钢框架结构设计建议关注事项

提要：随着装配式建筑的推广和建筑用钢产量的增加，各类钢结构建筑成增长趋势；钢材强度高、性能稳定、延性好的特点得到充分利用；在地震设防烈度较高地区（7度Ⅲ、Ⅳ类场地，8度）的一般高度公共建筑，采用受力及分析较简单的钢框架结构，可较好的解决强度及性能等规定，也可满足跨度和层高等方面的建筑要求。

钢筋混凝土框架结构在抗震设防烈度较高的地区有明显的不足，对柱网较大层高较高的多层框架结构，为满足强度及位移角的要求，梁柱截面一般较大，影响建筑使用功能、效果较差；如梁柱截面不能按计算加大，需要增加少量剪力墙控制地震作用下的变形，但需要补充框架结构强度计算，并进行包罗设计，增加结构设计的工作量；梁柱截面虽有减小但配筋率较大，钢筋数量多净距小混凝土浇筑困难，节点混凝土无法振捣密实，影响结构抗震性能；PC构件由于连接需要更大的间距，钢筋更难以布置，连接节点质量亦难以控制。

高度不超过50m的多高层民用建筑可采用钢框架结构，由于钢材强度高、性能稳定、延性好层间位移角控制较松，可较好的解决上述难题，梁柱截面较小，并能更好的满足建筑功能对较大柱网和层高的要求。

与混凝土框架结构分析类似，需要按钢结构选择参数；材料信息为钢结构，中梁刚度放大系数1.5，边梁刚度放大系数1.2；钢构件静截面与毛截面的比值0.85~0.9。

二阶效应：考虑P-Delt效应；恒载效应组合系数1.0，活载组合效应系数0.5；考虑整体缺陷；按屈曲分析模态考虑整体缺陷。

屈曲分析信息：进行屈曲分析屈曲模态数4；迭代次数10次；收敛误差0.001。

风荷载信息：承载力设计时风荷载基本风压x1.1；风荷载计算用阻尼比0.01～0.015；考虑顺风向风振，舒适度验算的基本风压按10年一遇，舒适度验算用阻尼比0.01～0.015。

地震信息：结构阻尼比可按材料确定，钢取0.04《高钢规》（JGJ99-2015，以下同）5.4.6条1款；混凝土和型钢混凝土取0.05；抗震等级按钢框架结构。

总体指标信息：楼层侧向刚度比需符合《高钢规》3.3.10条1款；整体稳定性符合《高钢规》2.1.7条；屈曲因子；二阶效用系数在0.1~0.2之间时，采用二阶弹性分析。

抗震验算：风振舒适度验算需符合《高钢规》3.5.5条；位移角不大于1/250《高钢规》3.5.2条，建议从严控制不超过1/300，弹塑性验算较好通过。

分析方法：可采用静力弹塑性分析方法《高钢规》6.3.3条；不考虑楼板对钢梁惯性矩的增大作用《高钢规》6.1.3条，整体计算楼板厚度取0、楼板自重按荷载输入；特征周期增加0.05s；阻尼比取0.05《高钢规》5.4.6条1款；可不计入风荷载效用《高钢规》6.4.6。

抗震验算：弹塑性位移角不大于1/50。

框架柱：宜采用箱型（方形或矩形）或圆形截面；一般钢材选用345B钢，较厚板材选用高性能建筑用GJ钢板；应力比不大于0.9。

框架梁及一般梁：HM、HN热轧H型钢，无法满足要求的可以采用焊接H型钢梁；一般钢材选用345B钢；应力比不大于0.9；挠度验算可不考虑楼板对钢梁惯性矩的增大作用。

楼板：确定楼板种类和厚度，一般可按现浇板进行强度计算，并验算挠度、裂缝。

柱定位：考虑钢框架梁柱节点做法及焊接要求，最优为梁柱对中或有限偏位，一般无法做到梁柱一边平齐；需要与建筑反复协商确定各构件位置关系，特别是外墙、楼电梯间、疏散通道、设备管井等对净空有严格要求的部位，需要留出结构构造所需空间。

地下室柱：地下室一般为混凝土柱与钢柱在一层交接过度，混凝土柱截面宜为钢柱截面+200x2《钢标》（GB50017-2007、下同），需特别关注上述特殊部位地上、地下竖向关系。

模型计算：设计图钢柱至少延伸至计算嵌固端以下一层，形成钢柱外包混凝土《高钢规》3.4.2条及3.4.5条；但模型计算时钢柱不建议设置到地下一层形成钢骨混凝土柱共同受力，否则钢柱脚需要验算并符合《高钢规》8.6.3条或8.6.4条规定。

表示方法：建议钢梁平面图中示出宽度（同混凝土梁）并定位准确，可方便核对与建筑平面关系。

框架梁：框架梁与柱刚接（图例明确标注完整），可示出梁与柱加强连接的翼缘扩翼或加宽《高钢规》8.3.4条；并表示梁柱连接处下翼缘隅撑《高钢规》8.5.5条；楼梯间平台处、电梯井、影响使用的设备管井应采取其他措施不设置隅撑（如设置横向加劲板等）。

次梁：端支座必须采用铰接（H型钢梁几乎无抗扭刚度）；中支座可根据受力及挠度确定支座形式，刚接必须明确标注清楚；悬挑梁支座必须采用刚接并明确标注清楚；次梁间距不宜过大，一般以2700~3300mm较为合适。

钢梁挠度：钢材强度高应力比一般易满足，必须验算弹性挠度（特别是简支次梁），如挠度超过规定一般可起拱，起拱高度建议按计算确定并标注在梁下。

钢梁与楼板连接：钢梁上翼缘应设置栓钉与楼板连接，不考虑有楼板的组合作用可按构造设置栓钉，无楼板处（如楼梯间外墙、电梯井之间的隔墙）钢梁亦需设置栓钉，并浇筑过度混凝土层或圈梁，其上砌筑墙体；考虑楼板组合作用需按计算确定栓钉设置 《钢标》14.3节。

梁标高变化处：宜设置梁，其标高及相关梁的标高需综合考虑其合理性，并增加主、次梁连接详图。

梁施工阶段稳定性验算：楼板为非现浇时需验算钢梁独立状态下的整体稳定性，楼板厚度取0，恒载取楼板厚度，活载取施工荷载；如整体稳定性不足可在楼板或梁下设置支撑，或者在梁截面上部设置拉杆（或压杆），不建议增加梁截面。

平面图：钢框架外围护结构宜采用各类幕墙，如为砌体墙宜采用外包钢柱方式（不宜采用外墙嵌入柱内方式，有外保温、框架梁节点翼缘板加宽等不方便处理的细节问题），楼板挑出一倍外墙宽度承受外墙荷重；如为幕墙立柱连接点宜设置在钢筋混凝土楼板或边梁上翼缘板处，不宜设置在钢梁下翼缘板（钢梁抗扭刚度几乎为0，下翼缘板承受的水平力不能传至楼板）；如必须设置在钢梁下翼缘，需在立柱处钢梁下翼缘与楼板之间设置30o斜撑传递水平力，并验算楼板抗冲切强度。

特殊部位楼板：无内楼板部位的外墙（如楼梯间外墙），当采用外包钢柱外墙时，需特别注意楼板和钢梁的稳定性，可在挑板处（外墙下部）设置钢筋混凝土梁承担外墙荷重，端部与柱等采取可靠连接。

楼板种类：可选用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板、现浇钢筋桁架楼承板混凝土板、现浇钢筋桁架叠合板或钢筋混凝土楼板《高钢规》3.3.8条1款。

强度设计：压型钢板只做为模板不参与楼板受力，混凝土板强度完全由钢筋承受；钢筋桁架楼承板底钢板只做为模板不参与楼板受力，钢筋桁架底板钢筋满足计算要求，上部钢筋根据板支座负弯矩确定、不足的增设附加钢筋，板与板交接处负弯矩全部由增设钢筋承担；垂直钢筋桁架方向上部和底部钢筋需全部现场设置；钢筋桁架叠合板钢筋设置同楼承板。

施工阶段验算：除钢筋混凝土楼板为全模板全支持外，其他三种为自承重免模板楼板，应根据跨度、板厚及施工活荷载验算模板的承载力和挠度《组合规范》（JGJ138-2016，下同）13.5节，如不符合规定可增设支撑。

截面：箱型柱一般由钢板焊接，柱身焊缝采用双面V形坡口半熔透焊《高钢规》8.4.2条，应将无焊缝的一侧置于主要受力方向；圆形柱采用直缝焊接，柱身焊缝采用双面V形坡口半熔透焊，宜将焊缝置于梁翼缘板之间。

柱梁节点：梁与柱刚接在梁翼缘上下（最上面或最下面）500或600mm范围内，采用坡口全熔透焊接《高钢规》8.4.2条；在与梁翼缘对应的位置设置水平加劲肋，加劲肋厚度为翼缘厚+2mm《高钢规》8.3.6条；不同方向梁翼缘间距大于等于150mm时，增设加劲肋《高钢规》8.3.7条；柱与梁连接处的节点域稳定性按《高钢规》7.3.7条验算，屈服承载力按7.3.8条计算。

柱与柱连接：框架柱现场拼接应在梁面以上1.2~1.3m处，应采用一级全熔透焊接《高钢规》8.1.4节，下节柱上端设置不小于16mm厚隔板，上节柱下部设置不小于10mm厚隔板，柱接头的上下侧各100mm范围内，截面焊缝采用坡口全熔透焊《高钢规》8.4.6条；柱截面高宽改变时宜在梁高范围内，变截面两端距梁翼缘不小于150mm（150矩形+梁高梯形+150矩形，整板）《高钢规》8.4.7节，并采用一级全熔透焊接《高钢规》8.1.4。

柱脚：模型计算嵌固层以下为混凝土柱时，钢柱延伸至嵌固层以下一层形成钢骨混凝土柱，符合规定可不进行特别验算（见模型计算），钢骨需设置直径不小于19mm，间距不大于200x200mm，边距不小于50mm不大于100mm的栓钉《组合规范》7.4.9条；如模型计算钢骨混凝土柱至基础顶面，需按外包或插入式柱脚进行受力复核，构造做法符合规定《高钢规》8.6.1、8.6.3、8.6.4条。

梁柱节点：梁与柱刚性连接地震作用下极限受弯承载力只与截面有关《高钢规》8.2.1条；极限受剪承载力与梁两端截面塑性受弯承载力之和/净跨和重力荷载代表着作用下简支分析梁端截面剪力，在跨度相差不大的情况下同截面的极限受剪承载力相差较小《高钢规》8.2.1条；经以上分析梁柱节点可按梁截面归类表示，同截面梁节点归为一种，跨度相差较大时可有区分，便于加工制造和安装。

极限受弯承载力验算：翼缘加强型连接形式可选用《高钢规》8.3.4条中的4种，一般可以选用加宽式或盖板式；承载力验算按《高钢规》式（8.2.1-1），为梁与柱连接的极限受弯承载力，由于上下翼缘与腹板交接处设置过焊孔，不考虑腹板的抗弯作用；

符号见《高钢规》8.3.4条2款、3款，为钢材抗拉强度《钢标》4.4.1条，选用Q345B时=470N/mm?；为梁全塑性受弯承载力（加强型按未扩大截面），，为全塑性截面模量

弹性受弯承载力：按《高钢规》8.2.2条计算，，见《高钢规》式8.2.2-3；结构计算中，应力比б/f＜0.9；梁端加强翼缘与柱连接，且加强翼缘等宽长度超过腹板连接螺栓距柱第一排位置；为简化计算只考虑翼缘(包括加强部分)的受弯承载力，即当翼缘的，梁端受弯承载力符合规定。

极限受弯承载力：梁与柱连接的极限受弯承载力按《高钢规》8.2.4条式（4.2.4-1）计算， 梁翼缘连接的极限受弯承载力，梁腹板连接的极限受弯承载力，当翼缘的塑性模量与全截面塑性模量之比大于0.7时，为简化计算且偏于安全考虑，可只计入翼缘的极限受弯承载力，见上述。

极限受剪承载力验算：按《高钢规》式（8.2.1-2），为梁与柱连接的极限受剪承载力，取以下5个部位的最小值；a.连接板与柱焊缝极限受剪承载力（焊缝符合构造要求）《高钢规》8.2.5条3款，b.连接板净截面极限受剪承载力（，扣除同一截面螺栓孔）《高钢规》8.2.5条1款，c.腹板净截面极限受剪承载力（扣除过焊孔和同一截面螺栓孔），d.高强螺栓极限受剪承载力《高钢规》8.2.5条2款及附录F式（F.1.1-1），f.连接板件（连接板、腹板）极限受压承载力《高钢规》附录F式（F.1.1-2）。

弹性受剪承载力：同上5个部位，按《钢标》相关条款。

框架梁端构造：下翼缘高度位置相差小于150mm时，高度较小的梁按小于等于1：3（建议按1：4）加大端部高度；下翼缘高度位置相差大于等于150mm时，柱在翼缘位置增加横向加劲板；与柱采用工厂焊接连接板现场与腹板高强螺栓连接，翼缘坡口与柱等强（一级）焊接连接；不建议采用与柱工厂焊接悬臂梁段的连接方式，因其钢材和高强螺栓用量及坡口等强焊缝均增加，运输和堆放不变《高钢规》8.1.2条文说明。

端支座：通过预先焊接在主梁上的连接板由高强螺栓连接，建议次梁端切翼缘板连接方式，减小螺栓至主梁中心距离，避免对主梁产生大的扭矩。

中支座：根据弯矩和挠度确定支座形式，跨度较小挠度易满足可采用简支，跨度大挠度超过规定建议采用连续支座（模型为刚接）；次梁高与主梁相同时翼缘与主梁翼缘坡口等强焊接，主梁高度小于次梁高+150时次梁按小于等于1：3扩大高度与主梁翼缘坡口等强焊接，主梁高度大于等于次梁高+150时，次梁上翼缘与主梁上翼缘坡口等强焊接、下翼缘伸至主梁腹板（两侧位置对应）坡口等强焊接；并需补充计算翼缘抗弯强度（参见框架梁弹性受弯承载力）；受剪承载力参见框架梁弹性受剪承载力。

次梁悬挑端：必须采用连续支座（模型为刚接），强度验算及连接构造同次梁的连续中支座。

楼梯梁：一般采用槽型钢，按强度和挠度选用截面，上端支座采用简支，下端采用水平长螺栓孔滑动支座，模型计算可不考虑楼梯斜撑作用。

踏步板：一般采用6mm厚花纹板弯折L形截面，预留不小于50mm厚装饰面层，可位于楼梯梁高内或梁上（与建筑协调一致），需关注楼梯间墙体的平面位置（避免楼梯与墙体之间的缝隙）。

平台板：楼梯中的平台板（楼梯梁上）需设置密肋，间距不大于600mm，截面按强度和挠度确定，一般可根据跨度选用不等肢角钢（跨度较小）、较小截面槽钢或工字钢。

明确防腐蚀设计年限和采取的防腐蚀措施、施工方法和维修要求，明确钢结构全寿命期内检查维护和大修的要求；选用合适的防腐蚀涂料及钢构件表面的处理方法，特殊部位的涂装要求等《钢标》18.2节及《建筑用钢结构防腐涂料》（JG/T 224）有关规定要求；室外构件也可结合防火要求设置50~100mm厚的细石混凝土保护层（内设钢丝网）。

耐火等级：防火设计说明应注明建筑的耐火等级，构件的设计耐火极限，构件的防火保护措施，防火材料的性能要求及设计指标《钢构防火》（GB51249-2017，下同）3.1.4条。

防火设计方法：耐火极限法、承载力法、临界温度法，前二种方法需要进行耐火极限试验或内力计算，在设计阶段一般无试验条件，承载力计算较为复杂；建议采用临界温度法进行防火设计计算。

火灾时结构荷载（作用）：

钢框架梁：恒、活荷载偏于安全取使用状态的工况（简化计算）转化为火灾工况，恒、活载综合系数取1.25（或1.35），转化系数约为：

受楼板侧向约束的钢框架梁的临界温度根据截面强度荷载比按《钢构防火》表7.2.1确定，R按式（7.2.6）计算。

（1）包络设计时刚框架梁的强度荷载比不超过0.9；

（2）H型钢

（3）

选用的H型钢框架梁截面形状系数；防火保护层的等效热阻按《钢构防火》7.2.8条式7.2.8-1计算

框架柱:

钢框架柱的临界温度Td根据稳定荷载比R‘按表7.2.3确定，R‘按7.2.7式计算：.

R‘=N/（0.7φAf），确定

选用的焊接箱型钢框架梁截面形状系数

材料及构造规定：柱、梁、楼梯等选用非膨胀型防火涂料、厚度不应小于10mm，室外半室外采用耐候型防火涂料，防火涂料与防腐涂料应相容匹配，防火涂料的强度应不小于0.05MPa，腹板高度大于500mm涂层厚度不小于30mm或长期暴露在室外需在涂层内设置钢丝网；钢柱与墙交接处需先设置拉接钢筋、再涂抹防火涂料、最后砌筑墙体，墙体特别是内墙与钢柱密接处亦需涂刷防火涂料（后期使用阶段墙体有变化的可能，全使用寿命期的防火性能需符合规定）。

压型钢板和钢筋桁架楼承板底板：如按照第6条设计，则可不考虑防火设计；否则需要按照《钢构防火》第8.2条进行防火设计，并设置防火涂层。

幕墙设计：幕墙设计需考虑结构最大弹性层间位移角，如控制值1/300或各楼层位移角；复核幕墙立柱与主体结构连接点，确定其对主体结构构件无不利影响。

墙体高度：钢结构层高及跨度一般较大，需要根据开洞等各种情况验算墙体稳定性、按规定设置构造柱和圈梁。

外墙：外墙宜采用外包钢柱（非内嵌钢柱方式），见楼板平面图分析；外柱外侧设置构造柱，内与钢柱连接，侧面与墙体连接。