钢结构设计-03多高层钢结构设计.ppt

2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 第三章 多高层钢结构设计 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 内容提要 3.1 轻钢结构概述 3.2 轻型钢屋架设计 3.3 钢管屋架设计 昆明理工大学 建工学院 土木系 3.4 门式刚架结构设计 3.5 金属拱形波纹屋盖 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.1多高层钢结构的特点与结构体系 1 4.1.1 多高层钢结构的特点 高层建筑发展的基本原因 a)经济的发展； b)城市人口增多； c)建设用地减少； d)地价上涨； e)建筑科技进步； f)轻质高强材料的应用。 高层建筑的发展简况 城市人口集中，用地紧张，以及商业竞争 的激烈化，促使近代高层建筑的出现和发 展。 中国最早的高层建筑是一些寺、塔。 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.1多高层钢结构的特点与结构体系 1 国外高层建筑发展的 3个阶段 第一阶段 ，在 19世纪中期之前，欧洲和美国一般只能 建造 6层左右的建筑。 第二阶段 ，从 19世纪中叶开始到 20世纪 50年代，世界 上第一幢近代高层建筑是美国芝加哥的家庭保险公司大 楼， 11层，高 55m，建于 1884年。到 19世纪末，高层 建筑已突破 100m大关。 1931年在美国纽约曼哈顿建造 的 102层、高 381m的著名的帝国大厦，它保持世界最 高建筑记录达 42年之久。 第三阶段 ，从 20世纪 50年代到现在，高层建筑已出现 多种结构体系，如 RC结构， S结构。 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 高层结构体系的发展过程 始用年代 结构体系和特点 1885 1889 1903 20世纪初 二次大战后 20世纪 50年代 20世纪六七十年 代 20世纪 80年代 20世纪 80年代中 期 砖墙、铸铁柱、钢梁 钢框柱 钢筋混凝土框架 钢框架支撑 钢筋混凝土框架剪力墙、钢筋混凝土剪力墙、预制钢筋混凝土 结构 钢框架钢筋混凝土核芯筒、钢骨钢筋混凝土结构 框筒、筒中筒、束筒、悬挂结构、偏心支撑和带缝剪力墙板框架 巨型结构、应力蒙皮结构、隔震结构 被动耗能结构、主动控制结构、混合控制结构 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.1多高层钢结构的特点与结构体系 1 我国多高层钢结构 自 20世纪 80年代中期起步，随后 在北京、上海、深圳、大连等地陆续建成大量多高层 建筑钢结构。 多高层钢结构的特点 自重轻 抗震性能好 有效使用面积高 建造速度快 防火、防腐性能差 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.1多高层钢结构的特点与结构体系 2 4.1.2. 多高层钢结构的结构体系 1 -框架体系 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.1多高层钢结构的特点与结构体系 2 -框架 -剪力墙体系 4.1.2. 多高层钢结构的结构体系 2 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.1多高层钢结构的特点与结构体系 2 -框架 -支撑结构体系 4.1.2. 多高层钢结构的结构体系 3 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.1多高层钢结构的特点与结构体系 2 -框架 -筒体结构体系 4.1.2. 多高层钢结构的结构体系 4 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.1多高层钢结构的特点与结构体系 2 -筒体结构体系 西尔斯 (Sears)大楼筒体变化图 筒中筒结构 4.1.2. 多高层钢结构的结构体系 5 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.1多高层钢结构的特点与结构体系 2 -巨型框架体系 4.1.2. 多高层钢结构的结构体系 6 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 第四章 多高层钢结构设计 4.2 多高层钢结构的计算特点 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 1 4.2.1 荷载 1 水平方向的风荷载和地震作用 ，对高层钢结构设计起 着 主要的控制作用 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 2 1. 竖向荷载 永久荷载（结构自重） 可变荷载（楼面及屋面活荷载） 注：相关荷载按 建筑结构荷载规范 （ GB50009- 2001)的有关条文取值。 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 3 2. 风荷载 ozszk ww -风压高度变化系数 z -风荷载体型系数 s -顺风向 z高度处的风振系数 z 注： 相关系数按 建筑结构荷载规范 （ GB50009-2001)和 高 层民用建筑钢结构技术规程 （ JGJ99-98）的有关条文取值。 式中， -任意高度处的风荷载标准值（ kN/m2） kw -高层建筑基本风压（ kN/m2） 0w 风荷载标准值 由下式计算 kw 基本风压 ：当地比较空旷平 坦地面上离地 10m高统计所 得的 50年一遇 10min平均最 大风速 v0为标准，按 v02/1600 确定的风压值 . 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 4 3. 地震作用 抗震设防烈度 -按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地 震烈度 ; -必须按国家规定的权限审批、颁发的文件（图件）确定 ; -设防范围 6-9度 抗震设防目标 小震不坏、中震可修、大震不倒 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 阶 段 目 标 烈 度 地震 作用 性质 受力状态 验算内容 第一 阶段 小震不坏 （隐含中 震可修） 多遇地震作 用对应的烈 度（小震） 可变 作用 弹性（部分 弹塑性） 构件的承载力和稳定 结构的层间位移 第二 阶段 大震不倒 罕遇地震作 用对应的烈 度（大震） 偶然 作用 弹塑性 结构的层间位移及 层间侧移延性比 两阶段设计 4.2 多高层钢结构的计算特点 5 注： 1）第一阶段为弹性分析，包括截面设计和变形计算； 2）大部分建筑 的第二阶段设计主要由概念设计和构造措施来保证。 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 三水准地震作用的标定 4.2 多高层钢结构的计算特点 6 基本假定 地震强度呈极值分布 烈度符合极值 III型 I Im I0 Is f(I) 地震影响 50年超越概 率 地震重现期 多遇地震对应的烈度 -众值烈度 小震 63.2% 50年 设防烈度 中震 10% 475年 罕遇地震对应的烈度 大震 2-3% 1642-2475年 Im=I0-1.55 Is80m， 7、 8度 I、 II类场地乙、丙类建筑 H60m， 8度 III、 IV类场地和 9度乙、丙类建筑 弹塑 性 简化方法 （略） 时程分析法 （略） 竖向 弹性 底部轴力法 需考虑竖向地震作用的结构 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 12 计算模型 集中质量模型 多高层房屋 无扭转 有扭转 单层厂房 横向 纵向 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 13 2）设计反应谱 max45.0 max2 max2 T Tg m a x12 )5(2.0 gTT 61.0 gT gT5 sT/ 地震影响系数曲线 GkGgPG APG ASgmmSF aa 图中， 55.0 05.09.0 曲线下降段的衰减指数 阻尼比 8 05.002.0 1 7.106.0 05.01 2 1下降斜率调整系数 2阻尼调整系数 动力系数 地震系数 地震影响系数 最大地震作用 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 14 烈度 6 7 8 9 多遇地震 0.04 0.08(0.12) 0.16(0.24) 0.32 罕遇地震 0.50(0.72) 0.90(1.20) 1.40 场地类别 I II III IV 第一组 0.25 0.35 0.45 0.65 第二组 0.30 0.40 0.55 0.75 第三组 0.35 0.45 0.65 0.90 特征周期 Tg（ s） 水平地震影响系数最大值 max max和 Tg分别按下列表格取值 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 15 3）水平地震作用计算 底部剪力法 计算方法 底部剪力的计算 地震作用沿高度的分配 顶部附加地震作用 突出屋面小建筑物 eqEk GF 1 )1( 1 nEkn i ii ii i F HG HGF Eknn FF n im ini FFV Geq 结构等效重力荷载代表值 SDOF： Geq=G1 MDOF： Geq=Sum ( Gi )*0.85 或 Geq=Sum ( Gi )*0.80 Hi Fi FEk Fn mHi 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 16 振型分解反应谱法 ijijjji GaF 2jSS 计算振型 计算地震影响系数和振型参与系数 计算振型地震作用 计算振型地震效应 振型组合 n j ijinniijiiii yayayayayax 1 2211 n i jii n i jiij XGXG 1 2 1 a1i xg(t) aji ani xi(t) 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 17 时程分析法 竖向特别不规则的建筑 高度较大的建筑 采用时程分析法进行补充计算 采用能反应当地场地特征的地震波不能少于 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 10 20s或更长 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 18 4.2.2 结构计算 1. 结构计算的一般原则 结构计算可采用 弹性方法计算 。抗震设防结构尚应考虑罕遇 地震下的 弹塑性计算 ； 现浇组合楼盖 可假设在其 自身平面内绝对刚性 ； 弹性分析时 ， 宜考虑 现浇楼盖与钢梁的 共同工作 ，此时应保 证楼板与钢梁间有可靠连接； 弹塑性分析时 ， 不宜考虑 楼板与 钢梁的 共同工作 ； 计算模型应视具体结构形式和计算内容确定，一般情况下可采 用平面抗侧力结构的 空间协同计算模型 ；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 平面抗侧力单元的结构，或为筒体结构时，应采用 空间结构计 算模型 ； 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 19 高层建筑 钢结构梁柱 构件的 跨高比较小 ，计算结构的内力和 位移时，除考虑梁、柱的弯曲变形和柱的轴向变形外， 尚应计 算梁、柱的剪切变形 ； 钢框架剪力墙体系中， 现浇剪力墙 的计算 按照钢筋混 凝土结构设计 ，应记入墙的弯曲、剪切和轴向变形； 柱间支撑两端应为刚性连接 ，但可按两端铰接连接计算，其端部 连接的刚度通过支撑构件的计算长度加以考虑；若采用偏心支撑， 由于耗能梁段在大震时将首先屈服，计算时应取为单独单元； 钢框架支撑结构的斜杆可按端部铰接杆计算 ；框架部分按计算 得到的地震剪力应乘以调整系数，达到不小于结构底部总地震剪力 的 25和框架部分地震剪力最大值 1.8倍两者中的较小者。 中心支撑框架的 斜杆轴线偏离梁柱轴线交点不超过支撑杆件的宽 度时，仍可按中心支撑框架分析 ，但应计及由此产生的附加弯距； 人字形和 V形支撑组合的内力设计值应乘以增大系数，可取 1.5。 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 20 2. 内力与位移计算 规范规定在进行内力及位移分析时可以采用较为精确的程序计 算方法，也可以采用近似的简化计算方法。 程序计算的基本方法矩阵位移法 简化近似计算方法分层法、 D值法 采用近似计算方法计算高层钢结构的内力与位移时，尚应注意 以下问题 应考虑梁柱节点域的剪切变形对侧移的影响； 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。 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 21 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。但同时符合下列条件时，可不验算结构的整体稳定。 （ 1）结构各楼层柱的长细比和平均轴压比满足 180 m pm m N N 式中： m楼层柱的长细比； Nm楼层柱的平均轴压力设计值； Npm楼层柱的平均全塑性轴压力； mypm AfN 式中： fy钢材的屈服强度； Am柱截面面积的平均值； 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 22 （ 2）结构按一阶线弹性计算所得的各楼层层间相对位移值满足 v h F F h u 12.0 式中： u按一阶线弹性计算所得的层间位移； Fh计算楼层以上全部水平作用之和； 对不符合以上两条件的高层建筑钢结构，需验算 结构的整体稳定。 Fv计算楼层以上全部竖向作用之和； 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 23 3. 承载力验算 钢结构构件的承载能力应满足下列公式要求： RS 0 RE RS 非抗震设计 第一阶段抗震设计时 式中： 0结构重要性系数； S地震作用效应组合设计值； R结构构件承载力设计值； RE结构构件承载力的抗震调整系数； 构件名称 梁 柱 支撑 节点 节点焊缝 节点螺栓 RE 0.80 0.85 0.90 0.90 1.0 1.0 构件承载力抗震调整系数 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.2 多高层钢结构的计算特点 24 4. 位移限制 不考虑地震作用时， 结构在风荷载作用下 500 H 400 h 第一阶段抗震设计 300 h 顶点侧移 层间侧移 层间侧移 第二阶段抗震设计 50 h层间侧移 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 第四章 多高层钢结构设计 4.3 多层多跨框架设计 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.3 多层多跨框架设计 1 4.3.1 构件设计 -框架梁设计 梁的抗弯强度 梁的抗剪强度 梁的整体稳定 梁的局部稳定 -框架柱设计 框架节点处实现强柱弱梁设计概念的计算要求 fWM nx x x v wx ftIVS ybpb c ycpc fWA NfW )( 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.3 多层多跨框架设计 2 轴压比验算 强度 fAN c6.0 fWMAN nxx x n 柱平面内、外稳定验算 f N NW M A N Ex xx x )8.01( 1 fWMAN xb x y 1 柱的局部稳定 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.3 多层多跨框架设计 3 中心支撑构件可用单斜杆、十字交叉斜杆、人字形或 V形斜杆体系 -中心支撑构件 设计时应注意 1）在计算中心支撑斜杆内力时，地震力应乘以增大系数，单斜杆支 撑和交叉支撑乘以 1.3，人字形支撑和 V形支撑乘 1.5。 2）在多遇地震作用组合下，支撑斜杆的抗压验算按下式进行： 支撑斜杆宜采用双轴对称截面，当采用单轴对称截面时，宜防止出 现绕截面对称屈曲。 REbry f A N 35.01 1 E f y 3）刚度：满足相关长细比的要求 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.3 多层多跨框架设计 4 4.3.2 连接节点设计 -节点设计的一般要求 梁柱连接 柱柱连接 梁梁连接 满足传力可靠、构造简单、具有抗震延性及施工方便的要求。 非抗震设计，弹性受力阶段设计 第一阶段抗震设计，弹性受力阶段设计 第二阶段抗震设计，弹塑性受力阶段设计，按照结构抗震设计 遵循的原则，节点的极限承载力要高于构件本身的承载力。 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.3 多层多跨框架设计 5 4.3.2 连接节点设计 节点域稳定 -节点计算 节点域抗剪强度 -节点设计的一般要求 梁柱连接 柱柱连接 梁梁连接 连接弹塑性设计 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 第四章 多高层钢结构设计 4.4 组合楼盖设计 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.4 组合楼盖设计 1 -确定楼盖结构方案时，应考虑以下要求： -保证楼盖有足够的平面整体刚度 -减轻结构的自重及减小结构层的高度 -有利于现场安装方便及快速施工 -钢结构常用楼盖做法 -压型钢板组合楼板 -预制楼板 -叠合楼板 -普通现浇楼板 -具有较好的防火、隔音性能，并便于管线的铺设 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.4 组合楼盖设计 2 4.4.1 压型钢板的形式 -闭口形槽口的压型钢板 -开口形槽口的压型钢板，在其腹板翼缘上轧制 凹凸形槽纹作为剪力连接件 -开口形槽口的压型钢板，同时在它的翼缘上另 焊横向钢筋，以增强抗剪切粘结能力 4.4.2 组合板的极限状态 -沿正截面弯曲破坏 -沿混凝土与压型钢板界面纵向水平剪切破坏 -沿斜截面剪切破坏 -冲剪破坏 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.4 组合楼盖设计 3 4.4.3 组合板的设计 -施工阶段 -使用阶段 施工阶段的荷载 内力计算 截面承载力及挠度计算 施工阶段的荷载 内力计算 截面承载力及挠度计算 （ 1）正截面抗弯承载力的计算 a)当 时，塑性中和轴在压型钢板顶面以 上的混凝土内，组合板的抗弯承载力按下式计算 ccp bhffA 1 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.4 组合楼盖设计 4 （ 2）纵向抗剪计算 )2(8.0 01 xhbxfM c bf fAx c p 1 b)当 时，塑性中和轴在压型钢板内，组合板 的抗弯承载力按下式计算 ccp bhffA 1 )(8.0 2211 pppcc yfAybhfM )(5.0 12 f bhfAA ccpp 国内开口压型板的回归公式 thWaVV rul 30210 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.4 组合楼盖设计 5 （ 3）斜截面抗剪承载力计算 进口带齿或闭口型可采用美国 Porter和 Ekbery教授得出 的回归公式： 2)(8.0 100 lgfk a hm s bhVV cul 07.0 bhfV tin （ 4）抗冲剪计算 ccrt hufV 6.01 （ 5）组合板的挠度 360 l （ 6）组合板的振动控制 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.4 组合楼盖设计 6 4.4.4 组合板的构造要求 压型钢板的表面应有镀锌保护层 压型钢板的净厚度不应小于 0.75mm； 组合楼板截面的全高不应小于 90mm，且压型钢板顶 面至组合板顶面的高度不应小于 50mm； 组合板中的压型钢板在钢梁上的支承长度不应小于 50mm， 在钢筋混凝土梁或砌体上的支承长度不应小于 75mm； 组合板通过带头栓钉穿过压型钢板焊接于钢梁上或钢筋混 凝土梁的预埋钢板上，栓钉的设置应符合下列构造要求： （ 1）跨度小于 3米的组合板，栓钉直径宜为 13mm或 16mm； 跨度 3 6米的组合板，栓钉直径宜为 16mm或 19mm；跨度大 于 6米的组合板，栓钉直径宜为 19mm； 2020/11/8 昆明理工大学 建工学院 土木系 4.4 组合楼盖设计 7 （ 2）焊后栓钉长度应满足其高出压型钢板顶面 30mm，且 应设在支座处压型钢板的凹肋中穿透压型钢板焊牢在梁上。