多高层钢结构.ppt

第三章，多层和高层钢结构，3-1概述，1。多层和高层钢结构的应用。1.中国建筑用钢消费量：占国外(美国、日本)钢总产量的20% 25%，仅占中国钢结构用钢200 300万吨(年产量：1亿吨)。2.典型的高层钢结构，高101层508米的台北第一国际金融中心(101层)，第二和第三吉隆坡槟榔屿大厦(双塔)建于1996年，高95层452米，第四西尔斯大厦高110层443米的美国芝加哥，第五上海金茂大厦高88层420米，第六国际金融中心大厦(二期)高416米的中国香港，第七中国深圳第八新兴广场大厦和美国纽约381米高的第九帝国大厦。 第十中心广场大厦高374米，位于中国香港世贸中心，高417米，高415米，共110层。阿拉伯联合酋长国的迪拜大厦(在建)据说是世界上第一座，建筑高度为95层，466米。上海环球金融中心第二层和最高层建筑的特点是钢结构，(1)重量轻、强度高，采用钢结构承重骨架，比钢筋混凝土结构轻三分之一以上。该结构自重轻，可降低运输和吊装成本，基础荷载也相应减少。在地质条件差的地区，地基的成本可以降低。(2)具有良好抗震性能的钢材具有良好的弹塑性和地震延性。自重轻也能显著降低地震作用，一般可降低40%左右，主要表现在：具有良好的综合经济效益和力学性能，(3)构件有效使用面积高，截面小，占地面积小；同时，建筑的层高可以适当降低。与同类钢筋混凝土高层结构相比，该建筑的可用建筑面积可增加约4%。(4)施工速度快的构件应在工厂制造，现场安装，现场施工作业区应宽敞。可以实现并行交换操作。与同类钢筋混凝土高层结构相比，工期一般可缩短约1/4 1/3。(5)对于防火性能差、无防火保护的钢构件，平均防火时限约为15分钟，明显低于混凝土结构。因此，当有防火要求时，必须用特殊防火涂料保护部件表面，以满足防火规范的要求。特点：平面布局灵活，可提供较大的室内空间，结构各部分刚度相对均匀。框架结构延性大，自振周期长，对地震作用不敏感，抗震性能好。然而，框架结构的横向刚度很小。由于侧向位移较大，很容易对非结构构件造成损伤，因此不宜建得太高。地震区纯框架结构体系一般不超过15层。(3)多层和高层建筑的钢结构系统，(1)框架结构，(2)框架支撑系统。当不满足纯框架的侧向位移时，可以采用带支撑的框架，即在框架体系中，沿结构的纵向和横向设置一定量的支撑。纵向设置的支架与横向设置的支架连接形成支撑芯筒。垂直支撑桁架作为剪力墙，可以获得比纯框架结构更大的横向刚度，并可以显著降低建筑物的层间位移。支架的形式和布置，在水平力的作用下，支架的顶部会产生很大的水平位移。此时，可以在顶层布置帽桁架，在中间层布置腰桁架。帽形桁架和腰形桁架使外围柱和核心抗剪结构共同工作，可以有效减小结构的侧向位移，大大提高刚度。腰部桁架之间的间距通常为12-15层，w越密集框架剪力墙结构体系剪力墙刚度大，地震时容易产生应力集中，导致墙体出现大的斜裂缝和脆性破坏。换句话说，框架结构的竖向接缝以一定的间隔设置在钢筋混凝土墙中。这样，墙体就变成了许多平行的壁柱，在风荷载和小地震作用下处于弹性阶段，保证了结构的使用功能。当强烈地震发生时，它进入塑性阶段并能吸收大量地震能量。每个壁柱继续保持其承载能力，以防止建筑物倒塌。剪力墙由厚度约为8 lomm的钢板制成，与钢框架组合作为刚性构件。框架-剪力墙结构体系中的剪力墙结构围绕内筒布置，形成封闭的核心筒，而外钢框架柱网相对密实，形成框架-核心筒体系。中心筒体可采用钢结构或钢筋混凝土结构。核心筒承受全部或大部分水平力和扭力。楼板大多采用钢梁、压型钢板和现浇混凝土组合结构，与内外筒连接良好，水平荷载通过刚性楼板传递给核心筒。钢和钢筋混凝土管结构的水平刚度取决于核心管的高宽比。4.框架-核心筒结构体系。5.管结构由内管和外管(管中管)或多个管结构(管束系统)组成。共同抵抗水平力，空间效果好。适用于90层左右的钢结构建筑。6.悬挂结构，1。确定合理的结构形式和节点连接(形式)方法；2.选择结构和连接材料，提出相应的技术性能指标；3.维护结构的选择(从结构上考虑)；4.部件的形式和截面尺寸的初步估算；5.载荷收集和载荷组合；6.地震作用计算；7.结构变形和内力计算；8.内力组合及构件截面验算；9.连接的设计和计算；10.维修结构的设计和计算；11.基本设计；12.其他。结构设计的一般步骤，3-2高层钢结构的计算特点，1。结构荷载类型，垂直荷载：永久荷载(自重和使用荷载)，水平荷载：风荷载，地震作用：水平和垂直，2。负载计算，1。风荷载，2。地震作用计算，3。计算的一般原则，1。高层钢结构的内力和位移一般用弹性方法计算。对于有抗震设防要求的结构，除了计算频繁地震下的弹性效应外，还应考虑结构在罕遇地震下可能进入弹塑性状态，应采用弹塑性方法进行分析。高层建筑钢结构通常采用现浇复合楼板，一般假定楼板在其平面内是绝对刚性的。但在设计中应采取结构措施保证楼板的整体刚度，如增加梁式抗剪构件、非刚性楼板和整体浇筑层等。对于整体性差、开口大、外伸截面长或相邻楼层刚度突变的楼层，当楼层整体刚度无法保证时，应采用楼层平面内的实际刚度。由于楼板与钢梁连接在一起，在进行多层和高层钢结构弹性分析时，应考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的连接工作，此时应保证楼板与钢梁之间的可靠连接。进行弹塑性分析时，楼板可能会严重开裂。因此，考虑楼板和钢梁的连接工作是不合适的。4.多层和高层钢结构的计算模型应根据具体的结构形式和计算内容进行规定。一般情况下，可以采用平面抗侧力结构的空间协同计算模型。当结构布置规则时，质量和刚度沿高度均匀分布，不考虑扭转效应，可采用平面结构计算模型。当飞机或电梯在钢框架-剪力墙体系中，现浇竖向连续钢筋混凝土剪力墙的计算应包括墙体的弯曲变形、剪切变形和轴向变形。当钢筋混凝土剪力墙有规则的开口时，可以用带刚性区的框架进行计算。当有复杂开孔时，应采用平面有限元法进行计算。7。柱间支撑的两端应刚性连接，但可根据两端的铰接计算。应通过支撑构件的计算长度来考虑端部连接的刚度。如果采用偏心支撑，耗能梁截面在大地震时将首先屈服，计算时应将其作为独立单元。梁柱的截面形式， (1) PKPM系列钢结构计算机辅助设计软件STS(2)STAAD/CHINA 000钢结构设计与绘图软件(3) ANSYS (4)芬兰Xsteel中文版智能钢结构详细设计系统(5) StruCad 3D钢结构详细设计系统(6) SCIA钢结构计算机辅助工程/计算机辅助设计/计算机集成软件(7) PS2000门式刚架轻型房屋设计计算机辅助设计系统(8)门式刚架轻型房屋钢结构软件GFCAD(9)PDSoftTeelWorks 3D钢结构设计与分析计算软件(10)同济多层和高层钢结构设计系统MTSteel (12)广厦钢结构CAD系统，(5)内力和位移计算。 1.钢结构的静态和动态分析通常应通过计算机完成。(1)在地震和风荷载作用下，采用d值法。(2)在竖向荷载作用下，采用分层法或弯矩重分配法；3)分析结构内力时应注意的问题，(1)节点板域剪切变形的影响，以及节点域剪切变形对高层钢结构水平位移的影响一般可达10% 20%。(2)p-效应的影响，竖向荷载作用下由于水平位移引起的内力和位移增大的现象，即p-效应。一阶弹性分析，一级设计采用线弹性计算方法，竖向荷载和水平荷载下的内力和位移相互独立，两者的内力和位移可以直接相加。二阶弹性分析(非线性分析)。约50层的高层钢结构的P-效应引起的二阶内力和位移可达15%以上。在地震作用下，抗震设计规范规定，当地震作用下的附加重力弯矩大于初始弯矩的10%时，应考虑重力的二阶效应。6.位移限制。1.在风荷载作用下，高层建筑钢结构顶点的质心侧向位移不应超过建筑高度的1/600，质心层间的侧向位移不应超过楼层高度的1/400。结构平面端构件的最大横向位移不得超过质心横向位移的1.2倍。2.高层建筑钢结构的一级抗震设计，层间侧向位移标准值不得超过结构高度的1/250。在高层建筑钢结构抗震设计的第二阶段，层间侧向位移不得超过层高的1/70，层间侧向位移延性比不得超过下表的规定。3-3压型钢板组合楼(屋)的结构，在确定楼板结构方案时，首先要考虑以下要求：(1)保证楼板有足够的整体平面刚度；(2)降低结构自重和结构层高度；(3)便于现场安装和快速施工；(4)防火隔音性能好，管道敷设容易。高层建筑钢结构最常用的方法是在钢梁上铺设压型钢板，然后燃烧并注入整体钢筋混凝土板形成复合楼板。钢与混凝土复合地板(屋)盖，2，复合地板设计要求，1。复合地板常用的压型钢板一般由0.8-1.0毫米厚的热镀锌板组成，长度为8-12米.紧固件sh既可用作模板又可用作抗拉钢筋的压型钢板组合楼板的设计应分阶段进行检查，即施工阶段和使用阶段。(3)组合梁的设计要求。组合梁由钢筋混凝土翼板、剪力连接件和钢梁组成。1.组合梁翼板的有效宽度。2.组合梁的截面设计。组合梁截面高度一般为跨度的1/151/16。钢梁的截面高度不应小于组合梁总高度的1/2.5。截面设计计算方法：弹性分析法，塑性分析法，3。组合梁连接件设计，(1)形式，(2)功能，3-4个构件及其连接设计特点，1。横梁设计，1。力量，2。整体稳定性，3。局部稳定性，4。刚度，2。柱设计，1。强度和稳定性，2。板宽厚比，3。长细比，7度及以上设防，6度及以上非抗震设防，3。抵抗侧向力的结构设计。1.中心支撑内力计算特点。竖向支撑作为竖向桁架的对角线，主要承受水平荷载(风荷载或频繁地震作用)产生的剪力。然而，由于高层建筑在水平荷载作用下的大变形，它们还承受着重力和水平力作用下的水平位移和重力荷载引起的附加弯曲效应。水平位移主要由两部分引起，即楼板安装的初始倾斜率和荷载作用下楼板的侧向位移。因此，在计算支座内力时，还应考虑附加剪力的影响。(2)框架柱在重力荷载作用下的弹性压缩变形，会在斜撑、人字撑和V形撑的斜杆上产生附加压应力。因此，在计算这种类型的支撑截面时，应考虑附加压应力的影响。(3)如果人字撑的受压对角线受压屈曲，将导致框架横梁大变形，整个系统的抗剪能力下降。因此，在设计频繁地震下的支架时，人字形和V形支架的斜杆内力应乘以1.5的增加系数。同时，斜撑和单斜撑的斜内力也应乘以1.3的增加系数，以提高斜撑的承载力。2。计算内容，整体稳定性，局部稳定性，刚度，4。框架梁柱连接节点设计，节点结