高层建筑钢结构-第四章结构分析

1、高层建筑钢结构高层建筑钢结构v计算总则计算总则非抗震结构弹性分析计算内力和位移抗震结构小震验算弹性分析内力位移弹塑性分析变形验算大震验算对于某些高层中震可修，通过构造要求保证中震可修，通过构造要求保证高层建筑钢结构高层建筑钢结构v组合梁的考虑方法组合梁的考虑方法弹性分析时考虑混凝土楼板与钢梁共同工作弹塑性分析时忽略楼板与钢梁的共同工作v次构件的考虑方法次构件的考虑方法忽略次构件的影响忽略非结构构件的影响必要时考虑一定的受力蒙皮作用高层建筑钢结构高层建筑钢结构v分析模型的使用原则分析模型的使用原则结构布置规则，不计入扭转时平面模型具有多种抗侧体系，不计入扭转时空间协同工作原理平面抗侧力结构布置不

2、规则结构空间模型v分析模型中需要考虑的因素分析模型中需要考虑的因素梁柱的弯曲变形、轴向变形、宜计入剪切变形节点域的剪切变形支撑的轴向变形高层建筑钢结构高层建筑钢结构v支撑在整体分析中的要求支撑在整体分析中的要求支撑两端常做成刚性连接但可按两端铰接计算内力偏心支撑中的耗能梁段分析时应取为单独单元v嵌入式墙板的分析原则嵌入式墙板的分析原则可按相同水平力作用下侧移相同的原则，将其折算成等效支撑或等效剪切板计算。高层建筑钢结构高层建筑钢结构分析模型应视设计阶段而定：分析模型应视设计阶段而定：初步设计阶段简化模型，计算快速中间和最终设计阶段精确模型，结果准确高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 结构分析模型

3、的发展结构分析模型的发展高层建筑钢结构高层建筑钢结构v框架结构平面简化模型框架结构平面简化模型 竖向荷载作用下可采用分层法计算内力竖向荷载作用下可采用分层法计算内力 （弯矩和轴力）（弯矩和轴力）2) 简化模型简化模型高层建筑钢结构高层建筑钢结构水平荷载作用下可采用反弯点法或水平荷载作用下可采用反弯点法或D值法求内力和位移值法求内力和位移高层建筑钢结构高层建筑钢结构v剪力墙和均匀开洞剪力墙的简化模型剪力墙和均匀开洞剪力墙的简化模型不开洞剪力墙可简化为悬臂柱不开洞剪力墙可简化为悬臂柱墙体均匀开洞时，可简化为带刚域的框架计算墙体均匀开洞时，可简化为带刚域的框架计算高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑

4、钢结构高层建筑钢结构v平面布置规则的框架平面布置规则的框架-支撑支撑(剪力墙剪力墙)结构，在水平荷结构，在水平荷载作用下的简化协同分析模型载作用下的简化协同分析模型高层建筑钢结构高层建筑钢结构当抗侧力体系种类当抗侧力体系种类较多，且对称布置较多，且对称布置时，可采用平面抗时，可采用平面抗侧力结构的协同分侧力结构的协同分析模型。析模型。高层建筑钢结构高层建筑钢结构v平面杆系模型平面杆系模型体系复杂，平面和竖向不规则的结构，宜采用三维空体系复杂，平面和竖向不规则的结构，宜采用三维空间分析模型，通常采用杆系模型进行有限元分析。间分析模型，通常采用杆系模型进行有限元分析。3) 精确分析模型精确分析模型

5、高层建筑钢结构高层建筑钢结构v空间杆系模型中的空间梁元和薄壁杆件单元模型空间杆系模型中的空间梁元和薄壁杆件单元模型高层建筑钢结构高层建筑钢结构单元坐标轴和理想模型 Coordinate Axis and Ideal Model of a Element (a) 单元坐标轴 (a) Coordinate Axis y x z y x z k I J 塑性铰 (b) 单元理想模型 (b) Ideal Model I 弹性杆 J 节点 节点 v基于塑性铰理论的梁单元模型基于塑性铰理论的梁单元模型高层建筑钢结构高层建筑钢结构v沿截面和杆长的积分单元模型沿截面和杆长的积分单元模型高层建筑钢结构高层建筑钢

6、结构平面梁、柱单元的双分量杆件模型的骨架曲线平面梁、柱单元的双分量杆件模型的骨架曲线4) 弹塑性动力分析中单元的骨架曲线弹塑性动力分析中单元的骨架曲线配合塑性铰单元模型或积分单元模型，可以通过定义材料的应配合塑性铰单元模型或积分单元模型，可以通过定义材料的应力应变关系为双线性来实现。力应变关系为双线性来实现。高层建筑钢结构高层建筑钢结构节点域的骨架曲线节点域的骨架曲线高层建筑钢结构高层建筑钢结构钢支撑杆件的滞回模型钢支撑杆件的滞回模型高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构高层建筑钢结构由于计算工具的进步，目前更习惯于将支撑沿长度划分为多个由于计算工具的进步，目前更习惯于将支撑沿长度划分为多

7、个单元，当单元足够多时（大于单元，当单元足够多时（大于4 4个），配合塑性铰单元模型或个），配合塑性铰单元模型或积分单元模型，可以模拟支撑失稳的特性。积分单元模型，可以模拟支撑失稳的特性。高层建筑钢结构高层建筑钢结构内藏钢板支撑剪力墙骨架曲线内藏钢板支撑剪力墙骨架曲线Vy V uy K1 K2=0.1K1 u 0 有粘结时有粘结时无粘结时，把支撑设置成无粘结时，把支撑设置成杆单元即可杆单元即可高层建筑钢结构高层建筑钢结构带竖缝混凝土剪力墙骨架曲线带竖缝混凝土剪力墙骨架曲线 墙 板 有 效 宽 度a).带 竖 缝 剪 力 墙 板 与 框 架 的 连 接ee柱leeb).简 化 分 析 模 型梁l

8、梁柱 2121(b)等效偏心交叉支撑的应力-应变曲线(a)带竖缝混凝土剪力墙板的Vu曲线0uuVVVuu0E=tg=0.2*EK = tg2 = 0.2*KK=tg1E=tg1高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 简化分析方法简化分析方法v钢框架结构钢框架结构 （竖向荷载：分层法；水平荷载：（竖向荷载：分层法；水平荷载：D值法）值法） 略略高层建筑钢结构高层建筑钢结构v钢框架支撑结构和钢框架剪力墙结构钢框架支撑结构和钢框架剪力墙结构在水平荷载作用下可近似地简化为平面抗侧力体系。在水平荷载作用下可近似地简化为平面抗侧力体系。 将所有框架合并为总框架将所有框架合并为总框架 将所有支撑合并为总支撑将所有

9、支撑合并为总支撑 将所有剪力墙合并为总剪力墙将所有剪力墙合并为总剪力墙高层建筑钢结构高层建筑钢结构进行简化分析时，总支撑可视为一根竖向弯曲杆件，进行简化分析时，总支撑可视为一根竖向弯曲杆件，其等效惯性矩其等效惯性矩Ieq为：为：mjniijijeqaAI112其中：其中：折减系数，对中心支撑可取折减系数，对中心支撑可取0.80.9；Aij第第j榀竖向支撑第榀竖向支撑第i根柱的截面面积；根柱的截面面积；aij第第i根柱至第根柱至第j榀竖向支撑的柱截面形心轴的距离；榀竖向支撑的柱截面形心轴的距离；n每一榀竖向支撑的柱子数；每一榀竖向支撑的柱子数；m水平荷载作用方向竖向支撑的榀数。水平荷载作用方向竖

10、向支撑的榀数。高层建筑钢结构高层建筑钢结构mjniijijeqaAI112高层建筑钢结构高层建筑钢结构2) 精确方法精确方法采用有限元方法的二阶弹塑性分析采用有限元方法的二阶弹塑性分析多借助于大型有限元分析与设计程序：多借助于大型有限元分析与设计程序：以设计为主的程序：以设计为主的程序：ETABS、SAP2000、Staad Pro、Midas、MTS、3D3S、STS、SETWE等；等；以内力计算为主的程序：以内力计算为主的程序：ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等。等。高层建筑钢结构高层建筑钢结构v反应谱分析方法，由于所取振型有限，且只能适用于反应谱分析方法，由于所取振型有限，且只能

11、适用于弹性动力分析，故对于特别不规则的建筑，尚应采用弹性动力分析，故对于特别不规则的建筑，尚应采用直接动力法直接动力法时程分析法进行补充验算。时程分析法进行补充验算。 当取三组加速度时程曲线输入时，计算结果宜取时程法的包络当取三组加速度时程曲线输入时，计算结果宜取时程法的包络值和振型分解反应谱法的最大值。值和振型分解反应谱法的最大值。 当取七组及以上的时程曲线时，计算结果可取时程法的平均值当取七组及以上的时程曲线时，计算结果可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。和振型分解反应谱法的较大值。 应按场地土类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟应按场地土类别和设计地震分组选用实际强震记

12、录和人工模拟的加速度时程曲线，实际强震记录不得小于总数的的加速度时程曲线，实际强震记录不得小于总数的2/3。 弹性时程分析时，每条时程曲线所得结构底部剪力不应小于振弹性时程分析时，每条时程曲线所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法的型分解反应谱法的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法的的平均值不应小于振型分解反应谱法的80%。3) 钢结构抗震时程分析的基本概念钢结构抗震时程分析的基本概念高层建筑钢结构高层建筑钢结构 采用采用弹性时程分析弹性时程分析的房屋高度范围的房屋高度范围烈度、场地类别烈度、场地类别房屋高度范围房屋高度

13、范围(m)特别不规则建筑、甲类建筑特别不规则建筑、甲类建筑8度度、场地和场地和7度度8度度、类场地类场地9度度1008060v多遇地震下的弹性时程分析的房屋高度范围和罕遇地多遇地震下的弹性时程分析的房屋高度范围和罕遇地震下的弹塑性时程分析的房屋范围如下：震下的弹塑性时程分析的房屋范围如下：高层建筑钢结构高层建筑钢结构采用采用弹塑性时程分析弹塑性时程分析的房屋范围的房屋范围 （或三维静力弹塑性（或三维静力弹塑性pushover分析方法）分析方法）应应进行弹塑性进行弹塑性变形验算的：变形验算的：甲类建筑和甲类建筑和9度抗震设防的乙类建筑；度抗震设防的乙类建筑；高度超过高度超过150m的钢结构高层建

14、筑；采的钢结构高层建筑；采用隔震和消能减震设计的结构。用隔震和消能减震设计的结构。宜宜进行弹塑性进行弹塑性变形验算的：变形验算的：符合上表所列高度范围且竖向不规则符合上表所列高度范围且竖向不规则的高层钢结构；的高层钢结构； 7度度、类场地和类场地和8度乙类建筑的钢结构房屋。度乙类建筑的钢结构房屋。高层建筑钢结构高层建筑钢结构v时程分析时所用地震加速度时程曲线的最大加速度值时程分析时所用地震加速度时程曲线的最大加速度值(cm/s2) 地震影响地震影响6度度7度度8度度9度度多遇地震多遇地震罕遇地震罕遇地震1835(55)220(310)70(110)400(510)140620加速度单位加速度单

15、位cm/s2，也称，也称gal。高层建筑钢结构高层建筑钢结构1) 二阶效应二阶效应(的概念的概念结构在水平荷载作用下，产生侧移结构在水平荷载作用下，产生侧移；此时竖向荷载将对刚架产生一个附加的外弯矩此时竖向荷载将对刚架产生一个附加的外弯矩P，将继续增大侧移和内力；将继续增大侧移和内力；竖向荷载作用于继续增大的侧移，将产生更小一阶竖向荷载作用于继续增大的侧移，将产生更小一阶的外弯矩的外弯矩P1，继续增大侧移和内力；，继续增大侧移和内力；如此叠加，直至平衡如此叠加，直至平衡(或整体失稳或整体失稳)，称为，称为P-效应效应(二阶效应二阶效应)。高层建筑钢结构高层建筑钢结构2) 一阶分析与二阶分析一阶

16、分析与二阶分析一阶分析线弹性计算方法线弹性计算方法不同荷载可独立计算不同荷载可独立计算满足叠加原理满足叠加原理二阶分析非线性迭代方法非线性迭代方法所有荷载同时计算所有荷载同时计算不满足叠加原理不满足叠加原理高层建筑钢结构高层建筑钢结构二阶效应的影响二阶效应的影响30层以下的钢结构，不层以下的钢结构，不显著，可忽略显著，可忽略3) 二阶分析的影响二阶分析的影响50层的钢结构，二阶内层的钢结构，二阶内力和位移可达力和位移可达15以上以上超高层的钢结构，影响超高层的钢结构，影响更大，必须考虑更大，必须考虑如果不考虑，可能造成构件实际负担的内力超过设计如果不考虑，可能造成构件实际负担的内力超过设计承载

17、力，引起结构倒塌。承载力，引起结构倒塌。高层建筑钢结构高层建筑钢结构4) 整体稳定性的判断整体稳定性的判断u当同时满足以下两个条件时，可不验算结构整体稳当同时满足以下两个条件时，可不验算结构整体稳定定结构各楼层柱的平均长细比和平均轴压比满足：结构各楼层柱的平均长细比和平均轴压比满足：180mpmmNN其中：其中：m楼层柱的平均长细比；楼层柱的平均长细比；Nm楼层柱的平均轴压力设计值；楼层柱的平均轴压力设计值；Npm楼层柱的平均全塑性轴压力，楼层柱的平均全塑性轴压力， Npm=fyAm；Am楼层柱的平均截面面积。楼层柱的平均截面面积。高层建筑钢结构高层建筑钢结构一阶分析计算得到的各层层间相对侧移满足：一阶分析计算得到的各层层间相对侧移满足：vhFFhu12. 0其中：其中：h