1、2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,第三章,多高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,內(nèi)容提要,3.1 輕鋼結(jié)構(gòu)概述 3.2 輕型鋼屋架設(shè)計 3.3 鋼管屋架設(shè)計,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,3.4 門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.5 金屬拱形波紋屋蓋,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.1多高層鋼結(jié)構(gòu)的特點與結(jié)構(gòu)體系1,4.1.1 多高層鋼結(jié)構(gòu)的特點,高層建筑發(fā)展的基本原因 a)經(jīng)濟的發(fā)展； b)城市人口增多； c)建設(shè)用地減少； d)地價上漲； e)建筑科技進步； f)輕質(zhì)高強材料的應(yīng)用。,高層建筑的發(fā)展簡況,城

2、市人口集中，用地緊張，以及商業(yè)競爭的激烈化，促使近代高層建筑的出現(xiàn)和發(fā)展。,中國最早的高層建筑是一些寺、塔。,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.1多高層鋼結(jié)構(gòu)的特點與結(jié)構(gòu)體系1,國外高層建筑發(fā)展的3個階段,第一階段，在19世紀(jì)中期之前，歐洲和美國一般只能建造6層左右的建筑。,第二階段，從19世紀(jì)中葉開始到20世紀(jì)50年代，世界上第一幢近代高層建筑是美國芝加哥的家庭保險公司大樓，11層，高55m，建于1884年。到19世紀(jì)末，高層建筑已突破100m大關(guān)。1931年在美國紐約曼哈頓建造的102層、高381m的著名的帝國大廈，它保持世界最高建筑記錄達42年之久。,第三階段，從2

3、0世紀(jì)50年代到現(xiàn)在，高層建筑已出現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)體系，如RC結(jié)構(gòu)，S結(jié)構(gòu)。,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,高層結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展過程,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.1多高層鋼結(jié)構(gòu)的特點與結(jié)構(gòu)體系1,我國多高層鋼結(jié)構(gòu)自20世紀(jì)80年代中期起步，隨后在北京、上海、深圳、大連等地陸續(xù)建成大量多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)。,多高層鋼結(jié)構(gòu)的特點,自重輕,抗震性能好,有效使用面積高,建造速度快,防火、防腐性能差,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.1多高層鋼結(jié)構(gòu)的特點與結(jié)構(gòu)體系2,4.1.2. 多高層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系1,-框架體系,2020/9/11,昆明理

4、工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.1多高層鋼結(jié)構(gòu)的特點與結(jié)構(gòu)體系2,-框架-剪力墻體系,4.1.2. 多高層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系2,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.1多高層鋼結(jié)構(gòu)的特點與結(jié)構(gòu)體系2,-框架-支撐結(jié)構(gòu)體系,4.1.2. 多高層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系3,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.1多高層鋼結(jié)構(gòu)的特點與結(jié)構(gòu)體系2,-框架-筒體結(jié)構(gòu)體系,4.1.2. 多高層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系4,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.1多高層鋼結(jié)構(gòu)的特點與結(jié)構(gòu)體系2,-筒體結(jié)構(gòu)體系,西爾斯(Sears)大樓筒體變化圖,筒中筒結(jié)構(gòu),4.1.2. 多高

5、層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系5,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.1多高層鋼結(jié)構(gòu)的特點與結(jié)構(gòu)體系2,-巨型框架體系,4.1.2. 多高層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系6,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,第四章 多高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點1,4.2.1 荷載1,水平方向的風(fēng)荷載和地震作用，對高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計起著主要的控制作用,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點2,1. 豎向荷載,永久荷載（結(jié)構(gòu)自重）,可變荷載（樓面及屋面活荷載）

6、,注：相關(guān)荷載按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2001)的有關(guān)條文取值。,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點3,2. 風(fēng)荷載,-風(fēng)壓高度變化系數(shù),-風(fēng)荷載體型系數(shù),-順風(fēng)向z高度處的風(fēng)振系數(shù),注：相關(guān)系數(shù)按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2001)和高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ99-98）的有關(guān)條文取值。,式中， -任意高度處的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）,-高層建筑基本風(fēng)壓（kN/m2）,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 由下式計算,基本風(fēng)壓：當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上離地10m高統(tǒng)計所得的50年一遇10min平均最大風(fēng)速v0為標(biāo)準(zhǔn)，按v02/1600確定的

7、風(fēng)壓值.,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點4,3. 地震作用,抗震設(shè)防烈度 按國家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)作為一個地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度; 必須按國家規(guī)定的權(quán)限審批、頒發(fā)的文件（圖件）確定; 設(shè)防范圍6-9度,抗震設(shè)防目標(biāo) 小震不壞、中震可修、大震不倒,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,兩階段設(shè)計,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點5,注：1）第一階段為彈性分析，包括截面設(shè)計和變形計算；2）大部分建筑的第二階段設(shè)計主要由概念設(shè)計和構(gòu)造措施來保證。,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,三水準(zhǔn)地震作用的標(biāo)定,4.2 多高層鋼

8、結(jié)構(gòu)的計算特點6,基本假定 地震強度呈極值分布 烈度符合極值III型,Im=I0-1.55 Is=I0+1,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,建筑類別與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點7,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,地震作用計算,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點8,1)一般說明和計算原則,影響設(shè)計地震作用的因素,地震動特性方面 抗震設(shè)防烈度 設(shè)計近遠(yuǎn)震 場地類別 結(jié)構(gòu)特性方面 結(jié)構(gòu)自振周期 建筑質(zhì)量（重力荷載） 結(jié)構(gòu)阻尼比（材料）,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點9,設(shè)計地震作用的方向,設(shè)計地震作

9、用的方向 水平（兩個） 豎向（一個） 結(jié)構(gòu)效應(yīng)的方向 平動（兩個水平、一個豎向） 扭轉(zhuǎn)（豎軸）,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點10,地震作用的計算范圍和原則,計算范圍 水平地震作用 豎向地震作用,水平地震作用的計算原則,一般正交布置抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，可沿縱橫主軸方向分別計算； 斜交布置抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，宜按平行于抗側(cè)力構(gòu)件方向計算； 質(zhì)量和剛度明顯不均勻、不對稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮水平地震作用的扭轉(zhuǎn)影響。,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點11,地震作用的計算方法及其適用范圍,2020/9/11,昆明

10、理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點12,計算模型集中質(zhì)量模型,多高層房屋 無扭轉(zhuǎn) 有扭轉(zhuǎn) 單層廠房 橫向 縱向,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點13,2）設(shè)計反應(yīng)譜,地震影響系數(shù)曲線,圖中，,曲線下降段的衰減指數(shù),阻尼比,1下降斜率調(diào)整系數(shù),2阻尼調(diào)整系數(shù),動力系數(shù),地震系數(shù),地震影響系數(shù),最大地震作用,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點14,特征周期 Tg（s）,水平地震影響系數(shù)最大值,max和Tg分別按下列表格取值,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4

11、.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點15,3）水平地震作用計算,底部剪力法,計算方法 底部剪力的計算 地震作用沿高度的分配 頂部附加地震作用 突出屋面小建筑物,Geq結(jié)構(gòu)等效重力荷載代表值 SDOF：Geq=G1 MDOF： Geq=Sum ( Gi )*0.85 或 Geq=Sum ( Gi )*0.80,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點16,振型分解反應(yīng)譜法,計算振型,計算地震影響系數(shù)和振型參與系數(shù),計算振型地震作用,計算振型地震效應(yīng),振型組合,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點17,時程分析法,豎向

12、特別不規(guī)則的建筑 高度較大的建筑 采用時程分析法進行補充計算 采用能反應(yīng)當(dāng)?shù)貓龅靥卣鞯牡卣鸩ú荒苌儆?條，其中宜包括一條本地區(qū)歷史上發(fā)生地震時的實測記錄波 地震波的持續(xù)時間不宜過短，宜取1020s或更長,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點18,4.2.2 結(jié)構(gòu)計算,1. 結(jié)構(gòu)計算的一般原則,結(jié)構(gòu)計算可采用彈性方法計算?？拐鹪O(shè)防結(jié)構(gòu)尚應(yīng)考慮罕遇地震下的彈塑性計算；,現(xiàn)澆組合樓蓋可假設(shè)在其自身平面內(nèi)絕對剛性；,彈性分析時，宜考慮現(xiàn)澆樓蓋與鋼梁的共同工作，此時應(yīng)保證樓板與鋼梁間有可靠連接；彈塑性分析時，不宜考慮樓板與鋼梁的共同工作；,計算模型應(yīng)視具體結(jié)

13、構(gòu)形式和計算內(nèi)容確定，一般情況下可采用平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同計算模型；當(dāng)結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、質(zhì)量及剛度沿高度分布均勻、不計扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時，可采用平面結(jié)構(gòu)計算模型；當(dāng)結(jié)構(gòu)平面或立面不規(guī)則、體型復(fù)雜、無法劃分成平面抗側(cè)力單元的結(jié)構(gòu)，或為筒體結(jié)構(gòu)時，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型；,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點19,高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件的跨高比較小，計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移時，除考慮梁、柱的彎曲變形和柱的軸向變形外，尚應(yīng)計算梁、柱的剪切變形；,鋼框架剪力墻體系中，現(xiàn)澆剪力墻的計算按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)記入墻的彎曲、剪切和軸向變形；,柱間支撐兩端應(yīng)為剛性連接，但

14、可按兩端鉸接連接計算，其端部連接的剛度通過支撐構(gòu)件的計算長度加以考慮；若采用偏心支撐，由于耗能梁段在大震時將首先屈服，計算時應(yīng)取為單獨單元；,鋼框架支撐結(jié)構(gòu)的斜桿可按端部鉸接桿計算；框架部分按計算得到的地震剪力應(yīng)乘以調(diào)整系數(shù)，達到不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25和框架部分地震剪力最大值1.8倍兩者中的較小者。,中心支撐框架的斜桿軸線偏離梁柱軸線交點不超過支撐桿件的寬度時，仍可按中心支撐框架分析，但應(yīng)計及由此產(chǎn)生的附加彎距；人字形和V形支撐組合的內(nèi)力設(shè)計值應(yīng)乘以增大系數(shù)，可取1.5。,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點20,2. 內(nèi)力與位移計算,規(guī)范

15、規(guī)定在進行內(nèi)力及位移分析時可以采用較為精確的程序計算方法，也可以采用近似的簡化計算方法。,程序計算的基本方法矩陣位移法,簡化近似計算方法分層法、D值法,采用近似計算方法計算高層鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移時，尚應(yīng)注意以下問題 應(yīng)考慮梁柱節(jié)點域的剪切變形對側(cè)移的影響； 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的P-效應(yīng)較強，一般應(yīng)驗算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點21,高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的P-效應(yīng)較強，一般應(yīng)驗算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。但同時符合下列條件時，可不驗算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。 （1）結(jié)構(gòu)各樓層柱的長細(xì)比和平均軸壓比滿足,式中：,m樓層柱的長細(xì)比；,Nm樓層柱的平均

16、軸壓力設(shè)計值；,Npm樓層柱的平均全塑性軸壓力；,式中：,fy鋼材的屈服強度；,Am柱截面面積的平均值；,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點22,（2）結(jié)構(gòu)按一階線彈性計算所得的各樓層層間相對位移值滿足,式中：,u按一階線彈性計算所得的層間位移；,Fh計算樓層以上全部水平作用之和；,對不符合以上兩條件的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)，需驗算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。,Fv計算樓層以上全部豎向作用之和；,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點23,3. 承載力驗算,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力應(yīng)滿足下列公式要求：,非抗震設(shè)計,第一階段抗震

17、設(shè)計時,式中：,0結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；,S地震作用效應(yīng)組合設(shè)計值；,R結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計值；,RE結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的抗震調(diào)整系數(shù)；,構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù),2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計算特點24,4. 位移限制,不考慮地震作用時，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下,第一階段抗震設(shè)計,頂點側(cè)移,層間側(cè)移,層間側(cè)移,第二階段抗震設(shè)計,層間側(cè)移,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,第四章 多高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計,4.3 多層多跨框架設(shè)計,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.3 多層多跨框架設(shè)計1,4.3.1 構(gòu)件設(shè)計,-框架梁設(shè)計,梁的抗彎強度

18、,梁的抗剪強度,梁的整體穩(wěn)定,梁的局部穩(wěn)定,-框架柱設(shè)計,框架節(jié)點處實現(xiàn)強柱弱梁設(shè)計概念的計算要求,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.3 多層多跨框架設(shè)計2,軸壓比驗算,強度,柱平面內(nèi)、外穩(wěn)定驗算,柱的局部穩(wěn)定,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.3 多層多跨框架設(shè)計3,中心支撐構(gòu)件可用單斜桿、十字交叉斜桿、人字形或V形斜桿體系,-中心支撐構(gòu)件,設(shè)計時應(yīng)注意 1）在計算中心支撐斜桿內(nèi)力時，地震力應(yīng)乘以增大系數(shù)，單斜桿支撐和交叉支撐乘以1.3，人字形支撐和V形支撐乘1.5。 2）在多遇地震作用組合下，支撐斜桿的抗壓驗算按下式進行：,支撐斜桿宜采用雙軸對稱

19、截面，當(dāng)采用單軸對稱截面時，宜防止出現(xiàn)繞截面對稱屈曲。,3）剛度：滿足相關(guān)長細(xì)比的要求,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.3 多層多跨框架設(shè)計4,4.3.2 連接節(jié)點設(shè)計,-節(jié)點設(shè)計的一般要求,梁柱連接,柱柱連接,梁梁連接,滿足傳力可靠、構(gòu)造簡單、具有抗震延性及施工方便的要求。,非抗震設(shè)計，彈性受力階段設(shè)計,第一階段抗震設(shè)計，彈性受力階段設(shè)計,第二階段抗震設(shè)計，彈塑性受力階段設(shè)計，按照結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計遵循的原則，節(jié)點的極限承載力要高于構(gòu)件本身的承載力。,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.3 多層多跨框架設(shè)計5,4.3.2 連接節(jié)點設(shè)計,節(jié)點域穩(wěn)定,-節(jié)點

20、計算,節(jié)點域抗剪強度,-節(jié)點設(shè)計的一般要求,梁柱連接,柱柱連接,梁梁連接,連接彈塑性設(shè)計,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,第四章 多高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計,4.4 組合樓蓋設(shè)計,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.4 組合樓蓋設(shè)計1,-確定樓蓋結(jié)構(gòu)方案時，應(yīng)考慮以下要求：,-保證樓蓋有足夠的平面整體剛度,-減輕結(jié)構(gòu)的自重及減小結(jié)構(gòu)層的高度,-有利于現(xiàn)場安裝方便及快速施工,-鋼結(jié)構(gòu)常用樓蓋做法,-壓型鋼板組合樓板,-預(yù)制樓板,-疊合樓板,-普通現(xiàn)澆樓板,-具有較好的防火、隔音性能，并便于管線的鋪設(shè),2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.4 組合樓蓋設(shè)計2,4.4.1 壓型鋼板的形式,-閉口形槽口的壓型鋼板,-開口形槽口的壓型鋼板，在其腹板翼緣上軋制凹凸形槽紋作為剪力連接件,-開口形槽口的壓型鋼板，同時在它的翼緣上另焊橫向鋼筋，以增強抗剪切粘結(jié)能力,4.4.2 組合板的極限狀態(tài),-沿正截面彎曲破壞,-沿混凝土與壓型鋼板界面縱向水平剪切破壞,-沿斜截面剪切破壞,-沖剪破壞,2020/9/11,昆明理工大學(xué) 建工學(xué)院 土木系,4.4 組合樓蓋設(shè)計3,4.4.3 組合板的設(shè)計,-施工階段,-使用階段,施工階段的荷載,內(nèi)力計算,截面承載力及撓度計算,施工階段的荷