多高层钢结构设计

第四章多高层钢结构设计3/19/2023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3/19/2023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3/19/2023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…14.1.1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。3/19/2023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。3/19/2023昆明理工大学建工学院土木系高层结构体系的发展过程

始用年代

结构体系和特点18851889190320世纪初二次大战后20世纪50年代20世纪六七十年代20世纪80年代20世纪80年代中期砖墙、铸铁柱、钢梁钢框柱钢筋混凝土框架钢框架＋支撑钢筋混凝土框架＋剪力墙、钢筋混凝土剪力墙、预制钢筋混凝土结构钢框架＋钢筋混凝土核芯筒、钢骨钢筋混凝土结构框筒、筒中筒、束筒、悬挂结构、偏心支撑和带缝剪力墙板框架巨型结构、应力蒙皮结构、隔震结构被动耗能结构、主动控制结构、混合控制结构3/19/2023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3/19/2023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…24.1.2.多高层钢结构的结构体系…1-框架体系3/19/2023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…23/19/2023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…33/19/2023昆明理工大学建工学院土木系4.1多高层钢结构构的特点与结结构体系…2-框架-筒体体结构体系4.1.2.多高层层钢结构的结结构体系…43/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.1多高层钢结构的特特点与结构体系……2-筒体结构体系西尔斯(Sears)大楼筒体变化图图筒中筒结构4.1.2.多多高层钢结构的的结构体系…53/15/2023昆明理工工大学建建工工学院土土木木系4.1多高层钢钢结构的的特点与与结构体体系…2-巨型框框架体系系4.1.2.多多高高层钢结结构的结结构体系系…63/15/2023昆明理工工大学建建工工学院土土木木系第四章多多高高层钢结结构设计计4.2多多高高层钢结结构的计计算特点点3/15/2023昆明理工大学学建工学学院土木木系4.2多高高层钢结构的的计算特点……14.2.1荷荷载…1水平方向的风风荷载和地震震作用，对高层钢结结构设计起着着主要的控制作作用3/15/2023昆明理工大学学建工学学院土木木系4.2多多高层钢结结构的计算算特点…21.竖竖向荷载永久荷载（（结构自重重）可变荷载（（楼面及屋屋面活荷载载）注：相关荷荷载按《建建筑结构荷荷载规范》》（GB50009-2001)的有有关条文取取值。3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.2多高层层钢结构的计算算特点…32.风荷载载-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《建建筑结构荷载规规范》（GB50009-2001)和《《高层民用建筑筑钢结构技术规规程》（JGJ99-98））的有关条文取取值。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：当地比较空旷旷平坦地面上离离地10m高统统计所得的50年一遇10min平均最大大风速v0为标准，按v02/1600确定定的风压值.3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.2多高层层钢结构的计算算特点…43.地震作用用抗震设防烈度按国家规定的权权限批准作为一一个地区抗震设设防依据的地震震烈度;必须按国家规定定的权限审批、、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、中震震可修、大震不不倒3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系阶段目标烈度地震作用性质受力状态验算内容第一阶段小震不坏（隐含中震可修）多遇地震作用对应的烈度（小震）可变作用弹性（部分弹塑性）构件的承载力和稳定结构的层间位移第二阶段大震不倒罕遇地震作用对应的烈度（大震）偶然作用弹塑性结构的层间位移及层间侧移延性比两阶段设计4.2多高层钢钢结构的计算特点点…5注：1）第一阶段为弹弹性分析，包括截截面设计和变形计计算；2）大部分分建筑的第二阶段段设计主要由概念念设计和构造措施施来保证。3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系三水准地震作用的的标定4.2多高层钢钢结构的计算特点点…6基本假定地震强度呈极值分分布烈度符合极值III型IImI0Isf(I)地震影响50年超越概率地震重现期多遇地震对应的烈度-众值烈度小震63.2%50年设防烈度中震10%475年罕遇地震对应的烈度大震2-3%1642-2475年Im=I0-1.55Is<=I0+13/15/2023昆明理工工大学建建工工学院土土木木系建筑类别别与设防防标准4.2多多高层层钢结构构的计算算特点……7建筑类别建筑的重要性抗震措施地震作用计算甲类特殊要求的建筑特殊考虑特殊考虑乙类国家重点抗震城市生命线工程的建筑提高一度（9度适当提高）原设防烈度丙类甲、乙、丁类以外的一般建筑原设防烈度原设防烈度丁类次要的建筑降低一度（6度不降）原设防烈度3/15/2023昆明理工工大学建建工工学院土土木木系地震作用用计算4.2多多高层层钢结构构的计算算特点……81)一般般说明和和计算原原则影响设计计地震作作用的因因素地震动特特性方面面抗震设防防烈度设计近远远震场地类别别结构特性性方面结构自振振周期建筑质量量（重力力荷载））结构阻尼尼比（材材料）3/15/2023昆明理工大学学建工学学院土木木系4.2多高高层钢结构的的计算特点……9设计地震作用用的方向设计地震作用用的方向水平（两个））竖向（一个））结构效应的方方向平动（两个水水平、一个竖竖向）扭转（竖轴））3/15/2023昆明理工大学学建工学学院土木木系4.2多高高层钢结构的的计算特点……10地震作用的计计算范围和原原则计算范围水平地震作用用竖向地震作用用水平地震作用用的计算原则则一般正交布置置抗侧力构件件的结构，可可沿纵横主轴轴方向分别计计算；斜交布置抗侧侧力构件的结结构，宜按平平行于抗侧力力构件方向计计算；质量和刚度明明显不均匀、、不对称的结结构，应考虑虑水平地震作作用的扭转影影响。3/15/2023昆明理工大大学建建工学院土土木系系4.2多多高层钢结结构的计算算特点…11地震作用的的计算方法法及其适用用范围地震作用结构方法使用范围水平弹性底部剪力法高度不超过60m，以剪切变形为主，质量和刚度分布较均匀振型分解反应谱法不满足底部剪力法应用条件的结构时程分析法（补充计算）甲类建筑、特别不规则的建筑H>80m，7、8度I、II类场地乙、丙类建筑H>60m，8度III、IV类场地和9度乙、丙类建筑弹塑性简化方法（略）时程分析法（略）竖向弹性底部轴力法需考虑竖向地震作用的结构3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.2多高层层钢结构的计算算特点…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3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.2多高层层钢结构的计算算特点…132）设计反应谱谱地震影响系数曲曲线图中，γ－曲线下降段的的衰减指数ξ－阻尼比η1－下降斜率调整整系数η2－阻尼调整系数数动力系数地震系数地震影响系数最大地震作用3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.2多高高层钢结构的的计算特点……14烈度6789多遇地震0.040.08(0.12)0.16(0.24)0.32罕遇地震－0.50(0.72)0.90(1.20)1.40场地类别IIIIIIIV第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90特征周期Tg（s）水平地震影响系数最大值αmax和Tg分别按下列表表格取值3/15/2023昆明理工大学学建工学学院土木木系4.2多高高层钢结构的的计算特点……153）水平地震震作用计算底部剪力法计算方法底部剪力的计计算地震作用沿高高度的分配顶部附加地震震作用突出屋面小建建筑物Geq——结构等效效重力荷载代代表值SDOF：Geq=G1MDOF：Geq=Sum(Gi)*0.85或Geq=Sum(Gi)*0.80HiFiFEkΔFnmHi3/15/2023昆明理工大大学建建工学院土土木系系4.2多多高层钢结结构的计算算特点…16振型分解反反应谱法计算振型计算地震影影响系数和和振型参与与系数计算振型地地震作用计算振型地地震效应振型组合a1ixg(t)ajianixi(t)3/15/2023昆明理工大大学建建工学院土土木系系4.2多多高层钢结结构的计算算特点…17时程分析法法竖向特别不不规则的建建筑高度较大的的建筑采用时程分分析法进行行补充计算算采用能反应应当地场地地特征的地地震波不能能少于4条，其中宜宜包括一条条本地区历历史上发生生地震时的的实测记录录波地震波的持持续时间不不宜过短，，宜取10～20s或更长3/15/2023昆明理工大学学建工学学院土木木系4.2多高高层钢结构的的计算特点……184.2.2结结构计算1.结构构计算的一般般原则结构计算可采采用弹性方法计算算。抗震设防结结构尚应考虑虑罕遇地震下下的弹塑性计算；现浇组合楼盖盖可假设在其自身平面内绝绝对刚性；弹性分析时，宜考虑现浇楼盖与钢钢梁的共同工作，此时应保证证楼板与钢梁梁间有可靠连连接；弹塑性分析时时，不宜考虑楼板与钢梁的的共同工作；计算模型应视视具体结构形形式和计算内内容确定，一一般情况下可可采用平面抗抗侧力结构的的空间协同计算算模型；当结构布置置规则、质量量及刚度沿高高度分布均匀匀、不计扭转转效应时，可可采用平面结构计算算模型；当结构平面面或立面不规规则、体型复复杂、无法划划分成平面抗抗侧力单元的的结构，或为为筒体结构时时，应采用空间结构计算算模型；3/15/2023昆明理工大学学建工学学院土木木系4.2多高高层钢结构的的计算特点……19高层建筑钢结构梁柱构件的跨高比较小，计算结构的的内力和位移移时，除考虑虑梁、柱的弯弯曲变形和柱柱的轴向变形形外，尚应计算梁、柱的的剪切变形；钢框架－剪力墙体体系中，现浇剪力墙的计算按照钢筋混凝土结结构设计，应记入墙的弯曲曲、剪切和轴向变变形；柱间支撑两端应为为刚性连接，但可按两端铰接接连接计算，其端端部连接的刚度通通过支撑构件的计计算长度加以考虑虑；若采用偏心支支撑，由于耗能梁梁段在大震时将首首先屈服，计算时时应取为单独单元元；钢框架－支撑结构构的斜杆可按端部部铰接杆计算；框架部分按计算算得到的地震剪力力应乘以调整系数数，达到不小于结结构底部总地震剪剪力的25％和框架部分地震震剪力最大值1.8倍两者中的较小者者。中心支撑框架的斜杆轴线偏离梁柱柱轴线交点不超过过支撑杆件的宽度度时，仍可按中心心支撑框架分析，但应计及由此产产生的附加弯距；；人字形和V形支撑组合的内力力设计值应乘以增增大系数，可取1.5。3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.2多高层钢钢结构的计算特点点…202.内力与位移移计算规范规定在进行内内力及位移分析时时可以采用较为精精确的程序计算方方法，也可以采用用近似的简化计算算方法。－程序计算的基本本方法－矩阵位移移法－简化近似计算方方法－分层法、D值法采用近似计算方法法计算高层钢结构构的内力与位移时时，尚应注意以下下问题应考虑梁柱节点域域的剪切变形对侧侧移的影响；高层建筑钢结构的的P-Δ效应较强，一般应应验算结构的整体体稳定性。3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.2多高层层钢结构的计算算特点…21高层建筑钢结构构的P-Δ效应较强，一般般应验算结构的的整体稳定性。。但同时符合下下列条件时，可可不验算结构的的整体稳定。（1）结构各楼层柱柱的长细比和平平均轴压比满足足式中：λm－楼层柱的长细细比；Nm－楼层柱的平均均轴压力设计值值；Npm－楼层柱的平均均全塑性轴压力力；式中：fy－钢材的屈服强强度；Am－柱截面面积的的平均值；3/15/2023昆明理工工大学建建工工学院土土木木系4.2多多高层层钢结构构的计算算特点……22（2）结结构按一一阶线弹弹性计算算所得的的各楼层层层间相相对位移移值满足足式中：Δu－按按一阶线线弹性计计算所得得的层间间位移；；ΣFh－计算楼楼层以上上全部水水平作用用之和；；对不符合合以上两两条件的的高层建建筑钢结结构，需需验算结结构的整整体稳定定。ΣFv－计算楼楼层以上上全部竖竖向作用用之和；；3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.2多高层钢钢结构的计算特点点…233.承载力验算算钢结构构件的承载载能力应满足下列列公式要求：非抗震设计第一阶段抗震设计计时式中：γ0－结构重要性系数数；S－地震作用效应应组合设计值；R－结构构件承载载力设计值；γRE－结构构件承载力力的抗震调整系数数；构件名称梁柱支撑节点节点焊缝节点螺栓γRE0.800.850.900.901.01.0构件承载力抗震调调整系数3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.2多高层钢钢结构的计算特点点…244.位移限制不考虑地震作用时时，结构在风荷载作用用下第一阶段抗震设计计顶点侧移层间侧移层间侧移第二阶段抗震设计计层间侧移3/15/2023昆明理工大大学建建工学院土土木系系第四章多多高层钢钢结构设计计4.3多多层多跨跨框架设计计3/15/2023昆明理工大学学建工学学院土木木系4.3多层层多跨框架设设计…14.3.1构构件设计-框架梁设计计梁的抗弯强度度梁的抗剪强度度梁的整体稳定定梁的局部稳定定-框架柱设计计框架节点处实实现强柱弱梁梁设计概念的的计算要求3/15/2023昆明理工大学学建工学学院土木木系4.3多层层多跨框架设设计…2轴压比验算强度柱平面内、外外稳定验算柱的局部稳定定3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.3多层多多跨框架设计……3中心支撑构件可可用单斜杆、十十字交叉斜杆、、人字形或V形斜杆体系-中心支撑构件件设计时应注意1）在计算中心支支撑斜杆内力时时，地震力应乘乘以增大系数，，单斜杆支撑和和交叉支撑乘以以1.3，人字形支撑和和V形支撑乘1.5。2）在多遇地震作作用组合下，支支撑斜杆的抗压压验算按下式进进行：支撑斜杆宜采用用双轴对称截面面，当采用单轴轴对称截面时，，宜防止出现绕绕截面对称屈曲曲。3）刚度：满足足相关长细比的的要求3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.3多多层多多跨框架架设计……44.3.2连连接节点点设计-节点设设计的一一般要求求梁柱连接接柱柱连接接梁梁连接接满足传力力可靠、、构造简简单、具具有抗震震延性及及施工方方便的要要求。非抗震设设计，弹弹性受力力阶段设设计第一阶段段抗震设设计，弹弹性受力力阶段设设计第二阶段段抗震设设计，弹弹塑性受受力阶段段设计，，按照结结构抗震震设计遵遵循的原原则，节节点的极极限承载载力要高高于构件件本身的的承载力力。3/15/2023昆明理工工大学建建工工学院土土木木系4.3多多层多多跨框架架设计……54.3.2连连接节点点设计节点域稳稳定-节点计计算节点域抗抗剪强度度-节点设设计的一一般要求求梁柱连接接柱柱连接接梁梁连接接连接弹塑塑性设计计3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系第四章多高层层钢结构设计4.4组合楼楼盖设计3/15/2023昆明理工大学建建工学院土土木系4.4组合楼盖盖设计…1-确定楼盖结构方方案时，应考虑以以下要求：-保证楼盖有足够够的平面整体刚度度-减轻结构的自重重及减小结构层的的高度-有利于现场安装装方便及快速施工工-钢结构常用楼盖盖做法-压型钢板组合楼楼板-预制楼板-叠合楼板-普通现浇楼板-具有较好的防火火、隔音性能，并并便于管线的铺设设3/15/2023昆明理工大大学建建工学院土土木系系4.4组组合楼盖设设计…24.4.1压型钢钢板的形式式-闭口形槽槽口的压型型钢板-开口形槽槽口的压型型钢板，在在其腹板翼翼缘上轧制制凹凸形槽槽纹作为剪剪力连接件件-开口形槽槽口的压型型钢板，同同时在它的的翼缘上另另焊横向钢钢筋，以增增强抗剪切切粘结能力力4.4.2组组合板的的极限状状态-沿正截截面弯曲曲破坏-沿混凝凝土与压压型钢板板界面纵纵向水平平剪切破破坏-沿斜截截面剪切切破坏-冲剪破破坏3/15/2023昆明理工工大学建建工工学院土土木木系4.4组组合楼楼盖设计计…34.4.3组组合板的的设