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钢结构设计全流程详细解析(四)

2021-08-11 14:23:41 佛山市昊顺商贸有限公司 阅读
3.钢框架工程性能设计案例

某框架结构三维模型图如图30所示,该框架结构三层,与地震相关的参数如图31所示。


▲图30 钢框架三维模型图

▲图31 该框架结构地震作用计算相关参数


3.1 按照抗规设计方法进行设计


由于该框架结构属于50m以下,六度区,按照抗规规范属于五级抗震等级,在设计中按照四级抗震等级控制相应的构造措施。小震计算完毕之后选取其中某根柱的强度及稳定应力比计算结果进行查看,如下图32所示。小震设计下计算的该柱的强度应力比、稳定应力比及在地震、风荷载下的变形均满足规范要求,但是长细比超限。该结构柱材料为Q345,四级抗震等级,按照抗规的长细比限值控制,对应的长细比限值为120*sqrt(235/345)=99.04,因此,对该柱截面X方向的长细比满足规范要求,Y向的长细比为147.27,超出了规范99.04的限值。


▲图32 按照抗规设计,柱长细比超限


对于上述超限的柱,可以修改柱截面,让满足抗震规范的要求,也可以直接采用性能设计进行“低延性-高承载力”或者“高延性-低承载力计算”。根据工程实际情况放松相应的柱的构造措施。


3.2 按照新钢标进行性能设计参数选择。


该结构的高度小于50m,属于6度区的结构,按照新钢标表17.1.4-1可以初步选择出该结构可以选择的性能范围为4-7,由于属于低烈度区的多层结构,在设计中可以选择“高承载力—低延性”的性能设计思路。可初步选择某个性能,在该工程中选择性能为性能4,则查新钢标表17.1.4-2可以确定结构构件最低的延性等级为Ⅳ级,同时按照钢标表17.3.4-1确定截面板件的宽厚比最低等级为S4级,按照上述确定的参数,填入性能设计时对应的参数如图33所示。

▲图33 性能设计相关参数


3.3 查看中震下该柱的计算输出结果。


该柱在中震下输出的构件详细信息中,对于性能设计相关参数的展示,如图34所示,对于该柱的强度、稳定应力验算及对应的构造控制输出图35所示的结果。


▲图34 柱构件中震下输出详细的性能设计参数

▲图35 柱构件中震下输出强度、稳定应力比结果及构造限值


3.4 柱构造措施长细比、宽厚比及高厚比的放松


通过上述中震下输出的结果可以看到,由于设置的性能等级为4级,并且属于6度区,地震作用很小,中震下的强度应力比的结果比小震下的应力比结果还小,因为小震下该柱构件由恒活风控制,中震下是由地震控制的,不包含风的工况。此时很容易满足中震下承载力的要求,因此,对于柱构件的构造措施均做了放松。按照新钢标表17.3.5柱长细比限值对于延性等级为Ⅳ级,且轴压比小于0.15时,限值为150,软件也输出了150的控制限值,此时不需要调整构件截面,按照性能设计满足承载力要求,长细比限值放松到150,本来按照抗规控制不满足要求的,此时满足了要求。


宽厚比的限值按照小震模型下抗震等级四级控制,抗规的限值为:13*sqrt(235/345)=10.73,按照钢标S4的宽厚比限值为15Ɛk=15*sqrt(235/345)=12.38,软件在小震设计时候进行从严控制,严格意义上讲应该区分抗震组合与非抗震组合,抗震组合下按照抗震控制宽厚比限值,非抗震组合下按照新钢标控制宽厚比限值。但在中震下,满足了承载力要求,对于宽厚比等级为S4级的H截面,其宽厚比限值为15Ɛk=15*sqrt(235/345)=12.38,直接按照性能设计中对应的宽厚比等级控制宽厚比限值即可,手工校核结果与软件计算输出结果一致。在中震下满足了承载力要求,程序已经按照性能设计的要求对于宽厚比的限值做了放松。


腹板高厚比的限值按照小震模型下抗震等级四级控制,抗规的限值为:52*sqrt(235/345)=42.9,同时小震设计时程序要根据新钢标对应的宽厚比等级S4级的宽厚比限值进行双控,而新钢标对应的宽厚比等级S4级是与受力有关系的,要根据应力梯度进行计算。软件输出的37.14的限值,显然该柱在小震下按照新钢标的S4级控制高厚比限值与抗规的四级抗震等级双控的结果,并且输出最不利结果。中震下程序直接按照新钢标性能设计指定的宽厚比等级S4进行高厚比限值的控制,此时限值同样与应力梯度有关系,因此,即使中震下也是S4级的宽厚比等级,但是高厚比的限值控制是不一样的,软件输出的高厚比限值为37.81。


在中震下满足了承载力要求,程序已经按照性能设计的要求对于高厚比的限值进行了控制。注意:由于高厚比的限值与对应构件的应力状态有关,因此,采用性能设计时未必一定能确保高厚比限值放松,有可能高厚比限值反而会减小,从而使要求更加严格。


3.5 SATWE程序自动对性能设计下小震模型和中震模型的包络


SATWE程序在性能设计计算完毕之后,对小震模型和中震模型均做了计算,最终计算结果在主模型下展示了包络后的图形文件,如果要查看详细构件信息,可看到如图36所示该柱包络详细结果,该柱应力比显示了小震与中震包络以后的结果,对于构造措施也是按照包络以后的结果展示的。长细比、宽厚比及高厚比已经展示了包络之后,构造措施按照中震相应的结果输出。


▲图36 主模型下查看柱构件的详细信息