解密！钢框架结构如何深化设计？

来源：建筑工程鲁班联盟  作者丨杨勇  中建五局钢结构公司

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前言

　　钢框架结构是钢结构中重要的结构形式之一，在建筑、冶金、石油、化工等领域使用广泛，尤其是近年来随着经济及技术的发展，高层、超高层建筑的大量兴建，各种形式的钢框架结构都得到大量的应用。钢框架结构主体的深化设计需要与围护系统配合，将幕墙等专业的连接件一次深化到位，这样可以节约大量施工时间和人工成本，同时可以消除不同专业之间的碰撞，免除后期整改带来的质量和成本风险。

　　长沙世茂广场——长沙世茂广场总建筑面积约23万㎡，建筑总高度348.5m，结构类型为钢管混凝土组合柱钢框架+混凝土核心筒+伸臂桁架混合结构体系。外框圆管柱最大截面Φ2500×55mm，桁架层核心筒角部设置Φ380mm长18.1m实心铸钢棒，与外框柱采用斜向错层交叉屈曲约束支撑连接。

　　长沙世茂广场

　　长沙大王山矿坑生态修复利用工程朗豪五星级酒店——长沙大王山矿坑生态修复利用工程朗豪五星级酒店项目是湖南省“湘江欢乐城”重点工程。本项目钢结构集劲性、框架、桁架网架于一体，减震采用了非常规桥梁支座和质量调谐阻尼器。

　　朗豪五星级酒店

　　赣州市南康家居特色小镇PPP项目展览馆、北山孵化器工程——南康家居特色小镇PPP项目展览馆、北山孵化器工程布局采取“一核两翼一飞地”形式。其中东侧展览馆、北侧孵化器为钢框架结构。展览馆共三层，采用钢框架+网架结构，钢柱56根，网架面积约为1.5万㎡，楼面采用钢筋桁架楼承板。钢结构构件类型有圆管柱、箱型钢梁、H型钢梁以及螺栓球、焊接球网架等。北山孵化器由一层地下室、三栋塔楼以及三层裙房组成，地下室及主体结构均为钢框架结构。外圈采用半径不等的椭圆形钢梁逐层排列形成蛋型造型，内部则由内外两层钢管柱配合主次钢梁形成框架体系。

　　展览馆

　　北山孵化器

　　中建五局技工学校生产性实训基地实训楼EPC项目——建筑采用装配式钢框架结构体系，主体、机电、装饰整体装配率达95%以上。整栋建筑分四层，地下一层为实验区和停车场，地上三层为教学和展示区。

　　中建五局技工学校生产性实训基地实训楼

　　长沙黄花综合保税区（首期）PPP工程——项目建设由多栋钢结构仓库和多层钢结构建筑等组成，其中的办公大楼和展示中心为多层钢框架结构形式。长沙黄花综合保税区办公大楼由通关大楼和综合大楼两部分组成，通关大楼地下1层地下4层，综合大楼地下1层地上7层，两部分相互独立，中间设置结构伸缩缝。

　　长沙黄花保税区办公大楼

　　长沙黄花保税区商品展示交易中心

　　双岛湾科技金融大厦——该项目是长沙市河西金融中心重要组成部分，钢结构均由劲性钢柱和屋顶矩形钢管桁架组成，其中钢桁架跨度36～40m，净高15.3～20m。

　　双岛湾科技金融大厦2#楼

　　长沙保利国际广场——长沙保利国际广场项目钢结构分布在B2、B3两栋单体内，结构类型为箱形混凝土组合柱钢框架+混凝土核心筒+伸臂桁架结构，钢材材质最高为Q390GJC、100mm板厚。

　　长沙保利国际广场

　　钢框架结构是一种由楼板、梁、柱、支撑、剪力墙、基础等构件共同组成的空间结构体系。根据其建筑高度及组成不同可以细分为钢框架结构、钢框架-支撑结构、钢框架-核心筒结构、束筒结构、巨型结构等体系。此类体系以柱、梁、支撑等构件相互刚接或铰接连接而成，具有空间层次清晰、造型简洁、杆件主次分明等特点，深化设计的重点是结构的布置和节点的连接，需要清晰的表达构件定位和节点的连接方式，同时需要综合考虑运输、吊装等影响因素。

　　钢框架结构体系

　　 

柱梁分段及节点深化设计

　　框架结构中柱跨越多个楼层支撑起整个体系，在加工与施工过程中由于材料、场地、运输、吊装等因素不能做成整支，在深化设计时需考虑柱的分段及分段节点的设计。深化设计时要注意的主要有以下一些方面：

　　1、柱的拼接位置应设置在内力较小的位置而且便于现场施工，通常情况下都设在框架梁上方1.3米附近或柱净高的一半，取两都中的小值。

　　2、柱的安装单元划分要考虑运输、起重、施工安全等，一般2~3层一节比较合适。

　　3、拼接处上下截面大小或板厚不同时，可以采取加填板等方式调整，使上下柱的重心线尽可能一致。

　　4、为便于安装就位和保证连接前的安全，拼接处设置临时耳板，连接耳板、螺栓的规格参数要根据单元自重和安装时可能出现的最大风荷载及施工荷载确定。

　　5、柱的截面高度变化位置宜设在梁柱连接处，便于上下层柱保持等截面利于后期施工。

　　6、通常情况下梁不建议分段，梁的长度超过运输和吊装条件时也可分段，分段位置宜设置在梁跨度的1/3处。

　　框架柱分段对接节点

　　框架梁分段对接节点

　　 柱脚深化设计

　　钢结构的柱脚有刚接和铰接之分，钢框架结构中常用刚接柱脚。柱脚节点在设计上应传力明确、构造简单同时要节约材料、便于加工和安装。深化设计时要注意以下几点：

　　1、柱脚锚栓的长度要与基础埋深匹配，二次灌浆层的高度需考虑调节螺母和垫片的厚度，锚栓车丝长度要满足要求垫片和双螺母的要求。

　　2、多高层框架结构基础埋深比较大，柱脚锚栓需要设置固定支架措施。

　　3、埋入式柱脚为便于安装可设置支撑底座，并采用锚栓或其它方式与钢柱有效连接。

　　框架柱脚节点

　

　 柱梁连接深化设计

　　框架柱梁连接也有刚接和铰接之分，连接的形式多种多样，单板连接、双板连接、角钢连接、支座连接、悬臂段连接、全焊连接、栓焊连接、全螺栓连接等等。深化设计时要注意以下几点：

　　1、单板连接时梁腹板和柱翼板间距应能确保梁腹板避过单板连接焊缝与连接板紧密贴合保证高强螺栓连接强度，通常情况下≥10mm，对于厚度较大的连接板则根据连接焊缝高度计算取值。

　　2、双板连接预留一块连接板现场安装钢梁时连接，连接板较薄时连接焊缝可用单面角焊缝保证焊缝高度，连接板较厚时可采用单坡口焊缝连接。

　　3、柱梁刚接连接时梁翼板与柱翼板应采用全熔透坡口焊缝，并按规定设置衬板，翼缘坡口两侧设置引弧板。

　　4、框架梁采用悬臂段与柱连接时，悬臂段与柱翼缘应采用全焊连接，悬臂段与梁连接时可采用栓焊连接、全焊连接或是全螺栓连接。悬臂段与梁的拼接位置应设置在节点塑性区段以外和内力较小的位置且要便于施工，长度一般为1米左右且一般距柱轴线不超过1.6米。

　　框架柱梁连接节点

　　 

梁梁连接深化设计

　　框架梁与梁的连接亦有刚接和铰接的区别，包括梁与梁的拼接连接和主次梁的连接。梁与梁的拼接连接形式与柱梁连接中悬臂段与梁的连接类似，多用于大跨度梁中间区段的安装拼接，而主次梁的连接则多为铰接连接。深化设计时注意以下几点：

　　1、梁梁拼接节点应设置在内力较小的位置，多为跨度的1/3处。梁梁拼接节点宜按等强度条件设计。

　　2、梁梁拼接位置可在上翼缘处设置定位板，便于现场定位安装。

　　3、对于腹板采用焊接连接的梁梁拼接节点，可以采用设置焊接衬板的方式也可以采用安装螺栓加连接板的方式，采用安装螺栓加连接板方式时需要在腹板焊接完成后将连接板围焊在梁腹板上，增加了施工强度，宜优先采用焊接衬板的连接方式。

　　4、主次梁铰接连接有次梁腹板伸入主梁翼缘内侧、主梁连接板外伸、双夹板连接几种方式，为便于次梁安装宜优先采用连接板外伸或双夹板连接的方式，防止出现次梁无法安装。

　　5、主次梁刚接节点也有使用，此类节点的连接需注意焊接垫板的设置，或是顶部连接盖板的焊接。如果采用全螺栓连接则与梁梁拼接类似。

　　梁梁连接节点

　

　 支撑节点深化设计

　　钢支撑是钢框架结构中常见的构件，支撑的截面有H型、箱型、圆管等多种形式。支撑的形式有X形、单斜杆、人字形、K形等。支撑的连接节点深化时要注意以下几点：

　　1、支撑与柱的连接采用节点板连接，节点板受力的有效宽度应符合连接杆件每侧有不小于30度夹角的规定，在抗震等级一、二级的框架结构中，支撑端部至节点板最近嵌固点在沿支撑杆件方赂的距离不应小于节点板厚度的2倍。

　　2、H型、箱型支撑在与框架柱连接处，支撑端部宜放大或做成圆弧形，两端与框架采用刚接构造，梁柱与支撑连接处应设置加劲肋。

　　3、支撑交叉部位节点可通过节点板连接，也可采用一肢连续，一肢断开与连续肢直接焊接或短牛腿连接的方式。

　支撑节点

　　随着经济不断发展，人们对建筑功能和造型有了更多追求，钢框架结构体系越来越复杂化、差异化，深化设计工作的难度也随之增长。只有不断的总结和创新，深化设计才能追上技术的发展，更好的满足项目和业主不断增长的需求。