钢结构特点及设计控制

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,*,钢结构的特点及分析控制,1。钢结构的特点,2。分析模型,3。钢结构的设计控制,4。混合结构的设计控制,5。总结,1.1。一般钢结构的特点,结构方案的随意性：,结构没有明显的楼层概念，它只根据需要而设置钢梁、支撑、楼板等。,建模时，采用大量的特殊手段：,如层间梁、修改节点高度、错层梁、坡梁、斜柱、楼板开大洞，等等。,建筑设计只满足功能的需要：,不考虑结构的要求，如层、层刚度、薄弱层、位移比、侧移刚度，等等的概念。所以结构布置大多为空旷的、不规则的、刚度不均匀的空间结构。给分析带来一定的难度。,结构薄弱点：,由于结构存在较多的不规则、不连续性，多层钢结构大多都会产生多处局部振动，造成多处薄弱部位。给结构设计带来难度。,水平支撑加变截面柱,变截面梁柱,多层钢结构工业厂房,空间塔围结构,普通多层钢结构,普通多层钢结构,特殊工业钢结构,1.2。高层钢结构的建模特点,高层钢结构往往带有，型钢构件、钢管构件、钢板剪力墙等等特殊的结构形式，设计时，应分别满足相应的设计规范、规程。对一些特殊工程，还应作,模型试验,。,高层钢结构的建模，与高层混凝土结构的要求基本上符合，尽量,避免错层、楼板不连续、平立面不规则、扭转不规则,。,高层钢结构往往采用大量的支撑，超高层钢结构大量采用支撑转换层、刚性层。建模时应尽量,避免越层支撑,。,在高层混凝土结构的顶部加有钢塔时，建模要根据这类结构合理分析的需要。如：整体建模分析、分开建模分析等等。更要考虑等效质量、荷载的合理作用。,应,特别注意,混合结构的建模方法。如剪立墙与钢梁的连接。,高层钢结构支撑为主要抗侧力结构,2.1。钢结构的局部振动,结构分析应满足相应的设计规范、规程。,结构分析一般可以选择：,弹性楼板、,P-,效应、总刚模型计算结构的振型、振型数应取得足够多满足有效质量系数，,等等。,结构的振型分析，可以观察到结构的薄弱部位，应尽量减少结构的面外振动、局部振动。,采用面外加强的方式，减少局部振动和薄弱部位。,当梁的高差较小（在梁高范围内）时，应简化成同一标高，这样可避免短柱的应力突变，造成设计超限。,当结构为抗震控制，应尽量减少结构的刚度突变，减少薄弱层。,板厚为0，产生大量的空旷结构,振型数要多取,振型需要取到60个才能满足要求,振型需要取到60个才能满足要求,局部振动的处理,当局部振型靠前，说明在此处形成薄弱部位的可能性越大。当第,1,振型就是局部振动时，可以肯定该部位是薄弱部位，在地震作用下，将首当其冲遭到破坏。,局部振动产生的薄弱部位，往往是局部的刚度失却。如：楼板开洞太多；只有平面内支撑，没有平面外支撑；或两个方向的刚度差异太大造成。等等。,改善结构的刚度，使之均衡，以避免局部振动。如：增加平面外的刚度等。,建模的不当或计算模型的不合理，也会造成局部振动。,通过增大振型数、保证有效质量系数等，产生局部振动的结构虽然是可以分析的，但是在设计时，还是应该尽量避免。,2.2。钢结构的非线性分析,在,钢结构分析时，应考虑,P-,效应，即简化的几何非线性。,当结构受力特殊时，还应考虑材料非线性，即弹塑性分析。,钢结构由于其材料的一致性、各向同性性、均匀性等，其材料非线性性能是比较容易模拟的，分析结果的真实性较高。所以，一些特殊钢结构工程（如：体育场馆、重要的构筑物等）都应考虑弹塑性分析。,非线性分析也可以找到结构的薄弱部位。可以确定结构在大震下的承载能力。是目前普遍采用的方法。,P-效应的计算选择,软件采用的计算方法,软件采用,等效几何刚度的有限元法,来考虑,P-,效应。,P-,效应是一种简化的几何非线性计算方法。一般结构还是,属于小变形,，所以,P-,效应是可以满足设计需要的。,当需要考虑材料非线性时，应采用,弹塑性分析,，即弹塑性静力分析（,PUSH,）,或弹塑性动力分析（,EPDA,）。,以得到结构大震下的承载能力。,不考虑P-效应,不考虑P-效应,考虑P-效应,考虑P-效应,2.3。钢结构分析模型的简化,屋架的模型简化,。,刚性杆或采用刚性楼板假定,柱顶铰接,屋盖计算模型简化,平板网架的模型简化,。,定义超大房间按刚性楼板假定分析,网架荷载按集中力作用到四周,网壳的模型简化,。,网壳荷载按集中力作用到四周,超大房间按板厚为0考虑,注意网壳传给四周的水平推力,柱脚连接刚度的简化,。,一般上面两种柱脚连接，都按刚接处理。但是，实际情况却有出入。因为高强螺栓不能完全约束柱脚的位移，计算时按刚接处理，柱底约束偏刚，,结构位移计算偏小，柱底内力偏大、柱顶内力偏小,。,箱形刚接柱脚连接,H形刚接柱脚连接,梁腹板高强螺栓连接刚度的简化,。,梁柱刚接的连接方式,：翼缘焊接、腹板用高强螺栓连接。在计算时按刚接处理是合理的。,柱梁铰接的连接方式,：腹板用高强螺栓连接。这种连接实际上腹板还是有承载能力的（约是刚接的,40%,），按铰接处理梁的跨中弯矩将偏大，梁支座处截面（腹板）没有进行强度验算，存在隐患。,梁柱刚接,梁柱铰接,主次梁的连接同梁柱的铰接类似，也有刚度模拟问题。,严格地说，钢结构的铰接是一种半刚接，如何合理的模拟这种半刚接，是需要研究的课题。,3。钢结构的设计控制,在分析高层钢结构时，,P-,效应,一般总是要考虑的，其它的设计选择应根据相应的规范、规程而定。,梁柱节点域的变形问题：,目前程序没有考虑梁柱节点域的剪切变形，这也是一个复杂问题。如考虑节点域变形，而梁柱采用节点以外的长度，与不考虑节点变形，而梁柱采用形心长度。这两种分析模型，对结构影响变化有多大，目前研究较少。节点剪切变形与节点域的加固程度有关，所以也不容易合理地估计。总之，只要对节点域加固，一般可以不考虑节点域的剪切变形。,偏心支撑：,在高层钢结构中设置偏心支撑，可以提高结构的整体延性，避免支撑附近构件内力突变，通过耗能梁吸收地震作用，从而达到抗震的目的。,强柱弱梁的要求：,根据,抗震规范,对钢柱作“强柱弱梁”的验算。但是可以有三个放松条件。所以用户可以对验算结果酌情参考、调整。,长细比验算：,当结构设计是抗震设计控制，则长度系数可以取,1.0,。,层间位移：,抗震规范规定，当地震力作用下的位移应小于,1/300,，当为高层钢结构时，可以放松到,1/250,。同时还应考虑,舒适度的要求，控制顶点的加速度值。,。,有侧移无侧移：,1,。,当楼层最大杆间位移小于,1/1000,时，可以按无侧移设计；,2,。,当楼层最大杆间位移大于,1/1000,但小于,1/300,时，柱长度系数可以按,1.0,设计；,3,。,当楼层最大杆间位移大于,1/300,时，应按有侧移设计。,结构有侧移无侧移的判定,有侧移,、,无侧移,实际上与荷载作用有关。,荷载组合基本按以下四类：（,1,）,恒,+,活,；（,2,）,恒,+,活,+,风,；,（,3,）,恒,+,活,+,地震,；（,4,）,恒,+,活,+,风,+,地震,。,其中，,2,、,3,、,4,类组合有可能是有侧移的，而第,1,类组合一般认为是无侧移。,从抗震规范第,条（包含第,条）中的要求，并参考相应的（第,条）条文说明，在某种荷载组合作用下，可以通过,结构的整体稳定系数,来判定，公式如下：,结构整体稳定系数,P,第,i,层以上的全部重力荷载设计值,V,由水平荷载在第,i,层产生的楼层剪力设计值,由楼层剪力引起的第,i,层质心处的一阶弹性层间位移,H,第,i,层的楼层高度,上述公式,适用于刚性楼板假定,情况。也可以推广到一般情况。,在不同的荷载组合作用下，水平荷载在第,i,层产生的楼层剪力是不同的，计算的楼层稳定系数也各有差异。,当楼层稳定系数不超过,0.05,时，则可以把该楼层看作是,无侧移,的。,根据这种方法，软件将进一步的改进。,可以对每一组荷载组合时，判断有无侧移的情况，取用不同的长度系数,。,考虑P-效应,高层钢结构参数选择,支撑体系结构可以选择“框剪结构”,0.25Qo的调整,中心支撑和偏心支撑,中心支撑可以提供较大的刚度，但是会造成,柱内力的突变,，尤其高层钢结构支撑轴力很大，柱将承担很大的剪力。所以中心支撑多用于多层钢结构。,偏心支撑及其产生的耗能梁结构体系，可以提供,较大的延性,，在大震下耗能梁首先进入塑性，以吸收地震能量，从而减少震害。其多用于高层钢结构。,耗能梁的设置和设计,耗能梁应设置在柱端部受力集中部位，另一端与偏心支撑相连。,耗能梁可以理解为偏心支撑结构的“,保险丝,”，在大震作用下通过耗能梁的非弹性变形来消耗地震能量，而使,偏心支撑不屈曲,（保证其承载能力），以保证结构在大震下的稳定性。,为使偏心支撑能够承担耗能梁段的端部弯矩，支撑与梁应设计成刚接。,耗能梁与偏心支撑结合的结构体系具有：（,1,）,弹性阶段的刚度接近中心支撑体系,；（,2,）,弹塑性阶段的延性和消能能力接近于延性框架体系,。,偏心支撑结构体系的设计原则：,强柱、强支撑、弱耗能梁,。,偏心支撑结构体系的种类,梁、支撑连接处按刚接设计,4。混合结构的设计控制,混合结构主要是指：（,1,）,型钢混凝土、钢组合结构,；（,2,）,圆钢管混凝土结构,；（,3,）,矩形钢管混凝土结构,；（,4,）,钢与混凝土组合梁结构,。,型钢混凝土、钢组合结构：,型钢混凝土结构中，常常伴有钢结构，以保证构件连接的顺畅。这种体系具有型钢混凝土结构的刚度和钢结构的延性。结构一般按区域布置，下部为型钢混凝土结构，上部为钢结构。上下部应按各自的结构性能要求来控制。,当上部钢结构占据较多层，结构整体分析宜按钢结构，地震分析时，结构阻尼比宜按,0.03,（可以比纯钢结构略大些）。,圆钢管混凝土结构：,圆钢管能有效约束其中的混凝土，,使混凝土受到三向约束，混凝土的抗压强度和变形能力显著提高,（矩形钢管则不具备这个效能）。,圆钢管混凝土一般用在大轴压力（或伴有大弯矩）的柱（大跨度柱）中，可以起到很好的效果。,矩形钢管混凝土结构：,矩形钢管对管内混凝土的约束作用远不如圆形钢管，但是它与空的箱形钢管比，承载力大大提高，而且容易与其它构件连接。,钢管混凝土结构可以按“钢结构”来设计控制。材料的阻尼比可以比纯钢结构略大。,钢与混凝土组合梁结构：,组合梁结构在分析时，需要分,施工阶段,和,使用阶段,。,施工阶段时，楼面只有钢梁，并要承担混凝土板的荷载；,使用阶段时，可以考虑混凝土板与钢梁的共同工作。,混合结构构件设计时，需遵循以下设计规程：,型钢混凝土结构设计，需遵循,型钢混凝土组合结构技术规程,JGJ 138-2001,圆钢管混凝土结构设计，需遵循,钢管混凝土结构设计与施工规程,CECS 28:90,矩形钢管混凝土结构设计，需遵循,矩形钢管混凝土结构技术规程,CECS 159:2004,钢与混凝土组合梁设计，需遵循,钢结构设计规范,GB 50017-2003,5。总结设计技术要点,（,1,）在软件编制中按照,建筑结构荷载规范,、,建筑抗震设计规范,、,钢结构设计规范,及,高层民用建筑钢结构技术规程,对钢构件进行截面相应的截面强度、整体稳定、局部稳定等的验算。,（,2,）按,高层民用建筑钢结构技术规程,计算地震力和地震参数，可对钢柱进行,0.25Qo,的基底剪力调整。,（,3,）在抗震规范的第八章中，对钢柱、钢梁和钢支撑以强制条文的方式，规定了杆件的宽厚比、高厚比和长细比，所以当遇到不满足强制性条文的规定时，软件将严格报错，以提示用户注意。,钢结构的整体分析,（,1,）钢结构的整体分析与混凝土结构一样，不但要满足抗震规范的相应条文，如：,最小基底剪力、薄弱层、层刚度比、位移比、周期比、最大位移角等等控制,，还应该根据钢结构变形较大的特点，考虑,偶然偏心、双向地震、二阶变形效应,，如：,P-,效应,。对重要的结构还应考虑弹塑性变形分析，如：,弹塑性动力时程分析、弹塑性静力推覆分析,。,（,2,）当钢结构是由空间杆件组成，带有大量的空洞、交错结构、空间斜交结构，空间弧形构件、支架、塔架、桁架、屋架等等，在分析时会产生大量的独立的“弹性节点”，这就要求在建模、分析时注意：复杂构件连接应尽量选择空间整体建模，如,SPASCAD,；,整体分析时振型数应取得足够的多，应以“有效质量系数”大于,90%,为满足依据。,（,3,）钢的弹性模量比混凝土大的多，对钢结构可以按“,一次性加载,”计算恒载。钢结构允许变形大，分析应考虑,P-,效应。考虑,P-,效应后，,水平位移增大约,5%,10%,。一般当杆间位移大于,1/250,时应该考虑,P-,效应。,（,4,）钢柱的“有侧移”、或“无侧移”选择，可以按以下原则考虑：,（,A,）,当楼层最大杆间位移小于,1/1000,时，可以按无侧移设计；（,B,）,当楼层最大杆间位移大于,1/1000,但小于,1/300,时，柱长度系数可以按,1.0,设计；（,C,）,当楼层最大杆间位移大于,1/300,时，应按有侧移设计,。,（,5,）目前软件没有考虑钢梁柱节点的剪切变形，可以通过加强钢柱的节点域，如在节点中间夹焊缀板等方法，来提高节点域的刚度，,减少节点域的剪切变形,。这一点对,H,型钢的柱节点尤其重要，在高层钢结构设计中也是要重点关注的。,钢结构的位移控制,（,1,）抗震规范规定，当地震力作用下的位移应小于,1/300,，当结构为高层钢结构时，可以放松到,1/250,。同时还应考虑舒适度的要求，控制顶点的加速度值。,（,2,）同样钢结构也应该有偶然偏心、双向地震，并且位移控制也要考虑偶然偏心和双向地震。,钢构件的设计控制,（,1,）当为,转换层,结构时，对转换构件也要在“特殊构件”中按“,转换梁,” 定义，软件在计算时将考虑规范的要求，对转换梁进行地震内力放大。,（,2,）对于按支撑输入的斜柱，应在“,特殊构件,”定义中把其两端的连接属性改为两端刚接，这样斜柱将按支撑和柱设计验算取大值。同样当钢梁产生轴力时，,钢梁也应按钢柱的方式验算强度、稳定，与受弯构件的验算比较取大值控制,。而且对两端铰接梁还要按照水平支撑的要求，按支撑方式验算。,（,3,）对于混合结构，其中的钢结构部分应按要求进行分析演算，对混凝土部分则应参照有关相应的规范进行设计验算,。,