某不规则钢框架构设计与对比分析

 1 某工程概况
该工程是位于某座城市的边缘地带，在地带中心还有一个湖泊，目前已经成为了该城市中一个远近闻名的旅游胜地。而本次工程主要就是对该湖泊周围进行维修改造。工作人员对该工程设计的主要思路是，沿着湖泊修建一条多功能坡形滑道，滑道的总体长度大约在40米左右。在工程设计的时候，为了避免周围的空间太过于空旷，设计人员在坡道下方设计了娱乐场管理的办公室和售票机构，这样不仅有利于对工程的管理，而且还能给游客带来更方便的服务。由于该工程的设计并不是规则的钢框架结构，因此，在设计过程中，就涉及到了一些有关不规则钢框架结构设计的知识和理念，为了能够将工程更好的完成，本文对该工程不规则钢框架构设计进行了详细系统的分析。
2 建筑布置
按照相关部门对建筑设计的要求，需要将滑道的另一端延伸到湖面中一定的距离，这样做是为了方便滑道上下水的循环，因此，为了在保证工程质量的基础上，充分实现水循环，延伸到湖面那段距离必须要选择方便施工人员进行施工的结构体系。在具体设计之前，工作人员对相关的工程土质进行了勘察，勘察结果为土质较为松软，具有较大的沉降性，考虑到以上几个特点，在对具体结构进行选择的时候，设计人员采用了结构较轻的体系，滑道的支撑体系采用的是轻钢框架结构，结构的立体图如图1所示。
从图1中我们能够看出，该钢框架机构采用的是对称布置，每组框架之间用横梁相连，根据滑道设置的宽度，每组框架梁的计算长度约为9m。立体图中所标有的数字，指的是每组框架之间所需要的框架柱轴，1-5组框架之间设置了中柱，为二跨多层框架，这样做主要是考虑办公楼建设过程中所涉及到的自重和荷载问题。而6-10之间的每组框架中则为设置任何钢柱，为不等高单跨结构。通过以上分析，我们能够看出，该工程从左到右的设计，无论是在高度上还是跨度上都有变化，属于典型的不规则框架。该框架的总高度为11m，纵向柱间距取为3.4m，底层层高为3.7m，其他层层高为3.3m。该建筑物的抗震设计基本信息如表1所示。
本文系统介绍了该不规则钢结构框架的设计过程，其中主要包括材料、截面的选取，采用大型有限元仿真软件ANSYS对具有代表性的结构内力和变形进行计算，并与相关的规范进行了对比，以此来为今后同类工程的科学建设提供一定的参考依据。
3 结构计算
3.1 材料和截面的选取 材料和截面的科学选取对工程的质量非常重要，根据相关规范对工程质量的具体要求以及工程的实际情况，工作人员选用了焊接性能较好的Q345-B级钢材作为工程的主要材料，对于混凝土的选择则是立方体抗压强度标准值为30MPa的常规混凝土。框架梁和框架柱均采用热轧无缝圆钢管，以上是该工程工作人员对于工程材料的选择。
对于工程截面的选取，6轴到10轴之间的几组框架柱截面尺寸、框架梁和坡道斜梁的截面尺寸以及次梁的截面尺寸分别为直径200×6mm、180×5mm和120×4mm。除此之外，为了确保工程的质量，工程的设计人员和监理人员一定要对以下几个环节给予高度的重视。由于很多物质都会对钢管造成腐蚀，因此，在实际施工的时候，由于工程的特殊性，会有部分工程结构长期位于湖水中，因此，还要充分考虑钢管循环经历冻融作用，这就要求工程中所选用的钢材一定要满足冲击韧性的力学性能，同时表面也必须采取特殊的处理。
3.2 荷载统计与计算简图 工程设计中所需要的荷载统计，除了工程本身的自重荷载之外，还有夏季滑道上的雨荷载和冬季滑道上的雪荷载。经过专业人员的计算，得出该工程所承受的荷载最大为1kN/m2，而按照建筑荷载设计规范，将活荷载取为2.5kN/m2。从图1中我们能够看出，该工程荷载最大的位置就是2轴和7轴。因此，设计人员要重视对这两个轴柱的内力分析，只要这两个轴柱的设计符合要求，其他轴的框架定可满足要求。
3.3 数值仿真分析 在有限软件ANSYS中，能够模拟框架的单元类型有很多，每一种模拟框架的单元类型都有其各自的应用范围，根据本工程的建设特点来看，应该采用二维BEAMB3单元来对工程中的梁和柱进行模拟，利用ANSYS进行数值仿真分析的时候，首先要根据工程的审计内容选择关键点，然后将其连线形成几何模型，再进行网格划分的建模方式，施加均布荷载，最后求解。KJ1和KJ2有限元模型如图2所示，而二者的最大内力值则如表2和表3所示。从表中所体现出的数值我们能够看出，在整个不规则钢框架结构的设计中，承受内力最大的就是KJ1梁和KJ2柱，通过设计人员的明确计算，得出KJ1梁支座的强度承载力为110.7N/mm2，KJ2柱的轴压承载力为95.45N/mm2。二者都达到Q345级钢材的强度，对相关构件的结果验算，也都满足《钢结构设计规范》的要求。
4 构造措施
根据工程相关要求的内容来看，明确规定了某些钢管的强度以及屈服比应该控制在什么范围之内，比如说热轧无缝钢管，不应采用屈服强度fy超过345MPa以及屈强比fy/fu>0.8的钢材，此外，为了确保工程抗震质量能够达到相关要求，设计人员也采取了相应的措施，具体情况见图3。
5 结语
综上所述，随着我国建筑行业发展脚步的不断加快，不规则钢框架结构设计在工程中的应用也必然会越来越广泛。结合该工程不规则钢框架结构设计情况分析我们能够看出，根据工程的实际情况合理采用有限元软件ANSYS，能够在很大程度上满足社会发展对工程的根本需求。