钢框架-钢筋混凝土核心筒.ppt

高等钢结构课程报告 报告人 王峰 钢框架 混凝土核心筒结构 报告内容 一 高层钢结构的发展概况二 高层钢结构的优缺点三 钢框架 混凝土核心筒结构 一 高层钢结构的发展 1 国外的发展 形成期西方工业革命时期 铁钢开始用于建筑1872年法国巴黎Menier巧克力厂采用了钢框架结构 20世纪初 技术进步加速 电梯技术的完善 1931年纽约建成381m 102层 的帝国大厦 钢框架结构 206Kg m2 雄踞世界第一高40多年 美国哥伦比亚大厦 台湾101大楼 马来西亚双子塔 德国宝马总部大楼 解放前高层钢结构建筑甚少 最高的是1934年在上海建成的上海国际饭店 22层 高82 5米 中国大陆自20世纪80年代中期起步修建高层钢结构 先后在上海 北京 深圳 广州 大连 厦门等地建造了数十幢高层钢结构建筑 21世纪以来超高层建筑大多采用刚框架 混凝土核心筒体系 2 国内的发展 混凝土核心筒 钢巨型外伸桁架 钢骨混凝土巨型柱 上海金茂大厦 环球金融中心 由日本森海外株式会社主导兴建 总造价1050亿日元 地上101层 底下3层 位于陆家嘴金融贸易区 建筑总面积38 1万平方米 高度达492米 总用钢量5 23万吨 钢框架 混凝土核心筒结构 上海中心 深圳平安金融中心 二 高层钢结构的优缺点 优点承载能力高 自重轻 与钢筋混凝土结构相比要轻30 50 结构所占面积和空间小 另外钢结构断面小 与钢筋混凝土结构相比可增加建筑有效面积8 左右 抗震性能好 工厂化程度高 建设周期短 钢材可回收 对环境污染小 缺点钢材的抗火性能差 用钢量稍大 造价偏高 刚框架 钢筋混凝土核心筒结构有双重体系和单重体系之分 取决于框架部分的剪力分担率 二者有不同的设计要求 适用范围 最大适用高度和抗震设计等级 设计时应分别符合有关规定 三 高层民用建筑钢结构技术规程 9 1总则 9 1 2 第九章钢框架 钢筋混凝土核心筒结构 刚框架 钢筋混凝土核心筒结构的设计 应祖训现行国家标准 建设抗震设计规范 GB50011的有关规定 9 1 1 刚框架 钢筋混凝土核心筒结构有不同的形式 其框架部分除采用钢框架外 必要时也可采用钢管混凝土柱 或钢骨混凝土柱 和钢梁的组合框架 钢框架必要时可下部楼层用钢骨混凝土柱和上部楼层用钢柱 混凝土核心筒必要时可作为钢骨混凝土结构 此外 周边钢框架必要时可设置钢支撑加强 使钢框架成为具有较高侧向承载力的支撑框架 9 1 3 9 1总则 大连远洋大厦 中间核心筒混凝土墙中设钢骨架 为了使钢框架在刚度上有较好的过渡 减少主要承重构件对整体及构件本身刚度突变的影响 外框9层以下为钢骨混凝土柱 9层以上为箱型钢柱 6层以下为混凝土梁 7层以上为钢梁 钢梁为焊接H型钢 大连远洋大厦 钢框架 钢筋混凝土核心筒结构为双重体系时 其最大适用高度不宜超过现行国家规范 建筑结构抗震设计规范 GB50011对钢筋混凝土框架 核心筒 抗震墙 结构最大适用高度和钢框架 支撑结构最大适用高度二者的平均值 单重体系时 不宜超过GB50011对抗震墙结构规定的最大适用高度 9 1 4 9 1总则 钢框架 钢筋混凝土核心筒结构的抗震设计等级 钢框架部分和混凝土核心筒部分应分别符合现行国家标准 建筑抗震设计规范 GB50011的表6 1 2和表8 1 3的规定 框架下部采用钢骨混凝土柱上部采用钢柱时 应设置过渡层防止刚度突变 过渡层的柱刚度宜为上下楼层柱刚度之和的一半 9 1 5 9 1 6 9 1总则 钢框架 钢筋混凝土核心筒结构宜作为双重体系 钢框架部分按刚度分配的最大楼层地震剪力 不应小于结构总剪力的10 框架部分按刚度分配计算得到的地震层剪力应乘以的增大系数 达到不小于结构底部地震剪力的20 和最大楼层剪力1 5倍二者较小值 且不小于结构底部地震剪力的15 9 2 1 9 2双重体系和单重体系 说明 在地震作用下 由于钢筋混凝土核心筒侧向刚度较钢框架大很多 因而承担了绝大部分地震力 但钢筋混凝土剪力墙的弹性极限变形很小 约为1 3000 在达到极限变形时 钢筋混凝土剪力墙已开裂 而此时钢框架尚处于弹性阶段 地震作用在剪力墙和钢框架之间会实行再分配 钢框架承受的地震力会增加 而且钢钢架是重要构件 它的破坏和竖向承载力的降低 将危及房屋的安全 因而有必要对钢框架承受的地震力作更严格的要求 使其能适应强震时的大变形且保有一定的安全度 9 2双重体系和单重体系 当钢框架部分按刚度计算分配的最大楼层地震剪力小于10 时 钢框架 钢筋混凝土核心筒为单重体系 单重体系的混凝土核心筒的墙体应承担100 的结构总剪力 钢框架部分按刚度计算分配的剪力不宜小于结构总剪力的4 9 2 2 9 2双重体系和单重体系 说明 非双重体系的结构在美国称为房屋框架 是广泛采用的结构形式之一 有施工方便的优点 我国有广大的非地震区和6度设防区 而钢框架 钢筋混凝土核心筒结构是目前应用较多的一种结构形式 对100m以下高度的房屋可适当降低设计要求 但此时框架部分仍宜用一定的承载储备 9 2双重体系和单重体系 钢框架 混凝土核心筒结构双重体系设计时 可采取下列一项或多项措施 以提高钢框架的剪力分担率 1框架柱的间距不宜过大 混凝土核心筒尺寸应合理2采用钢骨混凝土或钢管混凝土柱的组合框架 3周边被刚框架用支撑加强 说明 为了满足双重体系的设计要求 钢框架的柱距不宜过大 设计表明 当框架柱距不大于6m左右时 双重体系要求不难满足 9 2 3 9 2双重体系和单重体系 钢框架 钢筋混凝土核心筒结构建筑平面的外形宜简单规则 宜采用方形 矩形等规则对称平面 并尽量使结构的抗侧力中心与水平合力中心重合 建筑的开间 进深宜统一 钢框架 钢筋混凝土核心筒结构 当高度超过150m时 宜设置伸臂桁架 必要时尚可在周边框架角部设置巨形SRC柱 与伸臂桁架相连 9 3 1 9 3 2 9 3结构布置 说明 对于高度较大的超高层建筑 周边钢架增设巨形柱时提高框架部分剪力担率的有效方法 通过与伸臂架相连 能有效地提高部分的剪力分担率 9 3结构布置 钢框架 钢筋混凝土核心筒结构设置地下室时 框架柱应至少延伸至地下室一层 框架柱竖向荷载应直接传至基础 刚框架部分采用支撑时 二级及以上抗震等级宜采用偏心支撑和耗能支撑 支撑在竖向应连续布置 在地下部分应延伸至基础 9 3 3 偏心支撑 9 3结构布置 钢框架 钢筋混凝土核心筒结构中 混凝土核心筒为主要抗侧力结构 应根据具体情况采取有效措施 保证核心筒的延性 钢框架 钢筋混凝土核心筒结构的楼盖 应具有良好的刚度和整体性 跨度大的楼面梁不宜支承在核心筒连梁上 9 3 3 9 3 4 9 3结构布置 高层建筑刚框架 钢筋混凝土核心筒结构在风荷载和多遇地震作用下的内力和位移应按弹性方法计算 钢框架 钢筋混凝土核心筒结构弹性分析的荷载和荷载效应组合 应按下列规定执行 1 竖向荷载应按现行国家标准 建筑结构荷载规范 GB50009规定取值 当楼面活荷载大于4KN m2时应考虑其不利分布 9 4 1 9 4 2 9 4结构分析和计算 2风荷载应按现行国家标准 建筑结构荷载规定 GB50009规定采用 对于特别重要的 承载力计算时基本风压应按100年重现期的风压值采用 位移计算时 基本风压可按50年重现期的风压值采用 9 4结构分析和计算 3当房屋高度大于200m时 或当房屋高度大于150m且有下列情况之一时 宜进行风洞实验 1 平面形状不规则或立面形状复杂 2 立面开洞或连体建筑 3 周围地形和环境复杂 4 当多栋建筑间距较近 又没有可提供参考的类似资料以了解其群体效应的互相影响 4在单向地震作用下应考虑偶然偏心的影响 每层楼面质心沿垂直于地震作用方向的附加偏心距可按下式计算 式中 第i层质心偏心距 各楼偏移方向相同 第i层垂直于地震作用方向的建筑物总长度 9 4结构分析和计算 钢框架 钢筋混凝土核心筒结构抗震计算时 机构的阻尼比不应大于0 045 也可按钢筋混凝土核心筒体 墙体 部分和钢框架部分在结构总变形中所占的比例折算为等效阻尼比 钢框架 钢筋混凝土核心筒结构在地震作用下的内力和位移计算所采用的结构自振周期 应考虑非结构构件的影响予以修正 修正时要考虑非结构构件的材料 数量及其与主题结构的连接方式 修正系数可取0 8 1 0 9 4 4 9 4 3 9 4结构分析和计算 在行进弹性阶段的结构整体内力和变形分析时 钢骨混凝土构件及钢管混凝土柱的刚度可按下列方法确定 1钢骨混凝土梁 柱及钢管混凝土柱截面的轴向刚度 抗弯度和抗剪刚度 可采取钢骨或钢管部分的刚度与钢筋混凝土部分的刚度之和 即 9 4 5 9 4结构分析和计算 钢筋混凝土部分的轴向刚度 钢骨 或钢管 部分的轴向刚度 钢筋混凝土部分的抗弯刚度 钢骨 或钢管 部分的抗弯刚度 钢筋混凝土部分的抗剪刚度 只计入与受力方向平行的腹板部分面积 钢骨 或钢管 部分的抗剪刚度 只计入腹板部分面积 式中 9 4结构分析和计算 2无端柱钢骨混凝土剪力墙可按相同截面的钢筋混凝土剪力墙计算轴向 抗弯 抗剪刚度 有端柱钢骨混凝土剪力墙 可按工形截面混凝土墙计算轴向和抗弯刚度 端柱中的钢骨可折算为等效混凝土面积后 计入工形截面的翼缘面积 墙的抗剪刚度可只计入腹板混凝土面积 9 4结构分析和计算 3考虑混凝土的开裂及徐变影响时 以及对于结构受力较大部分 在进行结构变形计算时 宜适当降低钢筋混凝土部分的抗弯刚度 降低系数可取0 6 0 8 但不得小于相同截面尺寸的钢筋混凝土的抗弯刚度 9 4结构分析和计算 9 4 6 当没有地下室或地下室顶板处不能作为嵌固端 而钢柱又采用埋入式柱脚时 钢柱的嵌固端取在基础定面向下1 5倍柱截面高度处 高度超过100m的钢框架 钢筋混凝土核心筒结构 宜进行模拟施工过程计算 当部分结构先施工时 应考虑其独立承受外部荷载的能力并确保其稳定 或视其承载能力确定允许现行施工的楼层数 9 4 7 9 4结构分析和计算 高度超过100m的钢框架 钢筋混凝土核心筒结构 宜进考虑混凝土后期徐变 收缩和不同材料构件压缩变形差的影响 并应采取相应措施进行措施进行调整 9 4 8 说明 超高层钢框架 钢筋混凝土核心筒结构安装时 应对每节钢柱上端标高进行调整 可采用设置填片或调整焊缝高度的方法 其数值可参考中国工程建设协会标准 高层建筑钢 混凝土混合结构设计规程 CECS230 2008第9章的条文说明 9 4结构分析和计算 9 5构件设计 二级及以上的钢框架梁柱连接 应采用考虑塑性铰外移的加强型连接 加强型连接可采用梁翼局部加宽式 翼缘板式 盖板等形式 采用钢骨混凝土柱和钢梁组成的框架时 柱骨与钢梁咋受弯平面的刚度比 宜符合传力要求 9 5 1 9 5 2 圆形钢管混凝土柱和矩形钢管混凝土柱的轴向受压承载力应符合下列规定 无地震作用组合时CFT柱条文需与新规程核对有地震作用组合时 9 5构件设计 9 5 3 式中 N 轴压力设计值 钢管混凝土柱的轴向受压承载力 轴向受压承载力抗震调整系数 取0 8 说明 建筑抗震设计规范 规定 承载力抗震调整系数对混凝土柱 当轴压比小于0 15时为0 75 轴压比不小于0 75时为0 80 对钢柱当强度破坏时为0 75 屈曲失稳时为0 80 钢管混凝土柱以前对此未作出规定 据此 建议对钢管混凝土柱取0 80 9 5构件设计 圆形钢管混凝土柱的轴向受压承载力应按下公式计算 当时 当时 9 5构件设计 9 5 4 式中 钢管混凝土短柱的轴心受压承载力 钢管混凝土套箍系数 与混凝土强度等级有关的系数 混凝土强度等级不大于C50时可取2 00 混凝土强度等于大于C50时可取1 80 与混凝土强度等级有关的系数 混凝土强度等级不大于C50可取1 00 混凝土强度等于大于C50时可取1 56 钢管材料的抗拉 抗压强度设计值 钢管内混凝土的轴心抗压强度设计值 钢管的横截面面积 钢管内混凝土的横截面的面积 9 5构件设计 考虑长细比影响的轴必受承载力折减系数 按表9 5 4采用 表9 5 4圆形钢管混凝土柱考虑长细比影响的轴心受压承载力折减系数 9 5构件设计 当时 考虑偏心影响的轴心受压承载力减折系数 按9 5 5条的规定计算 当时 式中 偏心距 钢管内横截面的半径 柱端弯矩设计值得较大者 柱轴压力设计值 9 5 5 9 5构件设计 圆形钢管混凝土柱的受剪承载力应符合下列规定 无地震作用组合时 有地震作用组合时 式中 剪力设计值 钢管混凝土柱的受剪承载力 受剪承载力抗震调整系数 取0 8 9 5构件设计 9 5 6 9 6连接计算和构造措施 楼面梁与钢框架柱可采用刚性连接 与混凝土核心筒体应采用铰连接 混凝土墙体与钢梁连接部位宜设置构造型钢 构造型钢应通长设置 不计入剪力墙承载力计算 当墙体为钢骨混凝土墙时 墙的钢骨可兼做构造型钢 楼面梁与构造型钢或钢骨柱的连接应采用铰接 9 6 1 9 6连接计算和构造措施 9 6 2 1 柱钢骨应采用实腹式 不得采用空腹式 中间柱钢骨宜采用十字形 角柱和边柱宜采用L行和T行 2 柱主筋宜在钢骨四角通过 避免在钢骨上穿孔 3 边柱的外侧面和梁的外侧面位于同一平面时 应考虑偏心影响 对柱进行有限元分析 刚骨混凝土构件应符合下列构造措施 9 6连接计算和构造措施 9 6 3 对钢框架 钢筋混凝土核心筒结构 伸臂桁架的构造要求如下 1 伸臂桁架宜贯穿混凝土核心筒 并宜在与伸臂桁架连接部位的混凝土墙内设置竖向钢骨 伸臂桁架的上 下弦与框架可以采用铰接连接 但也宜在柱内设置钢骨 2 加强层及其上下各一层的外框架 当采用钢骨混凝土柱时 应沿柱全高加密箍筋 钢柱的板件厚度比限值应按设防烈度提高一度的要求确定 9 6连接计算和构造措施 9 6 3 3 应适当增强加强层上 下板的刚度 楼板厚度不宜小于150mm 且不宜开较大洞口 楼板混凝土强度等级不宜小于C30 且应配置双向双排钢筋 采用压型钢板组合楼板的组合梁设计 宜符合下列要求 1 组合梁不适用于承受