钢框架结构设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,钢框架结构设计基本理论,第一篇、钢框架的基本概念,第二篇、钢框架的结构布置,第三篇、荷载,第四篇、框架结构的计算,第五篇、钢构件设计,第六篇、钢框架节点设计,第七篇、组合楼盖布置与设计,1,1.1、框架结构,沿纵横方向由多榀框架构成及承担水平荷载的抗侧力结构，梁柱连接常采用刚接。,一般在不超过30层时比较经济。,第一篇 钢框架的基本概念,2,1.2、钢框架结构的特点,优点：,1、抗震性能良好：由于钢材延性好，既能削弱地震反应，又使得钢结构具有抵抗强烈地震的变形能力；,2、自重轻：可以显著减轻结构传至基础的竖向荷载和地震作用；,3、充分利用建筑空间：由于柱截面较小，可增加建筑使用面积24；,4、施工周期短，建造速度快；,3,框架体系的主要特点,5、形成较大空间，平面布置灵活，结构各部分刚度较均匀，构造简单，易于施工；,6、侧向刚度小，在水平荷载作用下二阶效应不可忽视；由于地震时侧向位移较大，引起非结构性构件的破坏。,4,1.1、钢框架结构的特点,存在的问题：,1、耐火性能差：钢结构中的梁、柱、支撑及作承重用的压型钢板等要求用喷涂防火涂料。,2、吸取震害经验教训完善钢结构设计：由于地震的随机性和实际工程的复杂性，很难避免节点的开裂、支撑的压曲等震害。,5,1.2、钢框架结构体系的适用高度及建筑高宽比,1.2.1、“高钢规程”的规定,1、适用高度,“高钢规定”对非抗震设防和设防烈度为6度至9度的乙类和丙类高层建筑，按照所采用的结构类型和结构体系，规定了下表适用高度。,6,2、建筑高宽比限值,7,1.2.2、“抗震规范”（GB 500112001）的规定,1、适用高度,高层民用建筑钢结构各种类型的最大适用高度应符合规范规定。对平面和竖向不规则或建造于类场地的钢结构，其高度应适当降低。,8,2、建筑高宽比限制,9,第二篇 钢框架的结构布置,2.1、,按照承重方案的不同划分为三种:,横向承重,纵向承重,纵横向双向承重,10,11,2.2、柱网布置,方形柱网和矩形柱网是多高层框架结构常用的基本柱网，其柱距宜采用,69m,。,当柱网确定后，梁格即可自然地按柱网分格来布置。框架的主梁应按框架方向布置于框架柱间并与柱刚接。,一般需在主梁间按楼板受载要求设置次梁，其间距可为34m。,12,柱网一般布置,13,第三篇 荷载,3.1、荷载分类：,竖向荷载,按建筑构件荷载规范(GB50009-2001)有关条文取值。,风荷载,地震作用,14,3.1.1、风荷载,风荷载体形系数,基本风压，由空旷平坦地面，离地10m统计的重现期为50年(或100年）的10分钟平均最大风速计算所得。,风压高度变化系数,Z高度处的风振系数,15,3.1.2、地震作用,结构所承受的“地震力”实际上是由于地震地面运动引起的动态作用，属于间接作用，称为“地震作用” 。,“三水准”设计原则：,小震不坏，中震可修，大震不倒。,“两阶段”设计方法：,第一阶段设计多遇地震作用下的弹性分析，主要验算构件的,承载力、稳定性,及结构的,层间位移,第二阶段设计罕遇地震作用下的,弹塑性变形验算,，主要验算结构的屈服机构、层间位移和层间位移延性比。,16,3.2、荷载效应组合,承载力极限状态的荷载效应组合分为,1、无地震作用时的荷载效应组合,2、有地震作用时的荷载效应组合,注：,9度,设防烈度时，以及建筑高度,H60m,时，应考虑风荷载和地震作用的组合。,结构侧移验算时的荷载效应组合有,1、风荷载作用时： S=S,Wk,2、水平地震作用时： S=S,Whk,17,第四篇 框架结构的计算,18,4.1、框架结构的受力特性及内力分布,柱脚轴向力产生的力偶是平衡倾覆力矩的主要部分,柱脚轴向力产生的平衡力矩 远大于柱脚弯矩之和 。,框架梁的刚度越大， 值越大。当框架边柱之间的距离越大，或建筑物的高宽比越小，柱脚轴力产生的平衡力矩越大，梁柱内力也可有所减小。,19,20,梁柱内力自上而下逐层增加,框架结构在竖向荷载作用下，除框架柱的轴向压力自上而下逐层增加外，而框架梁和框架柱的剪力及弯矩自上而下基本上无显著变化。在水平荷载作用下，框架柱和框架梁的内力M、V、N的分布，不仅对柱是自上而下逐层增加，对框架梁也是如此，上小下大，而且第二层边跨的框架梁梁端内力常为最大。上述框架结构的内力分布规律，可作为构件截面估算参考，也可作为下部建筑有效层高有否影响的估计。,21,4.2、框架结构的水平侧移,4.2.1、水平位移是由三方面原因产生的,22,23,24,水平位移曲线属剪切型，层间位移下大上小,对于多层框架结构可忽略柱轴向变形产生的层间位移。对高层框架虽不能忽略此变形，但由梁柱构件变形产生的层间位移是主要的，它构成的水平变形曲线属剪切型。,由于柱脚处无水平位移，且底部作用剪力最大，最大的层间位移常位于底层或下部几层，顶部较小。,25,26,在水平荷载作用下，框架节点因腹板较薄，节点域将产生较大的剪切变形（图1-17），从而使框架侧移增大10%至20%（“高钢规程”规定，应计入其影响）；对内力的影响在10%以内（可不计其影响）。,27,4.2.2、钢框架结构侧移要求,框架结构在水平荷载作用下的变形由总体剪切变形和总体弯曲变形两部分组成。,抗震规范：,多高层钢框架的弹性层间位移角限值：（第一阶段抗震设计）,1/300,高钢规：,在风荷载作用下，顶层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,。,28,4.3、框架结构近似计算,框架结构计算简图,将框架结构的空间形式,简化成平面形式,如图,29,框架杆件用其轴线表示；杆件之间用节点表示；杆件长度用节点之间的距离表示；,计算跨度取框架之间轴线距离；,柱的计算高度可以取层高，底层柱一般取到基础顶面的距离；,跨度相差不超过10%时，按等跨计算内力;,屋面斜梁坡度不超过1/8时,按水平梁计算,。,30,1、分层法,计算假定：,框架的侧移和侧移力矩忽略不计；,每层梁荷载对其它层梁和柱的影响忽略不计。,计算要点：,除底层柱外，其它柱的侧移刚度乘以,0.9,，传递系数为,1/3;,适用条件：,分层法适用于节点梁柱线刚度比,31,2、弯矩二次分配法,是一种计算竖向荷载作用下框架结构内力的一种近似方法；,假定节点的不平衡弯矩值对于该节点相交的各杆件的远端有影响,对其余各杆件的影响忽略不计；,先对各节点的不平衡弯矩进行第一次分配,并向远端传递(传递系数为1/2)；,在将传递弯矩产生的新的不平衡弯矩进行第二次分配，整个弯矩分配和传递结束。,32,4.3.2、水平荷载作用下的近似计算,钢框架结构在水平荷载作用下的内力计算有两种近似计算方法:,反弯点法,修正反弯点法(D值法),33,1、反弯点法,使用条件：,结构比较均匀,层数不多, 梁的线刚度i,b,比柱的线刚度i,c,大较多时。,基本假定：,(1)在剪力分配时, 认为梁的线刚度与柱的线刚度之比为无限大,两端无转角;,(2) 确定各柱的反弯点位置时,认为除底层外其余各层柱上下两端的转角相同;,(3) 不考虑柱的轴向变形,同一层各节点的水平位移相等。,34,同层柱的剪力分配,柱的侧移刚度:,第i层的总剪力:,35,柱中反弯点的位置：,对于底层柱，反弯点的位置位于柱距柱底2/3h处。,除底层柱外，其它柱反弯点的位置位于柱的中点；,框架梁柱内力计算,柱的内力根据柱间剪力和反弯点的位置确定，梁端弯矩由平衡条件求出。,(1)柱端弯矩:,(2)梁端弯矩:,(3) 梁端剪力：,(4) 柱的轴力：,36,2、改进反弯点法（D值法）,两个方面的改进,1,、修正了框架柱的,抗剪刚度,在水平荷载作用下，框架不仅有侧移，且各节点都有转角。,2,、调整了框架柱的,反弯点高度,不再是定值，而是与柱的上下端的刚度有关，反弯点偏向刚度小的一端。,有了,D,值,和,反弯点,的位置后，其他内容的计算和“反弯点法”完全相同。,37,4.4、结构的整体稳定P,效应,由于钢框架的侧向刚度较柔，在风荷载或水平地震作用下将产生较大的水平位移，这使已作用于产生水平位移的结构上的竖向荷载，对该结构的各构件产生附加内力，而且增大已有的结构位移水平，因而降低结构的承载力和结构的整体稳定性。,按反映二阶效应的方法验算结构的整体稳定。,38,第五篇 钢构件设计,5.1、构件选型：,5.2、钢构件设计：,构件强度验算,构件稳定承载力验算,39,1、框架柱的选取,多层钢框架多为双向设置，故柱截面的强弱轴方向宜按整个框架体系的刚度要求来确定。,框架柱截面可采用H形、箱形、十字形、圆形等，见图。,对于多层钢框架，柱轮廓外边尺寸不超过800mm。,40,常见的柱截面图,大红274,41,2、梁的选取,框架梁或仅承受重力荷载的梁，其受力状态为单向受弯。,通常采用双轴对称的轧制或焊接H型钢截面，对跨度较大或受荷较大，而高度又受到限制的部位，可采用抗弯和抗扭性能较好的箱形截面（双腹板梁）。,42,5.2、构件的计算,梁的承载力计算,梁的整体稳定,框架柱的承载力计算,框架柱的计算长度,43,5.2.1、梁的承载力计算,梁的抗弯强度验算：,抗剪承载力计算：,框架梁端部腹板受切割削弱时，按下公式计算梁端部的抗剪强度：,44,5.2.2、梁的整体稳定,梁的整体稳定性通常通过刚性铺板加以保证，使其不控制设计。,铺板起阻止梁的失稳作用应满足的两个条件：,一是铺板在自身平面内有相当大的刚度；,二是铺板与梁有可靠的连接。,当铺板不满足是刚性条件时，按右式计算梁的稳定：,45,5.2.3、框架柱的承载力计算,框架柱是指与梁刚接的柱，在轴向压力和弯矩的共同作用下，兼有梁和柱的特点，以截面出现塑性铰作为压弯构件的极限承载力。,承载力计算：,46,强轴平面内稳定：,弱轴平面内稳定：,47,截面抗震验算,内力基本组合设计值,抗震承载力设计值,承载力调整系数,48,5.2.4、框架柱的计算长度,设计框架柱时，多采用计算长度法，把框架的稳定简化为柱的稳定来对待。,对于纯框架结构，当没有支撑、剪力墙、电梯井筒等支撑结构，称为有侧移框架。,有侧移的计算长度系数的电算近似公式：,K,1,、K,2,分别为柱上端、下端的梁线刚度和与柱线刚度和的比值。,49,5.3.1、柱的长细比限值,建筑抗震设计规范(GB50011-2001)对不超过12层的钢框架柱的长细比作了如下规定：,68度时,9度时,50,5.3.2、梁的板件宽厚比限制,不超过12层钢框架的梁板件的宽厚比限值,51,5.3.3、柱的板件宽厚比限值,不超过12层钢框架的柱板件的宽厚比限值,抗震设防烈度,7度,8度,9度,工字形截面翼缘外伸部分,13,12,11,箱形截面壁板,40,36,36,工字形截面腹板,52,48,44,注：以上两表数值适用于Q235，当材料为其它钢材,时，应乘以,52,第六篇 钢框架节点设计,节点连接时保证钢结构安全的重要部位。多高层钢结构节点的受力状况比较复杂，构造要求相当严格，故节点的设计至关重要。,钢框架节点主要有：,梁与柱的连接,柱与柱的连接,梁与梁的连接,柱脚的设计,53,6.1、概述,6.1.1、节点设计的基本原则,1、节点受力应该力求简捷、明确；,2、保证节点足够的强度，后于构件破坏；,3、节点连接应具有良好的延性，故设计中应采用合理的细部构造，不宜采用约束度大的和易产生层状撕裂的连接形式；,4、构件拼接一般按等强度原则；,5、尽量简化节点构造，以便于加工、安装。,54,6.1.2、连接形式,1、焊接：,A、焊接材料应选取与母材机械性能匹配；,B、焊缝布置尽量与构件轴线对称，力求受力均匀；,C、焊缝、焊接接头及坡口形式和尺寸符合标准；,D、厚度过大的构件，施焊前应预热；,E、根据焊缝部位的重要性，确定焊缝的质量等级。,包括：,全熔透焊缝；,部分熔透焊缝；,55,2、高强度螺栓连接,3、栓焊混合连接,56,6.2、梁与柱的连接,梁柱节点可分为：刚性连接、半刚性连接、铰接连接。对于纯框架，宜采用刚性连接。,刚性连接：具有足够的刚度，能使所连接的构件间的夹角在达到承载能力之前，实际不变的接头。,57,梁柱的刚性连接,梁柱刚性连接构造形式有：,1、全焊节点：梁的上下翼缘用坡口焊全熔透焊缝，腹板用角焊缝与柱翼缘相连接。,2、栓焊混合节点：仅在梁的上下翼缘用全熔透焊缝，腹板用高强螺栓与柱翼缘上的剪力板相连。,3全栓接节点：梁翼缘与腹板借助T形连接件用高强螺栓与柱翼缘相连。,58,在抗震设计的连接节点中，要求计算连接的极限承载力，焊接和高强度螺栓连接的极限承载力应满足下式要求：,（1）M,u,1.2M,p,（2）V,u,1.3(2M,p,/L,n,)且V,u,0.58H,w,T,w,F,y,节点域的屈服承载力,节点域的稳定性,59,各公式系数含义见抗震规范,强柱弱梁,60,6.2.1、全焊节点,61,6.2.2、全栓接节点,62,6.2.3、栓焊混合节点,63,6.2.4、十字形节点,64,6.2.6、梁柱节点板域补强,65,6.3、柱与柱的连接,66,6.3.1、框架柱最常见的工地拼接形式,67,6.3.2、变截面柱的连接,68,69,6.3.4、关于实现强节点弱杆件的要求,改进栓焊法中的焊接工艺。,高钢规程对梁柱刚接做法的规定,70,削弱节点部位梁段的抗弯承载力,RBS或“狗骨式”节点,71,加强节点部位的抗弯承载力,72,外移梁的工地连接节点位置及塑性铰位置,73,6.4.1、梁与梁的拼接,74,75,76,6.4.2、主次梁的连接,77,78,79,6.4.3、主梁的侧向隅撑,80,6.4.4、梁不等高时的加劲肋,81,与柱正交梁高不等时的加劲肋,82,6.4.5、梁腹板开孔加强,83,84,6.5、钢柱脚的设计,柱脚的作用是将柱下端的轴力、弯矩和剪力传给基础。,抗震设计的柱脚，柱的下部在强震时为塑性区段，在形成塑性铰之前，不允许柱脚先屈服。,柱脚分为：,埋入式,外包式,外露式,85,6.5.1、埋入式柱脚,86,6.5.2、外包式柱脚,87,6.5.3外露式柱脚,88,第七篇 楼盖布置与设计,7.1、概述：,多高层结构中，楼盖结构的方案选择，要遵循满足建筑设计要求、较小自重以及便于施工等一般性原则，还要有足够的刚度。,楼盖结构包括楼板和梁系，梁系通常由主梁和次梁组成。,多高层钢结构中的楼板：,压型钢板组合楼板压型钢板作为混凝土的下部钢筋与混凝土一起共同工作形成；,非组合楼板压型钢板仅用作永久性模板，不参与共同工作。,89,7.2、组合楼板的优点,施工速度快，不再采用支模施工，常不再支设临时竖向支柱，由压型钢板承担施工荷载。,便于铺设板内管线，并可在压型钢板凹槽内埋置颠簸装修用的吊顶挂钩。,用圆柱头焊钉穿透压型钢板焊接在钢梁上翼缘后，使施工时对钢梁起侧向支承作用。,在使用阶段压型钢板作为混凝土楼板的受拉钢筋，也提高了楼板的刚度。,采用圆形焊钉，传递压型钢板与混凝土叠合面之间的剪力。,90,组合楼盖图,大篮p404,91,7.3、压型钢板,压型钢板钢材强度设计值（N/mm,2,）：碳素结构钢,受力类型,符号,钢材牌号,Q215,Q235,抗拉、抗压、抗弯,f,190,205,抗剪,f,v,110,120,弹性模量,E,206000,92,压型钢板的板型及截面计算参数均可在相关的手册中查得，,用于组合楼板的压型钢板厚度不应小于0.75mm，用于非组合楼板时，其厚度不小于0.5mm。,浇注混凝土的波槽平均宽度不应小于50mm，当在槽内设置栓钉等时，压型钢板的总高度不应大于80mm。,93,常见压型钢板,94,栓 钉,钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规程规定了栓钉的力学性能与抗拉强度设计值如下：（N/mm,2,）,屈服强度：235345,抗拉强度：402549,抗拉强度设计值：200,栓钉受剪承载力设计值的计算公式如下：,95,7.4、组合楼盖的设计,施工阶段验算,对压型钢板进行强度和变形阶段验算。,作用荷载：,恒载：压型钢板、钢筋和混凝土自重,可变荷载：施工荷载和附加荷载。,若验算不满足要求，可加临时支撑已减小板跨加以验算,96,使用阶段验算,A、组合板正截面抗弯承载力验算,B、组合板抗冲剪承载力验算,C、组合板斜截面抗剪承载力验算,97,7.5、组合梁的设计,98,组合梁计算内容：,1、施工阶段,钢梁的受弯及受剪承载力计算,钢梁的挠度验算,2、使用阶段,组合梁的受弯计算,组合梁的受剪计算,抗剪栓钉的数量计算,钢梁翼缘与混凝土翼板的纵向界面受剪,承载力计算,挠度验算,参见高层民用建筑钢结构技术规程,99,