的使用，進行結構建模、內力分析和設計，這樣的工作不僅量大而且有難度。建議教師提前布置和安排任務，給學生自學的機會和時間。以結構建模和分析為例，筆者一開始便盡早安排學生安裝和學習使用結構設計軟件ETABS，這樣學生在做荷載匯集等準備工作之余，就可以有針對性地查閱和學習該軟件的使用說明等資料，到建模和分析環節時，學生就可以建立結構模型。為學生自學軟件后建立的結構模型。應當注意的是，雖然大多數學生之前并未有建立復雜結構模型的經驗，也可能因此而心生畏懼，指導教師應強調學習和使用通用軟件的必要性，讓學生明白學好一個軟件對將來應用其他類似設計軟件也有很好的借鑒作用。教師要耐心引導和鼓勵，培養學生的興趣和自信心。可要求學生先簡后繁，積累經驗。學生消除畏懼心理后，建模和設計操作就會逐漸得心應手，在實踐中熟能生巧。有的學生在熟練使用軟件后甚至主動去鉆研軟件內的參數和求解設置等功能，提高了對理論知識的歸納消化和應用能力。
(二)營造積極的心理互動氛圍
結構方案的確定以及結構建模、分析和設計等，這些任務一環緊扣一環，教師應在各階段工作中嚴格檢查，認真引導和解惑。以建模和分析為例，因大部分學生是初次接觸大型設計軟件和設計規范等，面對陌生的軟件以及系數重重的設計公式，要在短時間內掌握并熟練應用軟件進行結構設計，有較大難度。特別是對這些軟件在內部分析環節可能存在的一些缺陷，指導教師必須強調指出，以免學生誤入歧途而影響進度。因此，指導教師應對軟件的一些關鍵環節有使用經驗，并能做出正確的判斷，才能引導學生去認真求證，加深理解。這樣也才可能幫助學生較快熟悉設計過程，培養學生的自信心和學習興趣。畢業設計為師生提供了長達一學期的交流互動機會，教師應在指導工作中傾注熱情，與學生積極互動，這樣不僅能使任務完成得更加高效，而且也有利于學生的全面發展。教師不僅要關注學生的專業訓練，也要不失時機地對學生進行職業道德的言傳身教，引導學生帶著問題去思考和討論，啟迪學生的智慧，充分調動學生的積極性和主動性。
三、畢業設計應適當增加針對性實習
與單純課堂教學相比，畢業設計屬于實踐環節。但若不加以恰當引導，相當多的學生的畢業設計僅僅是對參考書等資料的簡單模仿。因此，在畢業設計過程中，應通過小組或個人(以整個年級為單位的統一畢業實習，針對性不強)的實習活動，例如參觀鋼結構工程或鋼構件制作等，夯實書本所學知識，拓寬知識面，使學生獲得真實感受。此外，通過實習，還可消除學生不切實際的想法和由此導致的誤差或錯誤，有助于學生深入思考，以開展更加符合實際應用需求的理性創作。
(一)參觀鋼結構工程和鋼結構安裝
應組織學生參觀正在建設的高層鋼結構工程。因為從施工中暴露的鋼骨架，學生可以清楚地觀看構件和節點的加工和連接做法。實地考察如不可行時，也應提供必要的實錄視頻、圖形資料和講解，以加深學生的理解。還可以推薦一些好的參考書和期刊，例如《鋼結構進展與市場》和《建筑結構》等，幫助學生了解新型鋼結構工程和建造技術。此類資料圖文并茂，是本科生很好的課外讀物。另外，因高層建筑鋼結構一些基本的構造和連接做法等，在低層和多層鋼結構中也有體現。因此，也可組織學生考察當地一些在建的多層甚至單層鋼結構工程，例如施工現場的焊縫和螺栓連接等。通過接觸實際工程，增強學生的認知能力。
(二)參觀鋼結構加工廠和鋼構件制作
在實習中，還可組織學生參觀鋼構件加工廠等。隨著新材料和新工藝的快速發展，目前鋼結構中的大型構件的加工制作方法和質量控制技術等都有革新，書本上的知識也非常有限。必要的學習參觀有利于學生拓展知識面，幫助他們更好地理解和繪制施工圖。指導教師可組織學生參觀了解鋼構件的生產過程。例如，參觀工廠的焊接、刨邊和鉆孔等相關工藝流程等，并做好有針對性的實地講解，有利于學生對重要概念的理解和對書本知識的消化。
四、考核應以學生實質性的進步為依據
(一)注重形式，更追求質量
學院畢業設計要求學生完成不少于9張的1號圖紙，有些學生甚至能提供多達14張或者更多的圖紙。誠然，為確保培養質量，數量上的要求是必要的，但任務完成的質量更為重要。筆者曾在一次鋼結構畢業設計的答辯中發現，能夠提供十多張圖紙的學生，計算書雖然寫的很飽滿，但是連一個常用角焊縫的符號代表什么意思也回答不上來。可見，依葫蘆畫瓢的做法，在本科畢業設計中依然存在。再以結構施工圖的繪制為例，在堅持部分圖紙必須手繪完成這一傳統做法的基礎上，為了提高學生應用計算機作圖的能力，目前鼓勵采用計算機繪圖。但應強調的是，計算機作圖應讓學生利用Auto-CAD軟件親手繪制，不能依靠設計軟件和繪圖軟件等自動出圖。雖然從表現形式上看，自動出圖比學生親手繪圖的圖面更美觀和全面，但這樣會使學生過分依賴軟件而使其基本技能得不到應有的訓練，導致學生對設計理論不熟悉，不能提高識圖和繪圖能力，并且也難以準確把握和判斷其設計結果。因此，教師在畢業設計過程中應時刻提醒學生，在寫計算書或繪圖時，每寫一句，每畫一筆，都要弄清楚為什么，真正弄懂了才算得上學有所獲。
