钢结构设计课件.ppt

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1、2022/12/4,昆明理工大学 建工学院 土木系,第四章,多高层钢结构设计,2022/12/4,昆明理工大学 建工学院 土木系,内容提要,4.1 多高层钢结构的特点与结构体系4.2 多高层钢结构的计算特点,4.3 多层多跨框架设计4.4 组合楼盖设计,2022/12/4,昆明理工大学 建工学院 土木系,第四章 多高层钢结构设计,4.1 多高层钢结构的特点与结构体系,2022/12/4,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

2、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。,2022/12/4,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

3、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。,2022/12/4,昆明理工大学 建工学院 土木系,高层结构体系的发展过程,2022/12/4,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,2022/12/4,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

4、钢结构的结构体系1,-框架体系,2022/12/4,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2,2022/12/4,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3,2022/12/4,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4,2022/12/4,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(

5、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5,2022/12/4,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6,2022/12/4,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,2022/12/4,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,2022/12/4,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

6、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。,2022/12/4,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,-风压高度变化系数,-风荷载体型系数,-顺风向z高度处的风振系数,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）,-高层建筑基本风压（kN/m2）,风荷载标准值 由下式计算,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

7、10min平均最大风速v0为标准，按v02/1600确定的风压值.,2022/12/4,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,2022/12/4,昆明理工大学 建工学院 土木系,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。,2022/12/4,昆明理工大学 建工学

8、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,Im=I0-1.55 Is=I0+1,2022/12/4,昆明理工大学 建工学院 土木系,建筑类别与设防标准,4.2 多高层钢结构的计算特点7,2022/12/4,昆明理工大学 建工学院 土木系,地震作用计算,4.2 多高层钢结构的计算特点8,1)一般说明和计算原则,影响设计地震作用的因素,地震动特性方面抗震设防烈度设计近远震场地类别结构特性方面结构自振周期建筑质量（重力荷载）结构阻尼比（材料）,2022/12/4,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9

9、,设计地震作用的方向,设计地震作用的方向水平（两个）竖向（一个）结构效应的方向平动（两个水平、一个竖向）扭转（竖轴）,2022/12/4,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10,地震作用的计算范围和原则,计算范围水平地震作用竖向地震作用,水平地震作用的计算原则,一般正交布置抗侧力构件的结构，可沿纵横主轴方向分别计算； 斜交布置抗侧力构件的结构，宜按平行于抗侧力构件方向计算； 质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应考虑水平地震作用的扭转影响。,2022/12/4,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11,地震作用的计算方法及其适用范围,202

10、2/12/4,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,2022/12/4,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,地震影响系数曲线,图中，,曲线下降段的衰减指数,阻尼比,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,2022/12/4,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,特征周期 Tg（s）,水平地震影响系数最大值,max和Tg分别按下列表格取值,2022/12/4,昆明理工大学 建工学院 土

11、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,Geq结构等效重力荷载代表值SDOF：Geq=G1MDOF： Geq=Sum ( Gi )*0.85 或 Geq=Sum ( Gi )*0.80,2022/12/4,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,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,2022/12/4,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

12、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1020s或更长,2022/12/4,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

13、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；,2022/12/4,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

14、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。,2022/12/4,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

15、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。,2022/12/4,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,式中：,m楼层柱的长细比；,Nm楼层柱的平均轴压力设计值；,

16、Npm楼层柱的平均全塑性轴压力；,式中：,fy钢材的屈服强度；,Am柱截面面积的平均值；,2022/12/4,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,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；,2022/12/4,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：,非抗震设计,第一阶段抗震设计时,式中：,

17、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；,构件承载力抗震调整系数,2022/12/4,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,第一阶段抗震设计,顶点侧移,层间侧移,层间侧移,第二阶段抗震设计,层间侧移,2022/12/4,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,2022/12/4,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,

18、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,2022/12/4,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,柱平面内、外稳定验算,柱的局部稳定,2022/12/4,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

19、截面时，宜防止出现绕截面对称屈曲。,3）刚度：满足相关长细比的要求,2022/12/4,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。,2022/12/4,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

20、,-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,2022/12/4,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,2022/12/4,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,2022/12/4,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

21、 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,2022/12/4,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

22、的混凝土内，组合板的抗弯承载力按下式计算,2022/12/4,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,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,国内开口压型板的回归公式,2022/12/4,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：,（4）抗冲剪计算,（5）组合板的挠度,（6）组合板的振动控制,2022/12/4,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

23、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36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；,2022/12/4,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。,