高层钢结构设计讲义.ppt

第五章 高层钢结构设计,5.1 高层钢结构的体系和布置 5.2 高层钢结构的荷载及效应组合 5.3 高层钢结构的内力与位移分析 5.4 高层钢结构的构件及节点设计,5.1 高层钢结构的体系和布置,人口增长，住房紧张，地价昂贵，导致高层和超高层建筑迅速发展。 50层-100层-？,一、高层钢结构的特点,高层钢结构的特点,结构性能的特点（和钢筋混凝土相比） 自重轻 抗震性能良好 能更充分地利用建筑空间 建造速度快 防火性能较差 耐久性差,高层钢结构的特点,结构荷载的特点 水平荷载是设计控制荷载； 风荷载和地震荷载性质不同： 风荷载为直接施加在建筑物表面的风压，其值与建筑物的体形、高度及地形地貌有关，高层钢结构一般属于柔性建筑，自振周期较长，可能由于风振产生动力作用，可引入风振系数后按静载简化计算，风荷载作用时间长、频率高，要求结构在风荷载作用下处于弹性阶段； 地震荷载是地震时地面运动迫使结构发生振动时产生并作用于自身的惯性力，与建筑物质量、自振特性和场地土条件有关，其动力反应影响较大，必须按动力效应分析计算，“大震不倒、小震不坏”；,高层钢结构的特点,结构设计的特点 设计中要求更加注意对变形的控制，如顶点侧移层间侧移等； 设计中要求采用更准确和完善的设计方法，如考虑p-效应的非线性分析方法、罕遇地震的弹塑性时程分析方法；,高层钢结构的特点,结构体系的特点 结构体系：抗重力系统+抗水平侧力系统； 为确保结构整体工作，需设置水平刚性楼板； 柱脚应与基础可靠嵌固；,二、高层钢结构体系,高层钢结构体系,框架结构体系（梁、柱刚接）： 包括各层楼盖平面内梁格系统和竖直平面内梁、柱组成的平面刚接框架体系； 结构体系的整体性取决于梁、柱的刚度、强度以及节点刚接构造的可靠性； 层数、层高和柱距是结构设计应该考虑的主要因素； 对30层左右的楼房较为合适。,高层钢结构体系,框架结构体系 水平荷载是刚接框架结构设计的控制荷载，水平荷载作用下，结构的变形由弯曲变形和剪切变形两部分组成，后者可占总水平位移的80%。 优点是建筑平面布置灵活，适用于各类建筑；缺点是侧向刚度较差，在风荷载或地震荷载作用下，层间侧移较大。,高层钢结构体系,框架-剪力墙结构体系 剪力墙是承受水平剪力、控制结构水平侧移的行之有效的结构措施； 剪力墙包括钢筋混凝土剪力墙、钢板剪力墙及刚度较大的支撑；,高层钢结构体系,框架-剪力墙结构体系 在水平荷载作用下，框架受弯，剪力墙受剪，共同承受水平荷载作用； 框架-剪力墙结构适用于40层左右的高层钢结构，结构高于40层时，应采取加强和改进措施，如在楼高度适当位置加设水平层桁架；,高层钢结构体系,外筒式结构体系 将几何尺寸较大的外圈柱网组成能够承受水平荷载的筒体，由该外筒体承受水平荷载，筒体内框架梁柱承受竖向荷载； 外筒可做成框架式筒或桁架式外筒，框架式外筒采用密排的柱和各层楼盖处的梁刚接而成的密间距矩形网格，四周成圈，形成悬臂筒，适合高度为80层；桁架式外筒通过在框架式外筒的基础上设置支撑构件，增大筒体刚度，适合高度为100层。 剪力滞后现象；,高层钢结构体系,筒中筒结构体系 除外筒外，在结构体系内设置剪力墙式的内筒（核心筒）进一步提高结构抗侧刚度，即为筒中筒结构体系。 楼盖把外筒和内筒联合为整体，共同承担水平和竖向荷载，筒中筒体系的适合高度为100层左右。,高层钢结构体系,筒束结构体系 将多个筒体排列成整体，共同承担结构的水平和竖向荷载，就形成了筒束结构体系，可以改善剪力滞后现象，适用高度为110-120层，采用桁架式筒束结构时，高度可达140层。,高层钢结构体系,钢-混凝土组合结构体系 钢外框架-钢筋混凝土核心筒体系 钢筋混凝土外框筒-钢内框架体系,高层钢结构体系,钢外框架-钢筋混凝土核心筒体系 钢筋混凝土核心筒承受全部侧向荷载，钢外框架仅承受竖向荷载 优点：钢外框架不承受水平荷载，节点构造简单，跨度大，建筑布置方便灵活；缺点：核心筒布置不灵活，侧向刚度不够大； 适用高度20-40层,高层钢结构种类,钢筋混凝土外框筒-钢内框架体系 钢筋混凝土外筒承受全部侧向荷载，钢内框架仅承受竖向荷载 优点：钢内框架不承受水平荷载，节点构造简单，跨度大，建筑布置方便灵活；混凝土外筒隔热性能好，节能降耗。同时，钢筋混凝土外筒抗扭刚度较大，故对结构外形不要求完全对称，平面布置较为灵活。 适用高度50-80层,三、高层钢结构的布置,高层钢结构的布置,结构平面布置 建筑平面及体型宜简单规则：力求抗侧力中心与水平荷载中心重合，减小结构扭转效应；建筑开间、进深应尽量统一，减少构件规格，便于制作和安装。 平面不规则的结构包括：任意一层结构偏心率大于0.15；结构平面形状有凹角，凹角部分两个方向的长度都超过建筑物尺寸的25%；楼面不连续或有刚度突变，如开洞面积超过该层总面积的50%；抗侧力构件不平行也不对称于抗侧力体系的主轴。,高层钢结构的布置,结构平面布置 高层建筑宜选用风压较小的平面形状，风荷载计算时应考虑相邻建筑的影响，应避免风荷载引起的横向振动。 高层建筑宜优先采用方形、圆形、矩形及其他对称平面。 高层建筑钢结构不宜设置抗震缝或伸缩缝。 高层建筑钢结构在平面布置中宜设置中心结构核心，楼梯、电梯、管道等宜设置于结构核心中，不宜设置在结构角部或端部。,高层钢结构的布置,结构竖向布置 高层钢结构竖向布置应力求结构刚度和质量均匀，规则。 竖向布置不规则的情况包括：楼层刚度小于相邻上层刚度的70%，且连续三层总的刚度降低超过50%；相邻楼层有效质量之比超过1.5，轻屋盖除外；立面收进部分尺寸较大时；竖向抗侧力构件不连续；任一楼层抗侧力构件总抗剪承载力小于相邻上层的80%。,高层钢结构的布置,结构布置的其他要求 高层钢结构的楼板必须有足够的承载力、刚度和整体性，保证楼板与钢梁的可靠连接。 对转换楼层、设备、管道洞口较多的楼层或建筑物有较大天井时，应采用水平刚性支撑、水平桁架或其他措施对楼板进行加强，增大结构抗扭刚度。 设防烈度为7度或以上时，各种幕墙与主体结构的连接应采用柔性连接，避免增大主体结构刚度。 室外的钢结构构件，应采取隔热和防火措施，减少温度应力的影响。,四、高层钢结构的材料选用,高层钢结构的材料选用,高层钢结构钢材力学性能保证项目 基本保证项目：抗拉强度，屈服点，伸长率，冷弯试验，冲击韧性，板厚方向断面收缩率 抗震结构钢材附加规定：强屈比=1.2，明显的屈服台阶，伸长率20%，可焊性,高层钢结构的材料选用,化学成分保证项目 除对钢材的一般要求外，还应将碳、硫、磷等3项化学成分作为保证项目。 钢材的选用 宜用：q235b、c、d，q345b、c、d、e 不宜用：q235a，q345a，q390(15mnv)，15mnvq(桥)，16mnq,5.2 高层钢结构的荷载及效应组合,1竖向荷载：按荷载规范的有关条文选取 2风荷载 3地震作用,二、风荷载,风荷载,基本风压乘以1.1或1.2 风压高度变化系数 风荷载体型系数按规范取值，并应考虑相邻建筑的影响， h0=h/2时,增大系数d=2h,1.0，中间值内插，必要时进行风洞试验 沿高度为等截面时，顺风向风振系数按规范规定取值，顶部有小体型的突出部分（如电梯井、瞭望塔）时，确定风振系数时应考虑鞭梢效应。 圆筒形高层建筑钢结构在风荷载作用下，可能发生横风向的涡流共振现象。,三、地震作用,地震作用,三水准，两阶段： 小震不坏，中震可修，大震不倒； 多遇地震作用下的承载力和变形验算-底部剪力法/振型分解反应谱法/时程分析法； 罕遇地震作用下的弹塑性变形验算-时程分析法/推倒分析方法。,地震作用,第一阶段抗震设计的原则： 沿结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用，各方向的水平地震作用全部由该方向的抗侧力构件承担； 有斜交抗侧力构件时，宜分别沿各抗侧力构件方向考虑水平地震作用； 应考虑结构偏心引起的扭转效应；,地震作用,第一阶段抗震设计的原则： 对8度及以上、平面特别不规则的高层钢结构，宜按双向水平地震同时作用进行抗震分析； 9度设防的高层钢结构及8度及以上高层钢结构中的大跨度和长悬臂构件应考虑竖向地震作用； 高层钢结构体型过于复杂，不能按平面结构分析时，可进行三维空间分析，并考虑结构空间振型及其耦连作用。,地震作用,振型分解反应谱法 第一阶段抗震设计 地震影响系数 重力荷载代表值 参与组合振型数 组合方式 基本周期的估算,地震作用,时程分析法 弹性时程分析法/弹塑性时程分析法； 地震波应反映当地场地特性，实测地震波或人工模拟地震波； 地震波持时不宜过短，10-20s； 加速度峰值根据设防烈度取值，比例调整法和综合调整法；,地震作用,时程分析法 时间步长不宜超过地震波卓越周期的1/10及0.02s，可按步长减半计算后结构反应无明显变化的原则确定； 高层钢结构阻尼比：第一阶段0.02，第二阶段0.05； 高层钢结构弹塑性时程分析应考虑p-效应对结构侧移的影响；,地震作用,时程分析法 高层钢结构弹塑性时程分析可采用杆系模型或层间模型。 采用杆系模型时，梁柱恢复力模型可采用二折线，不考虑刚度退化，钢筋混凝土剪力墙、核心筒等采用二折线或三折线，考虑刚度退化，钢支撑和耗能连梁应按构件特性确定其恢复力模型； 采用层间模型时，可采用静力弹塑性分析确定结构恢复力模型的骨架曲线，静力弹塑性分析的水平力分布应与地震力分布一致或接近。,四、荷载效应组合,荷载效应组合,不考虑地震的组合：,考虑地震的组合,5.3高层钢结构的内力与位移分析,一、一般原则和基本假定,一般原则和基本假定,高层钢结构内力及位移一般按弹性方法计算，并考虑各种抗侧力结构协同工作，罕遇地震作用下允许结构进入弹塑性状态，应进行弹塑性分析； 通常采用现浇组合楼盖，可假定其在自身平面内为绝对刚性，相应地，在设计中应采取构造措施保证楼板刚度；,一般原则和基本假定,楼板与钢梁连接，在弹性分析中，考虑二者共同工作，在弹塑性分析中，楼板可能开裂，不宜按共同工作考虑； 高层钢结构计算模型应按具体结构形式采用平面或空间模型；,一般原则和基本假定,在内力和位移计算中，应考虑梁柱弯曲变形和柱轴向变形，梁轴力一般较小，可不考虑梁的轴向变形，高层钢结构梁柱构件长度一般较小，应考虑梁柱的剪切变形； 梁柱节点域剪切变形对结构内力影响较小，但对结构侧移影响较大，应根据节点域刚度对结构侧移进行修正；,一般原则和基本假定,一般情况下，柱间支撑按两端铰接考虑，偏心支撑中的耗能梁段应取为单独单元； 现浇钢筋混凝土剪力墙可按独立竖向悬臂弯曲构件考虑，剪力墙开孔较规则时，按带刚域的框架考虑，开孔较为复杂时，可采用平面有限元法分析； 沿结构平面两个主轴方向分别计算水平地震效应时，共有钢柱内力应按提高30%计算。,二、内力与位移的计算方法,内力与位移的计算方法,平面或空间的有限单元法：杆单元、梁单元、板单元 近似计算方法：框架结构/框架-剪力墙结构/框筒结构,三、整体稳定验算,整体稳定验算,不验算整体稳定性的条件： 结构各楼层的柱子平均长细比和平均轴压比满足：,按一阶线弹性计算的各楼层层间相对位移值,整体稳定验算,整体稳定的验算方法 有支撑且u/h=1/1000的有支撑结构，可采用能反映p-效应的二阶分析方法验算；,四、位移限值和舒适感验算,位移限值和舒适感验算,位移限值 不考虑地震作用：1/500； 1/400 多遇地震作用：1/250 罕遇地震作用：1/70 舒适度验算 高层钢结构在水平脉动风作用下，其水平运动加速度应满足居住舒适度的要求； 顶点加速度限值：公寓 0.2m/s2; 公共建筑 0.3m/s2; 顺风向及横风向顶点加速度计算公式,5.4高层钢结构的构件及节点设计,梁 轴心受压柱 框架柱 中心支撑 偏心支撑,梁,梁的抗弯强度； 梁的稳定性； 梁的侧向支撑点（塑性铰区域）； 梁的局部稳定性（一般区域和塑性铰区域）； 多遇地震下的承载力验算时，托柱梁内力增大系数1.5 。,轴心受压柱,轴心受压柱的稳定性； =120。,框架柱,偏心受压柱的强度和稳定性； 框架柱的计算长度： 柱与上、下端汇交的梁的线刚度之和的比值决定框架柱计算长度，如有两端铰接柱，计算长度应乘以放大系数,框架柱,强柱弱梁验算； 局部稳定（板件宽厚比）； 梁柱连接处应设置与梁上下翼缘相对的加劲肋； 设防烈度7度及以上，=60-80；设防烈度6度或不抗震，=120； 多遇地震下的承载力验算时，与抗震墙相连的框架柱内力增大系数1.5。,中心支撑,中心支撑可采用单斜杆、十字交叉斜杆、人字形或v形斜杆体系； 两组不同方向的单斜杆及十字交叉斜杆可按拉杆设计； 局部稳定性：板件宽厚比； 计算中心支撑杆件内力时，地震力应乘以增大系数：单斜杆/十字交叉斜杆1.3，人字形或v形斜杆体系1.5；,中心支撑,多遇地震效应组合下，支撑斜杆稳定性验算：,为循环荷载作用下强度设计值降低系数。,偏心支撑,偏心支撑应至少在一端与梁连接，其连接点偏离梁柱节点或相对方向的另一支撑与梁连接的节点，从而在支撑与柱之间或支撑与支撑之间形成耗能梁段，耗能梁段一般比支撑斜杆的承载力低，同