第四章多高层钢结构.ppt

4 多高层框架钢结构设计,一、多高层钢结构的特点 二、多高层框架钢结构体系 三、多层钢结构房屋 四、高层建筑钢结构抗侧力体系 五、设计方法 六、节点设计 七、组合板设计 八、钢与混凝土组合梁,学什么？难点和重点？,重点和难点 1 多层钢框架结构体系的组成和设计方法 2、组合梁、楼板、节点设计,(1)自重轻：钢材材质均匀，强度高，因而结构构件截面小、自重轻，比钢筋混凝土结构可减轻自重1/3 以上，从而减小地基基础的荷载和运输、吊装的费用。 (2)抗震性能好： 钢结构具有良好的延性和韧性，一般情况下，地震作用可减少40左右。 (3)增加建筑有效使用面积 ： 钢结构构件截面小，可减结构占用空间面积，达到降低层高，增加使用面积的效果，比混凝土结构可增加建筑使用面积34。 (4)建造速度快：钢结构构件，一般为t)-制作，现场安装，实施立体交叉作业，加快施工进度，比一般建设工期可缩短约1/41/3。 (5)防火性能差:钢构件表面应做专门的防火涂料防护层。,一、多高层建筑钢结构的特点,1、结构的特点,(1)荷载的特点：多、高层建筑随着高度的增加，结构上的控制荷载由竖向荷载变为水平荷载；地震区的地震作用比风荷载大得多。 (2)内力特点：多、高层建筑，随着高度的增加，结构上的控制内力，由轴力起控制作用到弯矩起控制作用；结构的侧移随高度增加而迅速增加,故结构侧移成为重要的控制因素。 (3)结构特点： 随着高度增加，结构的抗侧力体系应改进和加强。,2设计特点,二、结构体系,常见类型：框架结构、框剪结构、筒体结构,框架结构,最早用于高层建筑 柱距宜控制在69m范围内 次梁间距一般以34m为宜,纯框结构体系的特点 1 钢框架结构采用钢骨架和轻质围护结构 自重轻,对地质条件要求低。 2 结构构件标准,工厂化生产,现场安装,湿作业少 施工占用场地少，速度快。 3 用于住宅建筑可发挥钢结构延性好,塑性变形能力强 抗震性好等优点,提高了住宅安全 4 与传统钢混结构相比,能更好地满足大开间,灵活分隔的要求 提高了建筑的使用面积率。 5 结构各部分刚度分布比较均匀，构造简单 6 框架结构的侧向刚度小，侧向位移大 易引起非结构构件的破坏 7 自振周期较长，对地震作用不敏感,支撑框架体系 结构体系的选择，不仅要从满足使用功能节约等考虑，更要取决于建筑的高度。建筑层数越多，高度越高，风力或地震力引起的侧向力就越大，建筑物必须有相应的刚度来抵抗侧向力。因此，随着建筑层数的不断增加，结构体系也就需要不断的发展。 支撑框架体系又可分为框支结构和框剪框筒结构 一 框支结构体系： 1）框支结构组成 在框架体系中，沿结构的纵横两个方向布置一定数量的支撑。在这种体系中，框架的布置原则和柱网尺寸，基本上与框架体系相同，支撑大多沿楼面中心部位服务面积的周围布置，沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接，形成一个支撑芯筒。,框支斜撑体系特点： a: 受力方面 采用由轴向受力杆件形成的支撑来取代由抗弯杆件形成的框架结构，能获得比纯框架结构大得多的抗侧力刚度 b: 变形方面 框架产生剪切变形，底部层间位移大；支撑产生弯曲变形，底部层间位移小，二者并联可减小底部层间位移 c:构造方面支撑形心线通过梁柱轴线交点；少数柱之间设斜撑（梁柱连接可做成铰接）少数柱参与抗侧力体系； 注：梁柱刚性连接构造复杂，应该尽量少用；抗侧力体系也可混合剪力墙使用 d:支撑计算要求：支撑平面外计算长度系数为0.7(支撑腹板垂直框架平面)或0.9（支撑腹板平行框架平面） 有抗震要求的：要控制长细比和宽厚比，对斜杆内力乘增大系数，保证填板长细比不大于40 e：支撑布置要求：p89,2框剪结构组成,框架结构上设置适当的支撑或剪力墙,亦可二者皆设置,侧向位移模式,在侧向荷载的作用下， 纯框架结构： 剪切变形模式 抗剪结构： 弯曲变形模式 二者组合（框剪结构）： 显著减少了纯框架结构的侧向位移,这种结构以剪力墙作为抗侧力结构，既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度，可用于40至60层的高层钢结构；剪力墙数量应使框剪结构顶点位移满足规范限值。与剪力墙相连的梁端受力大，易产生塑性铰，可将梁刚度乘折减系数。 用于地震区时，具有双重设防的优点,框剪结构的特点,钢筋混凝土结构:需采取构造措施,钢板结构,(89mm厚钢板) 研究表明，在侧向刚度相同时，钢板剪力墙的框剪结构比框架结构用钢量少。,剪力墙：,框筒结构是筒体结构的一种结构布置（筒中筒） 适用的建筑高度可超过90层（因横向刚度较大）,结构特点： 当钢筋混凝土墙沿服务性面积（如楼梯间、电梯间 和卫生间）周围设置,就形成框架筒体结构体系 这种结构体系在各个方向都具有较大的抗侧力刚度。 结构受力,1）内部设置剪力墙式的内筒，与钢框架竖向构件 主要承受竖向荷载；,2）外筒体采用密排框架柱和各层楼盖处的深梁刚 接，形成一个悬臂筒，以承受侧向荷载；,3）同时设置刚性楼面结构作为框筒的横隔。,在框剪结构中，形成筒体的构面内存在的剪切变形，即为剪力滞后。 为了避免严重的剪力滞后造成角柱的轴力过大，通常可采取两个措施： 1）控制框筒平面的长宽比不宜过大 2）加大框筒梁和柱的线刚度之比,剪力滞后（shear lag）,束筒结构,由各筒体之间共用筒壁的一束筒状结 构组成(减缓框筒结构的剪力滞后效应),可较灵活地组成平面形式,钢筋混凝土筒体(常作为内筒出现),可将各筒体在不同的高度中止,密柱深梁的钢结构筒体,筒体,钢结构和有混凝土剪力墙的 钢结构高层建筑的适用高度（m）,芯筒体系,亦称悬挂结构； 打破了密柱深梁对建筑设计的桎梏； 实现优势互补（充分发挥钢结构抗拉强度高和钢筋混凝土结构抗压性能好的优势）； 通常设置一些称为帽桁架和腰桁架的水平桁架。,支撑框筒结构或桁架筒体结构,支撑系统覆盖了整个建筑物表面； 是较框筒结构更为优越的抗侧力体系。,抗侧力结构位置,框筒结构布置时的注意事项,框筒结构高宽比不宜小于4；（更好地发挥框筒的立体作用） 内筒的边长不宜小于相应外框筒边长的1/3； 框筒柱距一般为1.53.0m，且不宜大于层高； 框筒的开洞面积不宜大于其总面积的50； 内外筒之间的进深一般控制在1016m之间； 内筒亦为框筒时，其柱距宜与外框筒柱距相同，且在每层楼盖处都设置钢梁将相应内外柱相连接；,框筒结构布置时的注意事项（续）,控制角柱截面积为非角柱的1.52.0倍； 外框筒为矩形平面时，宜将其作成切角矩形；（以削减角柱应力） 为提高内外筒的整体性能以及缓解剪力滞后，可设置帽桁架和腰桁架； 腰桁架一般布置于设备层； 帽桁架和腰桁架一般是由相互正交的两组桁架构成，等距满布于建筑物的横(纵)向。,基础埋深的考虑,敷设地下室；（补偿基础、增大结构抗侧倾能力） 有抗震设防时，高层结构部分的基础埋深宜一致、不宜采用局部地下室； 基础埋深： （从室外地坪或通长采光井底面到承台底部或基础底部的深度） 1）采用天然地基时，不宜小于h15 2）采用桩基时，不宜小于h20 h ：室外地坪至屋顶檐口的高度 当有可靠根据时，基础埋深可适当减小。,室外地面标高至基础底面的距离,高层建筑钢结构,抗重力体系,结构体系,抗侧力体系,竖向重力,水平力,抵抗,抵抗,高度大,抗侧力体系,结构体系的主要部分,四、高层建筑钢结构 抗侧力体系,抗侧力体系,分类,基本组成单元,各类抗侧力体系,水平变形特点,实例,做法,应用范围,一、抗侧力体系基本单元,基本组成单元,支撑桁架,钢框架,筒,高层建筑钢结构 （包括钢砼组合结构）,钢框架,支撑桁架,筒,支撑桁架 + 框架,密柱深梁,钢砼剪力墙,（密柱深梁）,筒,( 支撑桁架 + 框架 ),筒,( 钢砼剪力墙 ),筒,钢框架 或 钢筒,基本单元的组合,基本单元的组合,基本单元的组合,基本单元的组合,基本单元的组合,基本单元的组合,抗侧力体系,抗侧力体系,二、钢框架体系,1、做法,把梁柱刚接成整体，形成空间杆系结构 是最早出现、也是最基本的抗侧力体系,2、特点,a、平面布置比较灵活，可以获得大空间,b、安装简单方便，造价相对较低,c、应用于30层以内的高层建筑,d、在水平力作用下，抗侧力刚度小，顶层位移大,顶层水平位移,层间水平位移,由柱弯曲剪切变形引起,层间水平位移,由梁引起,框架弯曲变形引起,柱弯曲、剪切变形引起层间位移i c,梁弯曲、剪切变形引起层间位移i g,相对较小,梁、柱,抗弯、抗剪刚度较小,抗轴向刚度较大,相对较大,相对较大,框架抗侧力刚度小，顶层位移大,3、实例,长富宫中心,北京 地上25层，地下2层, 94m 1987年建成,2层以下和地下室为型钢砼结构, 以上全部为钢框架结构,结构钢材,(日本钢材),柱及主梁: sm50a,次梁及压型钢板: ss41,高强度螺栓: f10t,构件截面,焊接箱型截面,厚度 42 19,450 450,焊接h型截面,宽度200 250,梁高650,翼缘板厚度 32 19,腹板厚度 12,轧制h型钢,1.2mm压型钢板上浇混凝土楼板,压型钢板支承于跨度小于3m的钢梁上,层高,6.8 m,4.5 m,5.0 m,3.3 m,4.3 m,4.1 m,3.3 m,三、钢框架 支撑体系,1、做法,把钢框架和支撑桁架共同组合，作为抗侧力体系,2、特点,a、平面布置比较灵活，不能获得大空间,b、安装较为简单方便,c、应用于30 60层的高层建筑,d、抗侧力刚度比钢框架大,剪切形,3、分类（两种分类方法）,按支撑杆的设置方法,支撑杆一端位于梁柱节点，另一端与另一支撑杆相交于框架梁或节点上,支撑杆端点与梁柱节点之间 （或）两支撑杆端点之间,耗能梁段,轴交支撑,轴交支撑特点,用于抗风或不太强的地震力,当有强震作用时，会有如下严重后果,a、地震反复作用下,两支撑杆会先后压屈,支撑抗侧力刚度降低,c、往复的地震作用,支撑斜杆会从受压的压屈状态,受拉的拉伸状态,支撑斜杆、节点、相邻构件中将产生很大附加应力,结构受冲击作用,d、地震反复作用下,两支撑杆会先后压屈后不能恢复（拉直）,b、支撑的两侧柱子产生压缩变形和拉伸变形时，由于支撑的端点实际构造做法并非铰接，而导致支撑产生较大的附加内力及应力,偏交支撑,偏交支撑特点,用于地震烈度大的地区,a、存在一小段耗能梁段,b、地震作用时，耗能梁段先屈服，消耗地震能量，保护支撑杆,a、 耗能梁段的受弯承载力大于受剪承载力,b、 耗能梁段的设计剪力不超过剪力承载力的80%,c、 提高支撑杆的受压承载力，使其至少应为耗 能梁段屈服时相应支撑轴力的1.6倍,d、 塑性铰应出现在梁而不是柱上,按支撑桁架的设置位置,框架竖向支撑体系,加劲的框架竖向支撑体系,框架竖向支撑体系,框架竖向支撑体系,每层设置支撑,跨层设置支撑,每层设置,跨层设置,杆件、节点数量多，费用高，传力路线长,与上面相反，但杆件长,加拿大国家银行大厦,蒙特利尔 地上31层，地下7层, 127.08m 1983年建成,7层以下为钢砼结构, 以上全 部为钢框架竖向支撑体系,构件截面,焊接h型截面,厚度 50,760 760（最大）,w610,梁高610,w410,压型钢板肋高76mm,混凝土楼板140mm,梁高410,间距 3m,加劲的框架竖向支撑体系,在设置竖向支撑的基础上，在顶层和每隔15层左右，沿房屋两个方向全长设置横向的伸臂桁架,伸臂桁架,伸臂桁架,15层,设置伸臂桁架和腰桁架（帽桁架）,楼层,水平加强层,设备层或避难层,腰桁架（帽桁架）,外框架所有柱子均参与整体抗弯作用,加劲的框架竖向支撑体系,伸臂桁架的作用,相当于作用反弯矩,4、支撑的等效件 嵌入式墙板,支撑杆件易屈曲,支撑杆件截面尺寸大,为提高结构抗侧力刚度,原因,嵌入式墙板,嵌入式墙板,钢板剪力墙板,内藏钢板剪力墙墙板,带竖缝砼剪力墙墙板,钢板剪力墙板,采用厚钢板，四周通过高强度螺栓与梁柱相连,设防烈度大于等于7时，钢板两侧焊纵向或横向加劲肋,特点,内藏钢板剪力墙墙板,钢板支撑的基础上，外包钢砼,预制板仅在支撑的上下端节点处与钢框架相连,带竖缝砼剪力墙墙板,预制板，中间带竖缝,竖缝宽度10 mm ，竖向长度为墙板净高的一半，缝间距为缝长一半,多遇地震，墙板处于弹性阶段，侧向刚度大,预制板仅与框架柱用高强度螺栓连接,罕遇地震，墙板处于弹塑性阶段而产生裂缝，起到抗震耗能的作用,5、工程实例,北京京广中心大厦,地上52层，地下3层, 196m高，1990年建成,地下为钢骨砼框架和砼剪力墙， 以上为钢框架支撑体系,结构钢材,(日本钢材),钢板厚小于等于40mm sm50a,轧制h型钢 ss41,钢板厚大于40mm sm50b,构件截面,箱型截面,厚度 80,850 850（最大）,焊接h截面,800 200 12 36 （外围框架梁端）,800 300 12 25 （中心框架梁端）,热轧及焊接h截面,350 350 36 36 （最大）,支撑主要采用带竖缝的预制墙板，在层高较大的部 分则采用钢支撑（1-6层，23层，38层）,竖向支撑布置,r1轴支撑布置,新锦江大酒店,地上43层，地下1层, 152m高，上海,加劲的钢框架 竖向支撑体系,结构钢材,(美国钢材),a572/50级钢,抗拉强度 390n/mm2,屈服强度 350n/mm2,构件截面,箱型截面,700 700 80-20 (6层以下),焊接h截面,700 300,500 500 80-20 (6层以上),外围柱,500 500,中心柱,东京新宿行政大厦,地上54层，地下5层, 223m高，1979年,加劲的钢框架 竖向支撑体系,构件截面,箱型截面,550 550 65-13,焊接h截面,h = 700,概况,设置嵌入式钢砼预制墙板为支撑体系,东 京 新 宿 行 政 大 厦 平 面 结 构 布 置图,东 京 新 宿 行 政 大 厦 立 面 结 构 布 置图,106,(1)多层和高层建筑钢结构的分析:分弹性设计和塑性设计 弹性设计:结构工作状态仅局限在理想弹性范围内进行内力和变形分析,用于一般有抗震设防要求的结构. 塑性设计:考虑结构在弹一塑性工作状态时的结构分析。用于罕遇地震作用下的结构分析。 (2)分析方法:一阶理论和二阶理论两种。 一阶理论:结构受力后，考虑内力和外力平衡，忽略结构变形对几何关系的影响； 二阶理论:将结构变形对其几何关系的影响考虑在力的平衡方程中。一般应按二阶理论进行结构分析。 (3)楼盖:通常采用钢与混凝土组合楼盖，假定楼盖在自身平面内为绝对刚性。设计中应采取加设板梁抗剪件，或非刚性楼面加现浇混凝土叠合层等措施加以保证。,5.1 结构设计的原则规定,五、结构设计方法,(4)多、高层建筑钢结构计算模型的选择，一般可采用平面抗侧力结构空间协调计算模型；对筒体结构或无法划分为平面抗侧力单元的不规则或复杂的结构，应采用空间结构计算模型。 (5)多、高层建筑钢结构的结构分析的手段，一般应借助电子计算机完成，但在初步设计阶段，可参考有关资料和计算手册用手算方法进行。这些手算近似计算方法，常用的有分层法、d值法、空间协调工作分析、等效角柱法和等效截面法等。 (6)多、高层建筑钢结构的内力和位移分析时，应考虑梁、柱的弯曲变形、柱的轴向变形和梁柱的剪切变形，梁的轴向变形随具体情况而定。,5.2 多、高层建筑钢结构的布置 多、高层建筑在确定结构形式和结构体系后，即可进行结构布置。结构布置应配合建筑设计进行，满足建筑功能要求，并且应尽力做到受力合理、施工方便、造价经济。 1高层建筑总体布置的要求,(1)满足建筑使用要求 建筑的开问、进深、层高、层数及使用功能应得到保证，做到适用性。 (2)满足抗震设计原则应做到“小震不裂、中震可修、大震不倒”的可靠性原则。 (3)努力做到有利于建筑工程设计和施工的要求力求减少开间、进深，尽量统一柱网和层高尺寸，重复使用标准层，减少扭转 2高层建筑结构布置的原则 高层建筑结构布置应遵循以下原则： (1)结构平面形状和立面体型应尽可能简单、规则，使各部分刚度均匀对称，减少结构产生扭转的可能性。塔式楼平面的有利形式为o、丫、#、a；板式楼的平面形式为口字形，长宽比和突出部位宜满足下图及下表限值，使建筑的刚度中心和质量中心接近。,高层建筑结构的总体布置要求：,需抗震设防时平面尺寸关系,1、准备设计资料 (1)工程性质及建筑物安全等级。 (2)荷载和作用。 恒荷载标准值及其分布。 活荷载标准值及其分布。 基本风压及地面粗糙度类型。 地震设防烈度。 环境温度变化状况。 基本雪荷载。,5.3多、高层钢框架结构的设计内容和步骤,(3)地质条件。 2确定结构平面布置 3确定支撑体系的布置 4确定框架梁、柱截面形式并初估截面尺寸 (1)框架梁的截面尺寸估算梁的截面高度应考虑建筑高度、刚度条件和经济条件。确定梁的翼缘、腹板尺寸应考虑局部稳定、经济条件和连接构造等因素。 (2)框架柱的截面尺寸柱的截面尺寸可由一根柱所承受的轴力乘以1.2倍，按轴心受压估算所需柱截面尺寸。 5框架梁、柱线刚度计算及梁、柱计算长度的确定,6荷载计算 (1)恒荷载。 (2)活荷载。 (3)风荷载。 (4)地震作用。 (5)温度作用。 (6)施工荷载。 注意：对楼层数较多、竖向荷载较大的结构，应考虑竖向构件在竖向静载作用下发生弹性压缩变形对结构所产生的不利作用。 结构在风荷载作用下，顶点质心位置的侧移不宜超过建筑高度的1/500，各楼层质心位置的层间侧移不宜超过楼层高度的1/400。,8荷载作用下的框架内力分析(可采用任一适用的结构力学方法) (1)恒载设计值=1.2 x恒载标准值 (2)活荷载设计值=1.4活荷载标准值 为便于内力组合，可将活荷载分跨布置进行计算。因非上人屋面活荷载一般较小，可不考虑活荷载的最不利布置，将活荷载在屋面满跨布置。 (3)风荷载作用下的框架内力(建议采用d值法) 风荷载设计值=1.4风荷载标准值 对非对称框架，应分别计算左风和右风作用下的结构内力。,(4)地震作用下的框架内力(建议采用d值法，荷载底部剪力法) 9荷载组合和内力组合 (1)考虑四种基本荷载组合： 恒荷载+活荷载 恒荷载+风荷载 恒荷载+0.85(活荷载+风荷载) 恒荷载+0.51.2/1.4活荷载1.3地震荷载必要时尚应考虑温度作用参与组合。,(2)横梁内力组合(考虑活荷载的最不利布置)。 (3)柱内力组合 由于活荷载作用下的内力用分层法计算，因此，在计算组合柱弯矩时，只考虑在柱相邻层布置活荷载；在计算组合柱轴力时，则考虑在该柱以上各层布置活荷载。 10、构件及连接设计 (1)框架梁、柱设计。 (2)节点设计。 铰接柱脚。 刚接柱脚。,地震作用：gb50011-2008,5.4 多层框架钢结构荷载与作用,多遇地震阻尼0.035，罕遇地震0.05,1、荷载与作用：,竖向荷载,活载、雪载、积灰荷载,水平荷载,恒载,风载:,设计应满足,非抗震：,抗震：,变形：,变 形：,2、荷载效应组合,组合1：恒载控制：1.35恒载效应+1.40.7活载效应 组合2：活载控制：1.2恒载效应+1.4活载效应 组合3：左风组合：1.2恒载效应+1.4活载效应+1.40.6左风载效应 组合4：右风组合：1.2恒载效应+1.4活载效应+1.40.6右风载效应 组合5：左震组合：1.2重力荷载效应+1.3左震作用效应 组合6：右震组合：1.2重力荷载效应+1.3右震作用效应 组合7：左震组合：1.0重力荷载效应+1.3左震作用效应 组合8：右震组合：1.0重力荷载效应+1.3右震作用效应,承载力一般组合：设计值,正常使用组合：使用标准值,一：截面形式： 1 钢结构框架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时又要考虑强柱弱梁的要求；而目前使用的焊接h型钢或i字热轧钢截面，强弱轴 惯性矩之比310，势必造成材料浪费。但对平面受力结构，选用h型钢或i字钢在受力上还是合理的 2 对于轴压比较大，双向弯矩接近，梁截面较高的框架柱，可采用 双轴等强的截面，如箱形截面，双肢格构截面，钢管柱或方钢管 混凝土柱。 3 方钢管混凝土柱目前缺乏相应的规范、规程，应用还较少。 尤其钢管砼梁、柱的连接较为复杂，不利于工厂制作和现场施工,5.5 多层框架钢构件设计,5.5.2 钢结构柱：,5.5.1 钢结构柱：中翼缘或窄翼缘工字钢,二 初选截面： 1：经验法： 可按吊车吨位，工作制，柱截面情况查表，并凭经验定 2：估算法： 将竖向荷载放大20作为轴力，按轴压构件估算柱截面 三 构造规定： 1：柱端部应设横隔，间距不大于9倍柱最大截面宽度和8m 2：柱高厚比大于20时，应设横向加劲肋，间距不大于3h0,多高层建筑钢结构 节点设计,内容,节点的设计原则 (总),节点设计时的构造要求,各类节点的做法及特点,节点分类,一、节点的设计原则,1、不考虑抗震要求时,结构的主要荷载,包括两种情况,抗震,非抗震,结构一般处于弹性状态,2、当考虑抗震要求时,结构的主要荷载,地震荷载,结构可能进入塑性状态,满足构件内力要求,特殊设计要求,构件塑性时的局部稳定,节点极限承载力,梁塑性时的侧向稳定,a、节点极限承载力,mu 1.2 mp,vu 1.3 (2mp/l),mu、vu 节点的极限受弯、受剪承载力,mp 梁的全塑性弯矩承载力,l 梁的净跨度,ru 1.2 an fy,ru 支撑连接的极限承载力,an 支撑杆净截面面积,fy 支撑杆材料的屈服强度,b、构件进入塑性状态时， 板件的局部稳定应有保证,框架梁板件宽厚比限值,注：1、表中，n为梁的轴向力，a为梁的截面面积，f为梁的钢材强度设计值； 2、表列值适用于 = q235钢，当钢材为其它牌号时应乘以,c、受弯构件塑性区应设置侧向支撑点,避免梁发生侧向的弯扭失稳,l0 两相邻支撑点之间的间距,l0 / b0 ? (根据钢结构规范）,b0 受压翼缘的宽度,二、节点设计的构造要求（总）,1、设计时，应使节点构造简单，施工方便，便于就位和调整,2、应防止厚钢板层状撕裂,如图，通过轧制而成的钢板，三个方向的机械性能均不相同，其中z向（厚度方向）最差，特别是塑性和韧性,钢板受撕裂情况,b、对于容易发生撕裂的部位，应要求严格检查,a、尽量避免焊缝收缩方向垂直钢板板面方向,c、在满足承载力要求的前提下，尽量减少焊缝尺寸,构造措施,3、在确定框架吊装单元时，应根据构件重量、运输和起吊设备综合确定,二层或三层楼高一根（一、四层也可）,每跨梁一根,密柱深梁的框筒,三根柱 + 三根梁,三根柱 + 二根梁,世界贸易中心,美国，纽约 411m，地上110层，地下6层 ，1973年竣工,阿莫科大厦（amoco building) 芝加哥标准石油大楼,美国，芝加哥 342m 地上82层，地下5层 1973年,4、柱的工地接头一般设置在主梁顶面1.0 1.3 m 高处,以便于安装,5、梁若需要现场接头，其位置应根据内力、运输、支撑综合确定,一般距离柱轴线约0.5 - 1.5m,6、焊条应与钢材的型号匹配，尽量选择强度低的，使节点有好的延性,7、为了焊透和满焊，应设置引弧板和垫板，且焊件应加工成坡口,8、对于主要承重构件的螺栓连接，应采用高强度螺栓,9、若节点为栓焊混合连接，应先安装螺栓，再施焊,三、高层建筑钢结构节点的类型,梁 柱,柱 柱,梁 梁,柱 基础,支撑 梁柱,钢梁 钢砼剪力墙,1、梁柱节点,半刚性连接,刚性连接,铰接,a、刚性连接,全焊连接,全栓连接,栓焊连接,梁-柱全焊接刚性节点,梁-柱栓焊混合连接刚性节点,t型铸钢件 角钢,t型铸钢件和角钢可以在工厂力先焊在柱上，以减少现场工作量，但运输应注意,全栓连接,梁-柱t形件连接,b、半刚性连接,介于刚性和铰接之间，有较大的延性和吸能性能,用于低烈度地震区，层数不多的钢框架,梁-柱端板连接,c、铰接连接,梁可绕节点转动，节点不能传递弯矩m 连接方法简单，施工方便,当不考虑钢框架抵抗水平力时，可以考虑铰接,梁-柱的柔性连接,2、柱柱节点,宽翼缘工字型,矩型管截面,a、柱截面,热轧宽翼缘工字型截面,焊接的工字型截面,四块钢板通过焊接而成,b、柱腹板、翼缘之间的焊接构造, 焊接的工字型截面,角焊缝，承受腹板、翼缘之间的竖向剪力, 焊接的矩形管截面,a、当不考虑抗震要求时,部分熔透的 “ v ” 型,熔透的“ u ” 型,转角处焊缝,hf 1/3 t; hf 14 mm,箱形柱角部组合焊缝,（a）部分熔透焊缝； （b）全熔透焊缝,c、柱接头做法, 不考虑抗震要求,a、柱上下两段应设置耳板， 厚度大于10mm,宽翼缘工字型,矩型管截面,b、柱接头处采用部分焊透的单边 “ v ” “ j ” 型坡口,c、柱接头位置一般在梁上1.0-1.3m处，以方便施工,部分焊透焊缝,工形柱工地拼接, 考虑抗震要求,a、柱上下两段应设置耳板，方法同上,b、柱接头位于塑性区范围以外 1/10 l 和 2h (取大值）,c、对于工字型截面， 翼缘熔透坡口焊，承受弯矩m 腹板高强度螺栓，承受剪力q 轴力由两者共同承担,d、矩形管截面，采用焊透的坡口焊,箱形柱工地焊接, 柱的变截面连接,a、 尽量不改变截面高度而改变翼缘厚度,b、若改变截面高度，则做法如图,c、变截面位置一般位于接头部位,柱的变截面连接（1）,柱的变截面连接（2）,3、梁梁节点,a、主梁的拼接,拼接位置应在框架节点塑性区以外,主梁的拼接形式,b、主次梁的相互连接,为防止受扭，宜采用铰接方法,次梁与主梁的简支连接,次梁高度较小时与主梁的连接,次梁与主梁的刚性连接,c、主梁的侧向隅撑,为防止主梁塑性区侧向失稳，设置隅撑,距离柱轴线1/81/10梁跨处设置,设置在梁的下翼缘,设置方法,梁的侧向隅撑,4、墙梁节点,a、钢梁与砼墙的连接,采用铰接，承受拉力和剪力,钢梁与混凝土墙连接 钢梁与混凝土墙的简支连接,b、钢梁与砼梁的连接,钢梁与混凝土梁的连接,节点设计,内容,节点的设计原则 (总),节点设计时的构造要求,各类节点的做法及特点,节点分类,一、节点的设计原则,1、不考虑抗震要求时,结构的主要荷载,包括两种情况,抗震,非抗震,结构一般处于弹性状态,2、当考虑抗震要求时,结构的主要荷载,地震荷载,结构可能进入塑性状态,满足构件内力要求,特殊设计要求,构件塑性时的局部稳定,节点极限承载力,梁塑性时的侧向稳定,a、节点极限承载力,mu 1.2 mp,vu 1.3 (2mp/l),mu、vu 节点的极限受弯、受剪承载力,mp 梁的全塑性弯矩承载力,l 梁的净跨度,ru 1.2 an fy,ru 支撑连接的极限承载力,an 支撑杆净截面面积,fy 支撑杆材料的屈服强度,b、构件进入塑性状态时， 板件的局部稳定应有保证,框架梁板件宽厚比限值,注：1、表中，n为梁的轴向力，a为梁的截面面积，f为梁的钢材强度设计值； 2、表列值适用于 = q235钢，当钢材为其它牌号时应乘以,注：1、表中，n为梁的轴向力，a为梁的截面面积，f为梁的钢材强度设计值； 2、表列值适用于 = q235钢，当钢材为其它牌号时应乘以,c、受弯构件塑性区应设置侧向支撑点,避免梁发生侧向的弯扭失稳,l0 两相邻支撑点之间的间距,l0 / b0 ? (根据钢结构规范）,b0 受压翼缘的宽度,二、节点设计的构造要求（总）,1、设计时，应使节点构造简单，施工方便，便于就位和调整,2、应防止厚钢板层状撕裂,如图，通过轧制而成的钢板，三个方向的机械性能均不相同，其中z向（厚度方向）最差，特别是塑性和韧性,钢板受撕裂情况,b、对于容易发生撕裂的部位，应要求严格检查,a、尽量避免焊缝收缩方向垂直钢板板面方向,c、在满足承载力要求的前提下，尽量减少焊缝尺寸,构造措施,3、在确定框架吊装单元时，应根据构件重量、运输和起吊设备综合确定,二层或三层楼高一根（一、四层也可）,每跨梁一根,密柱深梁的框筒,三根柱 + 三根梁,三根柱 + 二根梁,世界贸易中心,美国，纽约 411m，地上110层，地下6层 ，1973年竣工,阿莫科大厦（amoco building) 芝加哥标准石油大楼,美国，芝加哥 342m 地上82层，地下5层 1973年,4、柱的工地接头一般设置在主梁顶面1.0 1.3 m 高处,以便于安装,5、梁若需要现场接头，其位置应根据内力、运输、支撑综合确定 一般距离柱轴线约0.5 - 1.5m,多为1m。,6、焊条应与钢材的型号匹配，尽量选择强度低的，使节点有好的延性,7、为了焊透和满焊，应设置引弧板和垫板，且焊件应加工成坡口,8、对于主要承重构件的螺栓连接，应采用高强度螺栓,9、若节点为栓焊混合连接，应先安装螺栓，再施焊,三、高层建筑钢结构节点的类型,梁 柱,柱 柱,梁 梁,柱 基础,支撑 梁柱,钢梁 钢砼剪力墙,1、梁柱节点,半刚性连接,刚性连接,铰接,a、刚性连接,全焊连接,全栓连接,栓焊连接,梁-柱全焊接刚性节点,梁-柱栓焊混合连接刚性节点,t型铸钢件 角钢,t型铸钢件和角钢可以在工厂力先焊在柱上，以减少现场工作量，但运输应注意,全栓连接,梁-柱t形件连接,b、半刚性连接,介于刚性和铰接之间，有较大的延性和吸能性能,用于低烈度地震区，层数不多的钢框架,梁-柱端板连接,c、铰接连接,梁可绕节点转动，节点不能传递弯矩m 连接方法简单，施工方便,当不考虑钢框架抵抗水平力时，可以考虑铰接,梁-柱的柔性连接,2、柱柱节点,宽翼缘工字型,矩型管截面,a、柱截面,热轧宽翼缘工字型截面,焊接的工字型截面,四块钢板通过焊接而成,b、柱腹板、翼缘之间的焊接构造, 焊接的工字型截面,角焊缝，承受腹板、翼缘之间的竖向剪力, 焊接的矩形管截面,a、当不考虑抗震要求时,部分熔透的 “ v ” 型,熔透的“ u ” 型,转角处焊缝,hf 1/3 t; hf 14 mm,箱形柱角部组合焊缝,（a）部分熔透焊缝； （b）全熔透焊缝,c、柱接头做法, 不考虑抗震要求,a、柱上下两段应设置耳板，厚度大于10mm,宽翼缘工字型,矩型管截面,b、柱接头处采用部分焊透的单边 “ v ” “ j ” 型坡口,c、柱接头位置一般在梁上1.0-1.3m处，以方便施工,部分焊透焊缝,工形柱工地拼接, 考虑抗震要求,a、柱上下两段应设置耳板，方法同上,b、柱接头位于塑性区范围以外 1/10 l 和 2h (取大值）,c、对于工字型截面， 翼缘熔透坡口焊，承受弯矩m 腹板高强度螺栓，承受剪力q 轴力由两者共同承担,d、矩形管截面，采用焊透的坡口焊, 柱的变截面连接,a、 尽量不改变截面高度而改变翼缘厚度,b、若改变截面高度，则做法如图,c、变截面位置一般位于接头部位,柱的变截面连接（1）,柱的变截面连接（2）,3、梁梁节点,a、主梁的拼接,拼接位置应在框架节点塑性区以外,主梁的拼接形式,b、主次梁的相互连接,次梁与主梁的简支连接,次梁高度较小时与主梁的连接,次梁与主梁的刚性连接,c、主梁的侧向隅撑,为防止主梁塑性区侧向失稳，设置隅撑,距离柱轴线1/81/10梁跨处设置,设置在梁的下翼缘,设置方法,梁的侧向隅撑,4、墙梁节点,a、钢梁与砼墙的连接,采用铰接，承受拉力和剪力,钢梁与混凝土墙连接 钢梁与混凝土墙的简支连接,b、钢梁与砼梁的连接,钢梁与混凝土梁的连接,多高层建筑钢结构 楼板设计,一、楼板设计的基本要求,a、承受和传递荷载(水平和竖向荷载),b、隔音的要求,具体满足两个方面的要求,刚度,强度,保证住宅私密性,c、防火要求,采取防火措施, 保护钢梁和楼板,d、防水要求,楼面和屋面, 均应进行防水处理,e、管线敷设要求,管线,竖向,水平,一般敷设在楼板内,二、楼板的分类,2、预制钢砼楼板,做法,直接由工厂或现场预制，置于钢梁上， 用细实混凝土浇灌槽口和板缝,特点,b、省去了支模、拆模、扎筋、浇灌、养护等复杂工 序，但需吊装，且影响钢构件的吊装,a、楼板整体刚度差，不能与钢梁一起共同工作,应用,在高层建筑钢结构中应用不多,分类,预制预应力钢砼楼板,预制钢砼楼板,3、钢砼叠合楼板,做法,把钢砼楼板分两层,特点,b、省去了支模、拆模、扎筋、浇灌、养护等复杂工 序，但需吊装，且影响钢构件的吊装,a、楼板整体刚度好，但不能与钢梁一起共同工作,应用,在高层建筑钢结构中应用不多,上层：在下层预制板上完成现浇作业,下层：较薄的预制板，吊装到钢梁上，起模板作用,4、压型钢板砼板,三、压型钢板砼楼板的做法、特点,做法,把压型钢板首先铺在钢梁上，并与梁翼缘焊接， 然后在压型钢板上现浇砼或钢砼。,砼与压型钢板之间、压型钢板与钢梁之间均有抗剪构造连接件,纵向水平剪切粘结破坏,国产压型钢板板型 国外板型,组合板的组合方式,压型钢板组合梁 (a)肋平行于主钢梁 (b)肋垂直于主钢梁,压型钢板砼楼板特点,施工,设计,从设计角度,b、极限承载力大，达到30 - 50 kn/m2,a、组合后刚度大、延性好、抗震性能好,c、楼板的刚度大，能有效地传递水平荷载,d、楼板可作为钢梁的一部分，提高了钢 梁的抗弯刚度和承载力（20-30%）， 增加了梁的侧向稳定,e、合理利用材料，充分发挥其各自优势,钢梁外露的组合梁,从施工角度,b、压型钢板一旦铺设，可作为工作平台,a、压型钢板很轻，安装时方便、速度快,c、浇灌砼可单独进行，与其它安装工序不打搅,d、压型钢板的沟槽可以用来敷设管线,e、不需要支模，大大方便了施工,应用,在高层建筑钢结构中应用非常普遍,瑞金大厦，107m, 地上29层， 地下1层，上海，于1986年竣工,10层以上采用压型钢板砼板，梁上抗剪栓钉： 116230 216230,瑞金大厦,北京，82.75m, 地上26层，于1986年竣工,京城大厦,北京，地上25层，地下2层, 94m，1987年建成,长富宫中心,北京，地上52层，地下3层,196m高，1990年建成,京广中心,中国，北京, 153.55m，地下2层, 地上39层,中国国际贸易中心,深圳, 151m，地上40层，地下1层,深圳发展中心大厦,上海，地下1层，地上43层，143.62m,上海静安希尔顿酒店,上海，129.55m，地下2层, 地上35层,上海国际贸易中心,四、压型钢板砼楼板的分类,做法、受力不同,非组合板,组合板,组合板,b、压型钢板为使用阶段的受力钢板,a、压型钢板为施工阶段的模板,c、砼中不配钢筋,b、组合板（压型钢板+素砼）在使用阶段的计算,a、压型钢板在施工阶段的验算,做法,计算内容,计算方法同普通钢砼,非组合板,做法,a、压型钢板仅为施工阶段的模板,b、使用阶段受力的部分为钢砼板,b、钢砼板在使用阶段的计算,a、压型钢板在施工阶段的验算,计算内容,应用最为普遍,c、砼中配钢筋,五、压型钢板计算（施工阶段）,所受荷载,施工荷载，包括人、设备和材料，大于1.5kn/m2,湿的砼、压型钢板自重,正应力,剪应力,腹板局部承载力,折算应力,计算内容,刚度,强度,正应力计算,max f,剪应力计算,max fv,折算应力计算,腹板局部承载力计算,原因,压型钢板较薄,腹板可能受较大集中力或支座反力,腹板压跛 (web crippling),为避免压跛现象出现，根据欧洲所做的大量试验，以及我国现行国 家标准冷弯薄壁型钢结构技术规范建议采用如下公式进行验算 式中 支座反力； 一块腹板的局部受压承载力设计值； 钢材抗压强度设计值； 系数，中间支座取0.12，端部支座取0.06； 腹板厚度（mm）； 支座处的支承长度100 mm 200 mm,端部支座可取 100 mm； 腹板倾角（45 90）。,压型钢板刚度验算,（5）挠度验算 压型钢板在施工阶段应进行挠度计算。当均布荷载作 用时 简支板 双跨连续板 式中 板的挠度； 单位宽度均布短期荷载值，取荷载标准值； 压型钢板弹性模量； 单位宽度均布压型钢板的惯性矩； 板的容许挠度。 根据我国近十年来的工程实验经验，对于应用于楼板中的压型钢板，其最大挠度不应超过跨度的1/200和20mm的 较小值。,六、组合板计算（使用阶段）,所受荷载,使用荷载,砼、压型钢板自重,横截面抗弯强度,叠合面抗剪强度,集中力作用下的抗冲切计算,斜截面抗剪强度,计算内容,复杂，不介绍,刚度,强度,横截面抗弯强度,砼只考虑受压,不考虑受拉 压型钢板考虑受拉、压 拉、压材料同时达到设计值,计算原则,两种情形,组合板正截面抗弯能力计算图,情形1：中性轴位于压型钢板以外,(1)当 时 塑性中和轴在压型钢板上翼缘以上混凝土内（如上图），组合板的抗弯刚度 按下式计算 式中 组合板受压区高度，当时 ，取 ； 组合板的有效高度； 压型钢板截面应力合力至混凝土受压区截面应力的合力的距离， 取 ； 压型钢板的波距； 压型钢板波距内的截面面积； 压型钢板的抗拉强度设计值。,情形2：中性轴位于压型钢板以内,(2)当时 塑性中和轴在压型钢板内（如上图），组合板的抗弯刚度 按下式计算 式中 塑性中和轴以上的压型钢板面积； 压型钢板受拉区截面拉应力的合力的距离。,斜面抗剪强度,斜截面承载力计算 组合板的斜截面受剪承载力应按下式计算 式中 截面高度系数， ； 当 mm时，取 mm； 当 mm时，取 mm； 组合板斜截面上的最大剪力设计值； 混凝土轴心抗拉强度设计值； 组合板平均肋宽。,集中力作用下的抗冲切计算,抗冲切强度计算 组合板在集中荷载作用下的抗冲切强度按下式计算 式中 临界周边长度，如下图所示； 混凝土最小浇注厚度； 混凝土轴心抗拉强度设计值。,临界周边长度,刚度的计算,fmax f ,两个简化,组合板的等效惯性矩为开裂和不开裂的平均值,将钢板根据弹模之比简化成砼,七、抗剪栓钉的构造要求,b、栓钉应设置在压型钢板的凹肋处 穿透钢板，与压型钢板一起焊在 钢梁上,a、组合楼板的端部均应设置栓钉,c、栓钉直径一般小于19 mm,板跨小于 3m d = 13mm or d = 16mm,板跨3-6 m d = 16mm or d = 19mm,板跨大于6 m d = 19mm,d、栓钉间距 应在每个凹肋处设置一个，栓 钉间距 s 梁轴线方向： s 5 d 垂直于梁轴线方向： s 4 d 距离钢梁翼缘边： s 35mm e、栓钉顶面的砼保护层 15mm 栓钉总高度大于压型钢板 30mm,钢与混凝土组合梁,11.1 组合梁的应用和发展 组合梁的应用开始于本世纪（20世纪）20年代 ，我国从50年代开始开展组合梁的研究和应用。最初主要用于桥梁结构，自80年代以来，由于在多层及高层建筑中更多地采用了钢结构，使得组合梁在建筑结构领域也得到了长足的发展。 在设计方法方面，大约在60年代以前，组合梁基本上按弹性理论设计，60年代开始逐步转变为按塑性理论设计。,组合梁是钢梁和所支承的钢筋混凝土板通过抗剪连接件组合成一个整体而共同工作的梁。组合梁能更好地发挥钢和混凝土各自的材质特点，即充分发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能。与单独工作的钢梁相比，组合梁的稳定性和抗扭性能均有提高，防锈和耐火性能也有所增强，可以节省钢2040，从而取得较大的经济效益。 组合梁的整体刚度比钢梁单独工作时要大得多，挠度可减小1/31/2。如果保持挠度大小不变，则钢梁高度可减低152 0，使建筑高度降低。,现行钢结构设计规范新增加了下列主要内容： （）连续组合梁负弯矩处的计算方法。 （）楼板为压型钢板组合板时组合梁的设计。 （）部份抗剪连接组合梁的设计。部份抗剪连接对梁的强度影响很小，只挠度增大，可节约连接件和施工费用。 （）组合梁的挠度计算（主要是考虑滑移效应的折减刚度的计算方法）。,压型钢板上现浇混凝土翼板并通过抗剪连接件与钢梁连接组合成整体后，钢梁与楼板成为共同受力的组合梁结构。 组合梁的组成及其工作原理 压型钢板组合梁通常由三部分组成，即： 钢筋混凝土翼板、抗剪连接件、钢梁。,11.2 一般规定,（1）钢筋混凝土翼板组合梁的受压翼缘； （2）抗剪连接件混凝土翼板与钢梁共同工作的基础，主要用来承受翼板与钢梁接触面之间的纵向剪力；同时可承受翼板与钢梁之间的掀起力。 （3）钢梁在组合梁中主要承受拉力和剪力，钢梁的上翼缘用作混凝土翼板的支座并用来固定抗剪连接件，在组合梁受弯时，抵抗弯曲应力的作用远不及下翼缘，故钢梁宜设计成上翼缘截面小于下翼缘截面的不对称截面。,组合梁的工作原理,1. 组合梁混凝土翼板的形式 组合梁混凝土翼板可用现浇混凝土板、混凝土叠合板或压型钢板混凝土组合板。混凝土叠合板翼板由预制板和现浇混凝土层组成，施工时可在混凝土预制板表面采取拉毛及设置抗剪钢筋等措施，以保证预制板和现浇混凝土层形成整体。 压型钢板上现浇混凝土翼板并通过抗剪连接件与钢梁连接组合成整体后，钢梁与楼板成为共同受力的组合梁结构。,11.3 组合梁的截面形式和翼板的有效宽度,2. 钢梁的形式 钢梁的形式应根据组合梁跨度、荷载、施工条件等综合考虑。一般来说，采用上窄下宽的焊接工字形截面耗钢量较少。当荷载或跨度较小时，也可采用热轧h型钢或普通工字钢，或在其下面加一块盖板。 当跨度较大而荷载相对较小的情况，可考虑采用h型钢的腹板切割为锯齿形，错开半齿焊合而成的蜂窝梁。它将h型钢高度提高约50，有较好的经济效果，而空洞又便于铺设管线。,3. 混凝土翼板的计算宽度 计算组合梁时，将其截面视为t形截面，上部受压翼缘为混凝土板的一部份甚至全部。由于剪力滞后的影响，混凝土翼板内的压应力分布沿宽度方向是不均匀的，所谓计算宽度（即有效宽度）实质上是指以应力均匀分布为前提的当量宽度。 规范取用的组合梁混凝土翼板有效宽度，系按现行国家标准混凝土结构设计规范gb50010的规定采用的。,混凝土翼板的有效宽度 取下式中的最小值： 式中 bc1、bc2相邻钢梁间净距s0的1/2。,公式中最重要的是bc2值（有些情况bc1值与bc2值相等），世界各国或地区的规范，对bc2值的规定颇不一致，组合梁翼板的计算宽度与梁格尺寸、梁的位置（在楼盖外侧或中部）、荷载方式（均布或集中荷载）、简支单跨或连续等因素有关，只不过有些国家的规范忽略了某些因素，而其他规范又忽略另外一些因素而已。严格说来。楼盖边部无翼板时，其内侧的bc2应小于中部两侧有翼板