多、高层房屋结构

(3)水平地震作用计算 高层建筑钢结构的地震作用计算方法有： 底部剪力法 振型分解反应谱法 时程分析法 高层建筑钢结构应根据不同情况，分别采用不同的地震作用计算方法。,底部剪力法 底部剪力法适用于高度不大于60m 且平面和竖向较规则的高层建筑。 采用底部剪力法计算水平地震作用时，各楼层可仅按一个自由度计算。 底部剪力法根据建筑物的总重力荷载计算结构底部的总剪力，然后按一定的比例分配到各楼层。得到各楼层的水平地震作用后，即可按静力方法计算结构的内力。,总水平地震作用： 各层水平地震作用标准值按下式比例分配： 顶部附加水平地震作用标准值为：,顶部附加地震作用系数； 顶部附加水平地震作用； 结构的基本自振周期； 结构的基本自振周期，可按下列经验公式估算： 或者，对于重量及刚度分布比较均匀的结构，可用下式近似计算： 结构顶层假想侧移（m)，即假想将结构各层的重力荷载作为楼层的集中水平力，按弹性静力方法计算得到的顶层侧移值。,计算周期修正系数，可取 。,采用底部剪力法时，突出屋面小塔楼的地震作用效应宜乘以增大系数3。增大影响宜向下考虑12层，但不再往下传递。,振型分解反应谱法 不符合底部剪力法适用条件的其他高层钢结构，宜采用振型分解反应谱法。 对体型比较规则、简单，可不计扭转影响的结构，振型分解反应谱法仅考虑平移作用下的地震效应组合，沿主轴方向，结构第j振型第i质点的水平地震作用标准值，按下列公式计算：,在复杂体型或不能按平面结构假定进行计算时，应按空间协同工作或空间结构计算空间振型。,时程分析法 竖向特别不规则的建筑及高度较大的建筑，宜采用时程分析法进行补充验算。 采用时程分析法计算结构的地震反应时，应输入典型的地震波进行计算。场地特征的地震加速度波不能少于4条，其中宜包括一条本地区历史上发生地震时的实测记录波。地震波的持续时间不宜过短，宜取1020s或更长。,9.2.2 结构设计,9.2.2.1 一般原则,(1)内力与位移一般采用弹性方法计算。对罕遇地震作用，采用弹塑性方法进行分析。 (2)一般可假定楼面在自身平面内为绝对刚性。对于整体性较差、或楼面有大开孔、有较长外伸段或相邻层刚度有突变的面，宜采用楼板平面内的实际刚度（或者，按刚性楼面计算，但对所得结果进行调整）,(3)进行弹性分析时，宜考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同工作。当进行弹塑性分析时，由于楼板可能严重开裂，因此，不宜考虑楼板与钢梁的共同工作。 在进行框架弹性分析时，压型钢板组合楼盖中梁的惯性矩可取为：当两侧有楼板时，取1.5 ；当仅一侧有楼板时，取1.2 。 为钢梁的惯性矩。 (4)当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、不计扭转效应时，可采用平面结构计算模型； 当结构平面或立面不规则、体型复杂、无法划分成平面抗例力单元或为简体结构时，应采用空间结构计算模型。,9.2.2.2 内力与位移计算,高层建筑钢结构功能复杂、体型多样、受力复杂且杆件数量众多。因此，在进行结构的静、动力分析时，一般都应借助电子计算机来完成。 若是在初设阶段进行截面的预估，也可参考有关资料和手册采用一些近似计算方法，如分层法、D值法、空间协同工作分析、等效角柱法、等效截面法以及展开平面框架法等。 当进行高层钢结构的内力与位移分析时，尚应注意以下几个问题；,(1)高层建筑钢结构的梁、柱杆件一般采用H形和箱形，梁柱连接节点城的剪切变形对内力的影响较小，计算时可以不考虑。,但是，此剪切变形对结构水平位移的影响较大，一般可达1020。因此，分析时应计入梁柱节点域剪切变形对高层建筑钢结构位移的影响。由于用精确方法计算比较困难，在工程设计中，可采用近似方法考虑其影响。即可将梁柱节点域当作一个单独的单元进行结构分析，也可按下列规定作近似计算： 对于箱形截面柱框架，可将梁柱节点域当作刚域，刚域的尺寸取节点域尺寸的一半。,对工字形截面柱框架，可先按结构轴线尺寸进行分析，然后进行修正。,(2)高层建筑钢结构的P-效应较强，一般应验算结构的整体稳定性。但根据理论分折和实例计算，若将结构的层间位移限制在一定范围内，就能控制二阶效应对结构极限承载能力的影响。故钢结构设计规范规定，框架结构可采用一阶弹性分析，当满足下面的规定时，宜采用二阶弹性分析。,为了考虑结构或构件的各种初始缺陷对内力的影响，此时应该在每层柱顶附加考虑由下式计算的假想水平力 ： 式中 第i楼层的总重力荷载设计值； 框架总层数； 钢材强度影响系数，对Q235、Q345、Q390和Q420分别采用1.0、1.1、1.2和1.25。,框架柱采用二阶弹性分析方法设计时，计算长度系数取为1.0。,高层建筑钢结构构件承载力应满足下式的要求： 非抗震设计时： 抗震设计时： 结构构件承载力的抗震调整系数。按照下表采用。,9.2.2.3 承载力验算,9.2.2.4 位移限制,(1)不考虑地震作用时，结构在风荷载作用下，顶点质心位置的侧移不宜超过建筑高度的1/500，质心层间侧移不宜超过楼层高度的1/400。 对于以钢筋混凝土结构为主要抗侧力构件的高层钢结构的位移，应符合现行国家标准高层建筑混凝土结构技术规程的有关规定，但在保证主体结构不开裂和装修材料不出现较大破坏的情况下，可适当放宽。 结构平面端部构件最大侧移不得超过质心侧移的1.2倍。,(2) 第一阶段抗震设计时，其层间侧移标准值不得超过结构层高的1/250。对于以钢筋混凝土结构为主要抗侧,力构件的结构，其侧移值应符合高层建筑混凝土结构技术规程的规定。结构平面端部构件最大侧移不得超过质心侧移的1.3倍。 (3) 第二阶段抗震设计时，其结构层间侧移不得超过层高的1/70，结构层间侧移延性比不得大于下表的规定。,第9.3节 压型钢板组合楼（屋）盖结构,1.组合楼板的设计要求 2.组合梁的设计要求,1.了解压型钢板组合楼板的验算方法 2.了解组合梁的设计要求,本节目录,基本要求,9.3.1 组合楼板的设计要求,使用压型钢板组合楼板，有利于各种复杂管线系统的铺设，在施工过程中，无传统模板支模拆模的繁琐作业。 组合楼盖常用的压型钢板一般由厚0.81.0mm的热镀锌薄板成型，长度为812m。各块压型钢板之间应用紧固件将其连成整体。安装时，压型钢板表面的油污应清除，避免长期显露而生锈。 对处于较严重腐蚀环境下的建筑，不宜采用压型钢板组合楼盖体系。,设计时，压型钢板可以有三种形式： 压型钢板只作为永久性模板使用； 压型钢板既是模板又作为底面受拉配筋，即组合楼板； 压型钢板承受全部静荷载和活荷载。 其中、两种是目前采用最多的。 当仅作为永久性模板使用时，压型钢板承受施工荷载和混凝土的重量。混凝土达到设计强度后，单向密肋钢筋混凝土板即承受全部荷载。这种形式的楼板在使用阶段属于非组合板，可按一般钢筋混凝土楼板进行设计。 对同时兼作模板和受拉配筋的压型钢板组合楼板的设计，应分施工阶段和使用阶段进行验算。,施工阶段压型钢板作为浇注混凝土的模板，应按弹性设计方法验算压型钢板的强度和刚度。若不满足要求，应考虑设置临时支撑。 （1）抗弯强度验算,9.3.1.1 施工阶段压型钢板的验算,（2）刚度验算 压型钢板在施工阶段荷载标准值作用下的挠度不得超过l180(l为板的跨度)和20mm，取其中较小值。 若压型钢板在自重与湿混凝土荷载下的跨中挠度w按正常使用状态计算大于20mm时，因压型钢板变形的“坑凹”效应将增加混凝土的厚度，故在单位板宽内应考虑沿全跨增加0.7w厚度的混段土重量进行计算，或增设临时支撑。,9.3.1.1 使用阶段压型钢板的验算,在使用阶段，压型钢板与混凝土面层结合为整体形成组台板，应验算组合板在全部荷载作用下的强度和刚度。,(1)组合楼板的强度计算 抗弯强度计算 组合板承受正弯矩作用时，一般采用塑性设计法。但考虑到压型钢板没有混凝土保护层，同时，中和轴附近材料强度的发挥也不够充分，因而压型钢板和混凝土的强度设计值均应乘以折减系数0.8。,a. 当 时，塑性中和轴位于组合板的混凝土内，如下图，组合板的横截面抗弯能力按下式计算：,b. 当 时，塑性中和轴位于组合板的混凝土内，如下图，组合板的抗弯承载力按下式计算：,组合板斜截面抗剪承载力应符合下式要求:,斜截面抗剪强度计算,抗冲切强度计算 在集中荷载作用下，需验算组合板的抗冲切强度。组合板的抗冲切力V1应符合下式要求:, 组合板负弯矩区的最大裂缝宽度，可按混凝土结构设计规范GB50010的规定计算。,(2)组合楼板的刚度及裂缝宽度验算 组合板的挠度可用换算截面刚度按结构力学公式计算，此时，单元宽度内的截面惯性矩可近似地取 。组合板应分别按荷载短期效应组合和荷载长期效应组合计算挠度，其挠度值不应超过计算跨度的1/360。,9.3.2 组合梁的设计要求,9.3.2.1 组合梁的组成及其工作原理,压型钢板组合梁通常由三部分组成，即：钢筋混凝土翼板、抗剪连接件和钢梁。其原理见下图。,9.3.2.2 组合梁截面的基本假定及混凝土翼板的有效宽度,(1)组合梁截面的基本假定 平截面假定； 钢梁与混凝土翼板之间没有相对位移；, 钢材与混凝土均为理想的弹塑性体。受拉混凝上不参加工作，而混凝土受压区假定为均匀受压，并达到抗压强度设计值 ，钢梁均匀受力并达到钢材的强度设计值 ；, 忽略钢筋混凝土翼板受压区中钢筋的作用； 假定剪力全部由钢梁承受，同时，不考虑剪力对组合梁抗弯承载力的影响。,(2)混凝土翼板的有效宽度 有效宽度 应按下式计算，并取最小值：,9.3.2.3 组合梁的截面设计,组合梁的截面高度一般为跨度的1/151/16，为使钢梁的抗剪强度与组合梁的抗弯强度相协调，钢梁截面高度不宜小于组合梁截面总高度h的1/2.5。,组合梁的挠度按弹性分析法计算。将受压区混凝土翼板的有效宽度bce折算为与钢材等效的换算宽度beq，成为“换算截面”。,对荷载的标准组合：,对荷载的准永久组合：,组合梁的计算一般分为两个阶段，即施工阶段和使用阶段。施工阶段，若钢梁下未设临时支撑，则钢梁承受自重和浇灌混凝上翼板时的混凝重量以及施工活荷载，可按梁一章的规定计算；使用阶段，组合梁作为一个整体承受使用期间的荷载。 (1)组合梁在正弯矩作用下的抗弯强度计算 在弯矩作用下，组合梁的塑性中和轴可能位于钢筋混凝土翼板内也可能位于钢梁截面内，计算时应分这两种情况考虑。,塑性中和轴位于混凝土受压翼板内（ 时） 梁的抗弯承载力按下式计算：,塑性中和轴位于钢梁截面内（ 时） 梁的抗弯强度按下式计算：,钢梁受压区截面面积； 钢梁受拉区截面应力合力至混凝土翼板截面应力合力的距离； 钢梁受拉区截面应力合力至钢梁受压区截面应力合力的距离；,(2)组合梁在负弯矩作用下的抗弯强度计算 此时，组合梁受拉区位于翼缘一侧，梁的抗弯承载力应满足下式要求：,(3)组合梁的抗剪强度计算,组合梁截面的剪力假定全部由钢梁腹板承受并沿腹板均匀分布，即抗剪承载能力应按下式计算：,9.3.2.4 组合梁连接件的设计,组合梁的连接件主要传逐钢筋混凝土翼板与钢梁间的纵向水平剪力,并承受竖向掀拉力。连接件可以采用圆柱头栓钉、槽钢或弯起钢筋。如下图所示。,(1)一个圆柱头栓钉连接件的抗剪承载力设计值可按下式计算： 栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比；栓钉材料性能等级通常为4.6级，则,(2)一个槽钢连接件的抗剪承载力设计值可按下式计算：,(3)一个弯起钢筋连接件的抗剪承载力设计值可按下式计算,第9.4节 构件及连接的特点,1.梁的设计 2.柱的设计 3.抗侧力结构的设计 4.连接节点的设计,1.了解梁、柱及抗侧力构件的抗震设计 2.了解连接节点的抗震设计,本节目录,基本要求,9.4.1 梁的设计,当按抗震设计时，除满足梁一章的要求外，尚应满足以下各方面的要求。 (1)梁的抗弯强度 框架梁在罕遇地震下允许出现塑性铰，在多遇地震下应保证不破坏和不需修理，即抗震设计时不允许考虑截面应力的塑性发展，梁的抗弯强度按下式计算：,(2)梁的整体稳定 框架梁的整体稳定性通常通过梁上的刚性铺板或支撑体系加以保证。当梁符合梁一章规定的受压翼缘自由长度与其宽度之比的限值时，可不计算整体稳定性。但7度以上设防的高层钢结构，对罕遇地震下可能出现塑性铰的部位，如梁端、集中荷载作用点，应有侧向支撑点。由于地震力方向变化，塑性铰弯矩的方向也变化，故应在梁上下翼缘均设支撑。这些支撑和相邻支撑点间的距离，应符合钢结构设计规范中塑性设计时的长细比要求。,(3)梁的局部稳定 框架梁翼缘和腹板的局部稳定在一般情况下应符合梁一章的规定。但处于地震设防烈度7度地区的高层建筑，,对抗侧力框架的梁中可能出现塑性铰的区段，其组成板件的宽厚比应符合钢结构设计规范中塑性设计时的规定限值。,9.4.2 柱的设计,框架柱截面可以采用H形、箱形、十字形及圆形等。 高层建筑框架柱的主要特点是组成板件的厚度可能超过40mm，有时甚至超过100mm。这时,注意按照轴心受压构件一章中板厚大于40mm的表格分类。,当框架柱按非抗震设计时，应遵守轴心受力构件一章和拉弯压弯构件一章的规定；当按抗震设计时，尚应满足以下各条的要求。,(1)为实现“强柱弱梁”，使塑性铰出现在梁端而不是柱端，在框架的任一节点处,柱截面的塑性抵抗矩和梁截面的塑性抵抗矩宜满足下式的要求：,在罕遇地震作用下不可能出现塑性铰的部分，框架柱可按下式计算：,(2)按 7度抗震设防的框架柱，其板件的宽厚比限值应满足下表的要求。,(3)高层建筑中框架柱的长细比，当按7度设防时，不宜大于 ；按6度抗震设防和非抗震设防的结构，柱的长细比不应大于 。,9.4.3 抗侧力结构的设计,高层建筑的抗侧力结构包括各种竖向支撑体系、钢筋混凝土剪力墙以及钢板剪力墙等。钢筋混凝土剪力墙的设计应参照高层建筑混凝土结构技术规程的规定。 竖向垂直支撑，分为中心支撑和偏心支撑。,9.4.3.1 中心支撑的设计特点,中心支撑的形式可以采用十字交叉型、单斜杆、人字型斜杆或V型斜杆体系。K形支撑体系在地震作用下可能因受压斜杆失稳或受拉斜杆屈服而引起较大的侧向变形，故不应在抗震设计中采用。,（1）内力计算特点 在初步设计阶段，可采用近似计算方法。此时，应注意： 垂直支撑主要承受水平荷载引起的剪力。但由于高层建筑在水平荷载下变形较大，在自重和水平力下，还承受水平位移和重力荷载产生的附加弯曲效应。, 框架柱在重力荷载作用下的弹性压缩变形将十字交叉支撑、人字撑和V形支撑的斜杆中引起的斜杆中引起附加压应力，故在计算此类形式的支撑截面时，应计入附加应力的影响。 人字形支撑的受压斜杆若受压屈曲，将导致框架横梁产生较大变形。在进行多遇地震作用下的设计时，对人字形支撑和V形支撑斜杆的内力应乘以增大系数1.5。十字交叉支撑和单斜杆支撑应乘以1.3，以提高斜撑的承载力。,（2）截面设计及构造要求 支撑斜杆可设计为只能承受拉力，也可设计为既能受拉也能受压。当按非抗震设计时，杆件截面的设计可参考轴心受力构件的设计方法。但在多遇地震作用下，支撑斜杆的截面还应满足下列要求。 整体稳定承载力,刚度 地震作用下支撑体系的滞回性能，主要取决于其受压行为。支撑长细比较大者，滞回圈较小，吸收能量的能力也较弱。因而对抗震设防建筑中支撑杆件的长细比，限制应更严。需要满足下列要求：,当按6、7度设防时，,当按8度设防时，,当按9度设防时，,局部稳定 板件若丧失局部稳定将影响支撑斜杆的承载能力和消能能力，因而对7度以上抗震设防的支撑斜杆，其板件宽厚比应满足以下要求：,一边简支一边自由时，不得大于 ；两边简支时，不得大于 。,9.4.3.2 偏心支撑的设计特点,偏心支撑为使支撑斜杆的轴线偏离梁和柱轴线的交点，水平荷载较小时具有足够的刚度，而超载时又具有良好的延性。常用偏心支撑构造形式：门架式、单斜杆式、人字形及V字形。,耗能梁段宜设计成剪切屈服型。,剪切屈服型,弯曲屈服型,偏心支撑结构的设计主要进行耗能梁段的强度计算和支撑斜杆的承载力设计。应满足下列要求：,（1）腹板的设计剪力不超过受剪承载力的80，即,（2）耗能梁段的翼缘强度应满足,时,时,耗能梁段的腹板不得加焊贴板提高强度，也不允许开洞。翼缘和腹板的宽厚比应满足：,为保证耗能梁段屈服时支撑斜杆不发生屈曲，要求支撑杆件满足下式要求：,取以下两式的较小者。,为跨间梁在最不利组合下的支撑轴力。,为体现“强柱弱梁”的设计原则，偏心支撑框架柱的内力设计值需要适当提高，按照下式的较小者采用：,9.4.4 连接节点的设计,9.4.4.1 节点设计的一般要求,当按抗震设计时，按照“强节点弱构件”的原则，节点连接的承载力要高于构件本身的承载力，即,9.4.4.2 节点的连接,多、高层钢结构的节点连接可采用焊接、高强度螺栓连接，也可以采用焊接与高强度螺拴的混合连接。 (1)焊接连接 焊接连接的传力最充分，有足够的延性，但焊接连接存在较大的残余应力，对节点的抗震设计不利。焊接连接可采用全熔透或部分熔透焊缝。但对要求与母材等强的连接和框架节点塑性区段的焊接连接，必须采用全熔透的焊接连接。 焊接连接节点的计算可参照第3章。,(2)高强度螺栓连接 高层钢结构承重构件的高强度螺接连接应采用摩擦型，其设计可参照第3章。 对于抗震设计的结构，在罕遇地震作用下，考虑高强度螺栓连接间的摩擦力已被克服，此时连接的抗剪承载力取决于螺拴的抗剪能力，故高强度螺栓的最大抗剪承载力应按下式计算：,(3)栓焊混合连接 栓焊混合连接在高层钢结构中应用最普通，一般受力较大的翼缘部分采用焊接，腹板采用高强度螺栓。这种连接可以兼顾两者的优点，在施工上也具有优越性。由于施工时一般先用螺栓定位然后对翼缘施焊，翼缘焊接时会对螺柱预拉力有一定降低，因而腹板连接的高强度螺栓数目应留有富裕。,9.4.4.3 梁与柱的连接,多、高层钢结构中梁与柱的连接一般采用刚性连接,其构造形式有柱贯通式和梁贯通式两种,一般采用柱贯通式。,框架梁与柱刚性连接时，应在梁翼缘的对应位置设置柱的水平加劲肋。对抗震设防的结构，水平加劲助应与梁翼缘等厚。对非抗震设防的结构，水平加劲肋应能传递梁翼缘的集中力，其厚度不得小于梁翼缘厚度的1/2,并应符合板件宽厚比限值。布置形式如图9.4.3。,梁与柱的连接设计除须验算节点处在弯矩和剪力作用下的承载力外，尚需进行节点域的抗剪强度计算。 (1)节点连接的最大承载力 当梁翼缘的抗弯承载力大于梁整个截面全塑性抗弯承载力的70时,可以采用第3章的简化设计法计算，即考虑梁翼缘的连接(焊缝或螺栓)承受梁端全部弯矩，梁腹板的连接(焊缝或螺栓)承受梁端全部剪力。 否则，梁端弯矩应按梁翼缘和腹板的刚度比进行分配。,(2)梁柱节点域的计算 由上下水平加劲肋和柱翼缘所包围的柱腹板简称为节点域。在周边弯矩和剪力的作用下，H形截面柱节点域的剪应力为：,或,由于两式等效,为简化计，取第一式并略去其中的第二项(略去第二项虽使所得剪应力偏高，但考虑边缘构件的存在，节点域的抗剪强度有较大提高)，则节点域的抗剪强度按下式计算：,按7度及7度以上抗震设计的结构尚应符合下列公式的要求：,节点域两侧梁端截面全塑性受弯承载力； 系数，6度类场地和7度设防的结构取 0.6，按8、9度设防的结构取0.7。,式中,当节点域的厚度不满足以上两式的要求时,应将节点域的柱腹板局部加厚或加焊贴板，如图9.4.5所示。,9.4.4.4 柱与柱的连接,主要指工地拼接，常用的有对齐坡口焊接以及高强度螺栓与焊缝的混合连接。 当非抗震设防，且柱的弯矩较小，不产生拉力时，可将柱的上下端磨平顶紧，采用部分熔透焊缝。此时，坡口焊缝的有效深度te不宜小于厚度的1/2。,全熔透焊缝与母材等强，用于抗震设防的结构。 柱截面改变时，应优先采用保持截面高度不变而只改变翼缘厚度的方法。若必须改变截面高度时，对边柱宜采用图9.4.7(a)的做法，不影响贴挂外墙板，但应考虑上下柱偏心产生的附加弯矩。对内柱宜采用图9.4.7(b)的做法。变截面的上下端均应设置隔板。当变截面段位于梁柱接头处时，可采用图9.4.7(c)的做法，变截面两端距梁翼缘不宜小于150mm。,9.4.4.5 梁与梁的连接,梁与梁的连接主要指主梁的工地接头和主梁与次梁的连接。详细情况见前面梁一章。,