钢结构的特点及分析控制.ppt

邵弘 钢结构的特点及分析控制 1 钢结构的特点2 分析模型3 钢结构的设计控制4 混合结构的设计控制5 总结 1 1 一般钢结构的特点 结构方案的随意性 结构没有明显的楼层概念 它只根据需要而设置钢梁 支撑 楼板等 建模时 采用大量的特殊手段 如层间梁 修改节点高度 错层梁 坡梁 斜柱 楼板开大洞 等等 建筑设计只满足功能的需要 不考虑结构的要求 如层 层刚度 薄弱层 位移比 侧移刚度 等等的概念 所以结构布置大多为空旷的 不规则的 刚度不均匀的空间结构 给分析带来一定的难度 结构薄弱点 由于结构存在较多的不规则 不连续性 多层钢结构大多都会产生多处局部振动 造成多处薄弱部位 给结构设计带来难度 水平支撑加变截面柱 变截面梁柱 多层钢结构工业厂房 空间塔围结构 普通多层钢结构 普通多层钢结构 特殊工业钢结构 1 2 高层钢结构的建模特点 高层钢结构往往带有 型钢构件 钢管构件 钢板剪力墙等等特殊的结构形式 设计时 应分别满足相应的设计规范 规程 对一些特殊工程 还应作模型试验 高层钢结构的建模 与高层混凝土结构的要求基本上符合 尽量避免错层 楼板不连续 平立面不规则 扭转不规则 高层钢结构往往采用大量的支撑 超高层钢结构大量采用支撑转换层 刚性层 建模时应尽量避免越层支撑 在高层混凝土结构的顶部加有钢塔时 建模要根据这类结构合理分析的需要 如 整体建模分析 分开建模分析等等 更要考虑等效质量 荷载的合理作用 应特别注意混合结构的建模方法 如剪立墙与钢梁的连接 高层钢结构 支撑为主要抗侧力结构 2 1 钢结构的局部振动 结构分析应满足相应的设计规范 规程 结构分析一般可以选择 弹性楼板 P 效应 总刚模型计算结构的振型 振型数应取得足够多满足有效质量系数 等等 结构的振型分析 可以观察到结构的薄弱部位 应尽量减少结构的面外振动 局部振动 采用面外加强的方式 减少局部振动和薄弱部位 当梁的高差较小 在梁高范围内 时 应简化成同一标高 这样可避免短柱的应力突变 造成设计超限 当结构为抗震控制 应尽量减少结构的刚度突变 减少薄弱层 板厚为0 产生大量的空旷结构 振型数要多取 振型需要取到60个才能满足要求 振型需要取到60个才能满足要求 局部振动的处理 当局部振型靠前 说明在此处形成薄弱部位的可能性越大 当第1振型就是局部振动时 可以肯定该部位是薄弱部位 在地震作用下 将首当其冲遭到破坏 局部振动产生的薄弱部位 往往是局部的刚度失却 如 楼板开洞太多 只有平面内支撑 没有平面外支撑 或两个方向的刚度差异太大造成 等等 改善结构的刚度 使之均衡 以避免局部振动 如 增加平面外的刚度等 建模的不当或计算模型的不合理 也会造成局部振动 通过增大振型数 保证有效质量系数等 产生局部振动的结构虽然是可以分析的 但是在设计时 还是应该尽量避免 2 2 钢结构的非线性分析 在钢结构分析时 应考虑P 效应 即简化的几何非线性 当结构受力特殊时 还应考虑材料非线性 即弹塑性分析 钢结构由于其材料的一致性 各向同性性 均匀性等 其材料非线性性能是比较容易模拟的 分析结果的真实性较高 所以 一些特殊钢结构工程 如 体育场馆 重要的构筑物等 都应考虑弹塑性分析 非线性分析也可以找到结构的薄弱部位 可以确定结构在大震下的承载能力 是目前普遍采用的方法 P 效应的计算选择 软件采用的计算方法 软件采用等效几何刚度的有限元法来考虑P 效应 P 效应是一种简化的几何非线性计算方法 一般结构还是属于小变形 所以P 效应是可以满足设计需要的 当需要考虑材料非线性时 应采用弹塑性分析 即弹塑性静力分析 PUSH 或弹塑性动力分析 EPDA 以得到结构大震下的承载能力 不考虑P 效应 不考虑P 效应 考虑P 效应 考虑P 效应 2 3 钢结构分析模型的简化 屋架的模型简化 刚性杆或采用刚性楼板假定 柱顶铰接 屋盖计算模型简化 平板网架的模型简化 定义超大房间按刚性楼板假定分析 网架荷载按集中力作用到四周 网壳的模型简化 网壳荷载按集中力作用到四周 超大房间按板厚为0考虑 注意网壳传给四周的水平推力 柱脚连接刚度的简化 一般上面两种柱脚连接 都按刚接处理 但是 实际情况却有出入 因为高强螺栓不能完全约束柱脚的位移 计算时按刚接处理 柱底约束偏刚 结构位移计算偏小 柱底内力偏大 柱顶内力偏小 箱形刚接柱脚连接 H形刚接柱脚连接 梁腹板高强螺栓连接刚度的简化 梁柱刚接的连接方式 翼缘焊接 腹板用高强螺栓连接 在计算时按刚接处理是合理的 柱梁铰接的连接方式 腹板用高强螺栓连接 这种连接实际上腹板还是有承载能力的 约是刚接的40 按铰接处理梁的跨中弯矩将偏大 梁支座处截面 腹板 没有进行强度验算 存在隐患 梁柱刚接 梁柱铰接 主次梁的连接同梁柱的铰接类似 也有刚度模拟问题 严格地说 钢结构的铰接是一种半刚接 如何合理的模拟这种半刚接 是需要研究的课题 3 钢结构的设计控制 在分析高层钢结构时 P 效应一般总是要考虑的 其它的设计选择应根据相应的规范 规程而定 梁柱节点域的变形问题 目前程序没有考虑梁柱节点域的剪切变形 这也是一个复杂问题 如考虑节点域变形 而梁柱采用节点以外的长度 与不考虑节点变形 而梁柱采用形心长度 这两种分析模型 对结构影响变化有多大 目前研究较少 节点剪切变形与节点域的加固程度有关 所以也不容易合理地估计 总之 只要对节点域加固 一般可以不考虑节点域的剪切变形 偏心支撑 在高层钢结构中设置偏心支撑 可以提高结构的整体延性 避免支撑附近构件内力突变 通过耗能梁吸收地震作用 从而达到抗震的目的 强柱弱梁的要求 根据 抗震规范 对钢柱作 强柱弱梁 的验算 但是可以有三个放松条件 所以用户可以对验算结果酌情参考 调整 长细比验算 当结构设计是抗震设计控制 则长度系数可以取1 0 层间位移 抗震规范规定 当地震力作用下的位移应小于1 300 当为高层钢结构时 可以放松到1 250 同时还应考虑舒适度的要求 控制顶点的加速度值 有侧移无侧移 1 当楼层最大杆间位移小于1 1000时 可以按无侧移设计 2 当楼层最大杆间位移大于1 1000但小于1 300时 柱长度系数可以按1 0设计 3 当楼层最大杆间位移大于1 300时 应按有侧移设计 结构有侧移无侧移的判定 有侧移 无侧移实际上与荷载作用有关 荷载组合基本按以下四类 1 恒 活 2 恒 活 风 3 恒 活 地震 4 恒 活 风 地震 其中 2 3 4类组合有可能是有侧移的 而第1类组合一般认为是无侧移 从抗震规范第8 2 3条 包含第3 6 3条 中的要求 并参考相应的 第3 6 3条 条文说明 在某种荷载组合作用下 可以通过结构的整体稳定系数来判定 公式如下 结构整体稳定系数 P 第i层以上的全部重力荷载设计值V 由水平荷载在第i层产生的楼层剪力设计值 由楼层剪力引起的第i层质心处的一阶弹性层间位移H 第i层的楼层高度上述公式适用于刚性楼板假定情况 也可以推广到一般情况 在不同的荷载组合作用下 水平荷载在第i层产生的楼层剪力是不同的 计算的楼层稳定系数也各有差异 当楼层稳定系数不超过0 05时 则可以把该楼层看作是无侧移的 根据这种方法 软件将进一步的改进 可以对每一组荷载组合时 判断有无侧移的情况 取用不同的长度系数 考虑P 效应 高层钢结构参数选择 支撑体系结构可以选择 框剪结构 0 25Qo的调整 中心支撑和偏心支撑 中心支撑可以提供较大的刚度 但是会造成柱内力的突变 尤其高层钢结构支撑轴力很大 柱将承担很大的剪力 所以中心支撑多用于多层钢结构 偏心支撑及其产生的耗能梁结构体系 可以提供较大的延性 在大震下耗能梁首先进入塑性 以吸收地震能量 从而减少震害 其多用于高层钢结构 耗能梁的设置和设计 耗能梁应设置在柱端部受力集中部位 另一端与偏心支撑相连 耗能梁可以理解为偏心支撑结构的 保险丝 在大震作用下通过耗能梁的非弹性变形来消耗地震能量 而使偏心支撑不屈曲 保证其承载能力 以保证结构在大震下的稳定性 为使偏心支撑能够承担耗能梁段的端部弯矩 支撑与梁应设计成刚接 耗能梁与偏心支撑结合的结构体系具有 1 弹性阶段的刚度接近中心支撑体系 2 弹塑性阶段的延性和消能能力接近于延性框架体系 偏心支撑结构体系的设计原则 强柱 强支撑 弱耗能梁 偏心支撑结构体系的种类 梁 支撑连接处按刚接设计 4 混合结构的设计控制 混合结构主要是指 1 型钢混凝土 钢组合结构 2 圆钢管混凝土结构 3 矩形钢管混凝土结构 4 钢与混凝土组合梁结构 型钢混凝土 钢组合结构 型钢混凝土结构中 常常伴有钢结构 以保证构件连接的顺畅 这种体系具有型钢混凝土结构的刚度和钢结构的延性 结构一般按区域布置 下部为型钢混凝土结构 上部为钢结构 上下部应按各自的结构性能要求来控制 当上部钢结构占据较多层 结构整体分析宜按钢结构 地震分析时 结构阻尼比宜按0 03 可以比纯钢结构略大些 圆钢管混凝土结构 圆钢管能有效约束其中的混凝土 使混凝土受到三向约束 混凝土的抗压强度和变形能力显著提高 矩形钢管则不具备这个效能 圆钢管混凝土一般用在大轴压力 或伴有大弯矩 的柱 大跨度柱 中 可以起到很好的效果 矩形钢管混凝土结构 矩形钢管对管内混凝土的约束作用远不如圆形钢管 但是它与空的箱形钢管比 承载力大大提高 而且容易与其它构件连接 钢管混凝土结构可以按 钢结构 来设计控制 材料的阻尼比可以比纯钢结构略大 钢与混凝土组合梁结构 组合梁结构在分析时 需要分施工阶段和使用阶段 施工阶段时 楼面只有钢梁 并要承担混凝土板的荷载 使用阶段时 可以考虑混凝土板与钢梁的共同工作 混合结构构件设计时 需遵循以下设计规程 型钢混凝土结构设计 需遵循 型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138 2001圆钢管混凝土结构设计 需遵循 钢管混凝土结构设计与施工规程 CECS28 90矩形钢管混凝土结构设计 需遵循 矩形钢管混凝土结构技术规程 CECS159 2004钢与混凝土组合梁设计 需遵循 钢结构设计规范 GB50017 2003 5 总结 设计技术要点 1 在软件编制中按照 建筑结构荷载规范 建筑抗震设计规范 钢结构设计规范 及 高层民用建筑钢结构技术规程 对钢构件进行截面相应的截面强度 整体稳定 局部稳定等的验算 2 按 高层民用建筑钢结构技术规程 计算地震力和地震参数 可对钢柱进行0 25Qo的基底剪力调整 3 在抗震规范的第八章中 对钢柱 钢梁和钢支撑以强制条文的方式 规定了杆件的宽厚比 高厚比和长细比 所以当遇到不满足强制性条文的规定时 软件将严格报错 以提示用户注意 钢结构的整体分析 1 钢结构的整体分析与混凝土结构一样 不但要满足抗震规范的相应条文 如 最小基底剪力 薄弱层 层刚度比 位移比 周期比 最大位移角等等控制 还应该根据钢结构变形较大的特点 考虑偶然偏心 双向地震 二阶变形效应 如 P 效应 对重要的结构还应考虑弹塑性变形分析 如 弹塑性动力时程分析 弹塑性静力推覆分析 2 当钢结构是由空间杆件组成 带有大量的空洞 交错结构 空间斜交结构 空间弧形构件 支架 塔架 桁架 屋架等等 在分析时会产生大量的独立的 弹性节点 这就要求在建模 分析时注意 复杂构件连接应尽量选择空间整体建模 如SPASCAD 整体分析时振型数应取得足够的多 应以 有效质量系数 大于90 为满足依据 3 钢的弹性模量比混凝土大的多 对钢结构可以按 一次性加载 计算恒载 钢结构允许变形大 分析应考虑P 效应 考虑P 效应后 水平位移增大约5 10 一般当杆间位移大于1 250时应该考虑P 效应 4 钢柱的 有侧移 或 无侧移 选择 可以按以下原则考虑 A 当楼层最大杆间位移小于1 1000时 可以按无侧移设计 B 当楼层最大杆间位移大于1 1000但小于1 300时 柱长度系数可以按1 0设计 C 当楼层最大杆间位移大于1 300时 应按有侧移设计 5 目前软件没有考虑钢梁柱节点的剪切变形 可以通过加强钢柱的节点域 如在节点中间夹焊缀板等方法 来提高节点域的刚度 减少节点域的剪切变形 这一点对H型钢的柱节点尤其重要 在高层钢结构设计中也是要重点关注的 钢结构的位移控制 1 抗震规范规定 当地震力作用下的位移应小于1 300 当结构为高层钢结构时 可以放松到1 250 同时还应考虑舒适度的要求 控制顶点的加速度值 2 同样钢结构也应该有偶然偏心 双向地震 并且位移