附高层钢结构对照.ppt

高层钢结构框筒结构,框筒结构是筒体结构的一种结构布置（筒中筒）适用的建筑高度可超过90层（因横向刚度较大）,结构及受力特点：,1）内部设置剪力墙式的内筒，与其他竖向构件主要承受竖向荷载；,2）外筒体采用密排框架柱和各层楼盖处的深梁刚接，形成一个悬臂筒（竖直方向）以承受侧向荷载；,3）同时设置刚性楼面结构作为框筒的横隔。,高层钢结构束筒结构,由各筒体之间共用筒壁的一束筒状结构组成(减缓框筒结构的剪力滞后效应),可较灵活地组成平面形式,钢筋混凝土筒体(常作为内筒出现),可将各筒体在不同的高度中止,密柱深梁的钢结构筒体,筒体,钢结构和有混凝土剪力墙的钢结构高层建筑的适用高度（m）,芯筒体系,亦称悬挂结构（内筒受弯）；打破了密柱深梁对建筑设计的桎梏；实现优势互补（充分发挥钢结构抗拉强度高和钢筋混凝土结构抗压性能好的优势）；通常设置一些称为帽桁架和腰桁架的水平桁架。,支撑框筒结构或桁架筒体结构,支撑系统覆盖了整个建筑物表面；是较框筒结构更为优越的抗侧力体系。,框筒结构布置时的注意事项,框筒结构高宽比不宜小于4；（更好地发挥框筒的立体作用）内筒的边长不宜小于相应外框筒边长的1/3；框筒柱距一般为1.53.0m，且不宜大于层高；框筒的开洞面积不宜大于其总面积的50；内外筒之间的进深一般控制在1016m之间；内筒亦为框筒时，其柱距宜与外框筒柱距相同，且在每层楼盖处都设置钢梁将相应内外柱相连接；,框筒结构布置时的注意事项（续）,控制角柱截面积为非角柱的1.52.0倍；外框筒为矩形平面时，宜将其作成切角矩形；（以削减角柱应力）为提高内外筒的整体性能以及缓解剪力滞后，可设置帽桁架和腰桁架；腰桁架一般布置于设备层；帽桁架和腰桁架一般是由相互正交的两组桁架构成，等距满布于建筑物的横(纵)向。,基础埋深的考虑,应敷设地下室（补偿基础、增大结构抗侧倾能力）有抗震设防时，高层结构部分的基础埋深宜一致、不宜采用局部地下室；基础埋深：（从室外地坪或通长采光井底面到承台底部或基础底部的深度）1）采用天然地基时，不宜小于H152）采用桩基时，不宜小于H20H：室外地坪至屋顶檐口的高度当有可靠根据时，基础埋深可适当减小。,室外地面标高至基础底面的距离,高层建筑钢结构,抗重力体系,结构体系,抗侧力体系,竖向重力,水平力,抵抗,抵抗,高度增大,抗侧力体系,成为结构体系的主要部分,高层钢结构的抗侧力体系,抵抗,一、抗侧力体系基本单元,抗侧力单元,支撑桁架,钢框架,筒,高层建筑钢结构（包括钢砼组合结构）,钢框架,支撑桁架,筒抗侧力,支撑桁架+框架,密柱深梁,钢砼剪力墙,（密柱深梁）,筒,(支撑桁架+框架),筒,(钢砼剪力墙内筒),筒,钢框架或钢筒,基本单元的组合,基本单元的组合,基本单元的组合,基本单元的组合,基本单元的组合,基本单元的组合,抗侧力体系,抗侧力体系,二、钢框架体系,1、做法,把梁柱刚接成整体，形成空间杆系结构是最早出现、也是最基本的抗侧力体系,2、特点,A、平面布置比较灵活，可以获得大空间,B、安装简单方便，造价相对较低,C、应用于30层以内的高层建筑,D、在水平力作用下，抗侧力刚度小，顶层位移大,顶层水平位移,层间水平位移,由柱弯曲剪切变形引起,层间水平位移,梁弯曲剪切变形引起,框架弯曲变形引起,柱弯曲、剪切变形引起层间位移ic,梁弯曲、剪切变形引起层间位移ig,相对较小,梁、柱,抗弯、抗剪刚度较小,抗轴向刚度较大,相对较大,相对较大,框架抗侧力刚度小，顶层位移大,3、实例,长富宫中心,北京地上25层，地下2层,94m1987年建成,2层以下和地下室为型钢砼结构,以上全部为钢框架结构,结构钢材,(日本钢材),柱及主梁:SM50A,次梁及压型钢板:SS41,高强度螺栓:F10T,构件截面,焊接箱型截面,厚度4219,450450,焊接H型截面,宽度200250,梁高650,翼缘板厚度3219,腹板厚度12,轧制H型钢,1.2mm压型钢板上浇混凝土楼板,压型钢板支承于跨度小于3m的钢梁上,层高,6.8m,4.5m,5.0m,3.3m,4.3m,4.1m,3.3m,钢框架支撑体系,1、做法,把钢框架和支撑桁架共同组合，作为抗侧力体系,2、特点,A、平面布置比较灵活，不能获得大空间,B、安装较为简单方便,C、应用于3060层的高层建筑,D、抗侧力刚度比钢框架大,剪切形,3、支撑分类（两种分类方法）,按支撑杆的设置方法,支撑杆一端位于梁柱节点，另一端与另一支撑杆相交于框架梁或节点上,支撑杆端点位于梁柱节点或节点之间,耗能梁段,轴交支撑（分沿中心布置和非中心布置）,轴交支撑特点,用于抗风或不太强的地震力,当有强震作用时，会有如下严重后果,A、地震反复作用下,两支撑杆会先后压屈,支撑抗侧力刚度降低,C、往复的地震作用,支撑斜杆会从受压的压屈状态,受拉的拉伸状态,支撑斜杆、节点、相邻构件中将产生很大附加应力,结构受冲击作用,D、地震反复作用下,两支撑杆会先后压屈后不能恢复（拉直）,B、支撑的两侧柱子产生压缩变形和拉伸变形时，由于支撑的端点实际构造做法并非铰接，而导致支撑产生较大的附加内力及应力,偏交支撑,偏交支撑特点,用于地震烈度大的地区,A、存在一小段耗能梁段,B、地震作用时，耗能梁段先屈服，消耗地震能量，保护支撑杆,a、耗能梁段的受弯承载力大于受剪承载力,b、耗能梁段的设计剪力不超过剪力承载力的80%,c、提高支撑杆的受压承载力，使其至少应为耗能梁段屈服时相应支撑轴力的1.6倍,d、塑性铰应出现在梁而不是柱上,支撑桁架设置在中心位置时,框架竖向支撑体系,加劲的框架竖向支撑体系,框架竖向支撑体系,框架竖向支撑体系,每层设置支撑,跨层设置支撑,每层设置,跨层设置,杆件、节点数量多，费用高，传力路线长,与上面相反，但杆件长,加拿大国家银行大厦,蒙特利尔地上31层，地下7层,127.08m1983年建成,7层以下为钢砼结构,以上全部为钢框架竖向支撑体系,构件截面,焊接H型截面,厚度50,760760（最大）,W610,梁高610,W410,压型钢板肋高76mm,混凝土楼板140mm,梁高410,间距3m,加劲的框架竖向支撑体系,在设置竖向支撑的基础上，在顶层和每隔15层左右，沿房屋两个方向全长设置横向的伸臂桁架,伸臂桁架,伸臂桁架,15层,设置伸臂桁架和腰桁架（帽桁架）,楼层,水平加强层,设在设备层或避难层,腰桁架（帽桁架）,使外框架所有柱子均参与整体抗弯作用,加劲的框架竖向支撑体系,伸臂桁架的作用,4、支撑的等效件嵌入式墙板,支撑杆件易屈曲,支撑杆件截面尺寸大,为提高结构抗侧力刚度,原因,嵌入式墙板,嵌入式墙板,钢板剪力墙板,内藏钢板剪力墙墙板,带竖缝砼剪力墙墙板,钢板剪力墙板,采用厚钢板，四周通过高强度螺栓与梁柱相连,设防烈度大于等于7时，钢板两侧焊纵向或横向加劲肋,特点,内藏钢板剪力墙墙板,钢板支撑的基础上，外包钢砼,预制板仅在支撑的上下端节点处与钢框架相连,带竖缝砼剪力墙墙板,预制板，中间带竖缝,竖缝宽度10mm，竖向长度为墙板净高的一半，缝间距为缝长一半,多遇地震，墙板处于弹性阶段，侧向刚度大,预制板仅与框架柱用高强度螺栓连接,罕遇地震，墙板处于弹塑性阶段而产生裂缝，起到抗震耗能的作用,5、工程实例,北京京广中心大厦,地上52层，地下3层,196m高，1990年建成,地下为钢骨砼框架和砼剪力墙，以上为钢框架支撑体系,结构钢材,(日本钢材),钢板厚小于等于40mmSM50A,轧制H型钢SS41,钢板厚大于40mmSM50B,6荷载计算(1)恒荷载。(2)活荷载。(3)风荷载。(4)地震作用。(5)温度作用。(6)施工荷载。注意：对楼层数较多、竖向荷载较大的结构，应考虑竖向构件在竖向静载作用下发生弹性压缩变形对结构所产生的不利作用。结构在风荷载作用下，顶点质心位置的侧移不宜超过建筑高度的1/500，各楼层质心位置的层间侧移不宜超过楼层高度的1/400。,8荷载作用下的框架内力分析(可采用任一适用的结构力学方法)(1)恒载设计值=1.2X恒载标准值(2)活荷载设计值=1.4活荷载标准值为便于内力组合，可将活荷载分跨布置进行计算。因非上人屋面活荷载一般较小，可不考虑活荷载的最不利布置，将活荷载在屋面满跨布置。(3)风荷载作用下的框架内力(建议采用D值法)风荷载设计值=1.4风荷载标准值对非对称框架，应分别计算左风和右风作用下的结构内力。,2、当考虑抗震要求时,结构的主要荷载,地震荷载,结构可能进入塑性状态,满足构件内力要求,特殊设计要求,构件塑性时的局部稳定,节点极限承载力,梁塑性时的侧向稳定,A、节点极限承载力,Mu1.2Mp,Vu1.3(2Mp/l),Mu、Vu节点的极限受弯、受剪承载力,Mp梁的全塑性弯矩承载力,l梁的净跨度,Ru1.2Anfy,Ru支撑连接沿轴向的极限承载力,An支撑杆净截面面积,fy支撑杆材料的屈服强度,B、构件进入塑性状态时，板件的局部稳定应有保证,框架梁板件宽厚比限值,注：1、表中，N为梁的轴向力，A为梁的截面面积，f为梁的钢材强度设计值；2、表列值适用于Q235钢，当钢材为其它牌号时应乘以,C、受弯构件塑性区应设置侧向支撑点,避免梁发生侧向的弯扭失稳,L0两相邻支撑点之间的间距,L0/b0表值(根据钢结构规范）,b0受压翼缘的宽度,B、对于容易发生撕裂的部位，应要求严格检查,A、尽量避免焊缝收缩方向垂直钢板板面方向,C、在满足承载力要求的前提下，尽量减少焊缝尺寸,构造措施,3、在确定框架吊装单元时，应根据构件重量、运输和起吊设备综合确定,二层或三层楼高一根（一、四层也可）,每跨梁一根,密柱深梁的框筒,三根柱+三根梁,三根柱+二根梁,5、梁若需要现场接头，其位置应根据内力、运输、支撑综合确定,一般距离柱轴线约0.5-1.5m,B、半刚性连接,介于刚性和铰接之间，有较大的延性和吸能性能,用于低烈度地震区，层数不多的钢框架,梁-柱端板连接,C、铰接连接,梁可绕节点转动，节点不能传递弯矩M连接方法简单，施工方便,当不考虑钢框架抵抗水平力时，可以考虑铰接,梁-柱的柔性连接,2、柱柱节点,宽翼缘工字型,矩型管截面,A、柱截面,热轧宽翼缘工字型截面,焊接的工字型截面,四块钢板通过焊接而成,B、柱腹板、翼缘之间的焊接构造,焊接的工字型截面,角焊缝，承受腹板、翼缘之间的竖向剪力,焊接的矩形管截面,a、当不考虑抗震要求时,部分熔透的“V”型,熔透的“U”型,转角处焊缝,hf1/3t;hf14mm,箱形柱角部组合焊缝,（a）部分熔透焊缝；（b）全熔透焊缝,C、柱接头做法,不考虑抗震要求,a、柱上下两段应设置耳板，厚度大于10mm,宽翼缘工字型,矩型管截面,耳板,b、柱接头处采用部分焊透的单边“V”“J”型坡口,c、柱接头位置一般在梁上1.0-1.3m处，以方便施工,部分焊透焊缝,工形柱工地拼接,考虑抗震要求,a、柱上下两段应设置耳板，方法同上,b、柱接头位于塑性区范围以外1/10L和2h(取大值）,c、对于工字型截面，翼缘熔透坡口焊，承受弯矩M腹板高强度螺栓，承受剪力Q轴力由两者共同承担,d、矩形管截面，采用焊透的坡口焊,箱形柱工地焊接,柱的变截面连接,a、尽量不改变截面高度而改变翼缘厚度,b、若改变截面高度，则做法如图,c、变截面位置一般位于接头部位,柱的变截面连接（1）,柱的变截面连接（2）,3、梁梁节点,A、主梁的拼接,拼接位置应在框架节点塑性区以外,主梁的拼接形式,B、主次梁的相互连接,为防止受扭，宜采用铰接方法,次梁与主梁的简支连接,次梁高度较小时与主梁的连接,次梁与主梁的刚性连接,C、主梁的侧向隅撑,为防止主梁塑性区侧向失稳，设置隅撑,距离柱轴线1/81/10梁跨处设置,设置在梁的下翼缘,设置方法,梁的侧向隅撑,4、墙梁节点,A、钢梁与砼墙的连接,采用铰接，承受拉力和剪力,钢梁与混凝土墙简支连接钢梁与混凝土墙简支连接,B、钢梁与砼梁的连接,钢梁与混凝土梁的连接,高层建筑钢结构楼板设计,一、楼板设计的基本要求,A、承受和传递荷载(水平和竖向荷载),B、隔音的要求,具体满足两个方面的要求,刚度,强度,保证住宅私密性,C、防火要求,采取防火措施,保护钢梁和楼板,D、防水要求,楼面和屋面,均应进行防水处理,E、管线敷设要求,管线,竖向,水平,一般敷设在楼板内,二、楼板的分类,2、预制钢砼楼板,做法,直接由工厂或现场预制，置于钢梁上，用细实混凝土浇灌槽口和板缝,特点,B、省去了支模、拆模、扎筋、浇灌、养护等复杂工序，但需吊装，且影响钢构件的吊装,A、楼板整体刚度差，不能与钢梁一起共同工作,应用,在高层建筑钢结构中应用不多,分类,预制预应力钢砼楼板,预制钢砼楼板,3、钢砼叠合楼板,做法,把钢砼楼板分两层,特点,B、省去了支模、拆模、扎筋、浇灌、养护等复杂工序，但需吊装，且影响钢构件的吊装,A、楼板整体刚度好，但不能与钢梁一起共同工作,应用,在高层建筑钢结构中应用不多,上层：在下层预制板上完成现浇作业,下层：较薄的预制板，吊装到钢梁上，起模板作用,4、压型钢板砼板,三、压型钢板砼楼板的做法、特点,做法,把压型钢板首先铺在钢梁上，并与梁翼缘焊接，然后在压型钢板上现浇砼或钢砼。,砼与压型钢板之间、压型钢板与钢梁之间均有抗剪构造连接件,纵向水平剪切粘结破坏,国产压型钢板板型国外板型,组合板的组合方式,压型钢板组合梁(a)肋平行于主钢梁(b)肋垂直于主钢梁,压型钢板砼楼板特点,施工,设计,从设计角度,B、极限承载力大，达到30-50kN/m2,A、组合后刚度大、延性好、抗震性能好,C、楼板的刚度大，能有效地传递水平荷载,D、楼板可作为钢梁的一部分，提高了钢梁的抗弯刚度和承载力（20-30%），增加了梁的侧向稳定,E、合理利用材料，充分发挥其各自优势,钢梁外露的组合梁,从施工角度,B、压型钢板一旦铺设，可作为工作平台,A、压型钢板很轻，安装时方便、速度快,C、浇灌砼可单独进行，与其它安装工序不打搅,D、压型钢板的沟槽可以用来敷设管线,E、不需要支模，大大方便了施工,应用,在高层建筑钢结构中应用非常普遍,瑞金大厦，107m,地上29层，地下1层，上海，于1986年竣工,10层以上采用压型钢板砼板，梁上抗剪栓钉：116230216230,瑞金大厦,北京，82.75m,地上26层，于1986年竣工,京城大厦,北京，地上25层，地下2层,94m，1987年建成,长富宫中心,北京，地上52层，地下3层,196m高，1990年建成,京广中心,中国，北京,153.55m，地下2层,地上39层,中国国际贸易中心,深圳,151m，地上40层，地下1层,深圳发展中心大厦,上海，地下1层，地上43层，143.62m,上海静安希尔顿酒店,上海，129.55m，地下2层,地上35层,上海国际贸易中心,现行钢结构设计规范新增加了下列主要内容：（）连续组合梁负弯矩处的计算方法。（）楼板为压型钢板组合板时组合梁的设计。（）部份抗剪连接组合梁的设计。部份抗剪连接对梁的强度影响很小，只挠度增大，可节约连接件和施工费用。（）组合梁的挠度计算（主要是考虑滑移效应的折减刚度的计算方法）。,在承载力和变形许可的条件下，采用部分抗剪连接可以减少连接件用量，降低造价并方便施工。对采用压型钢板混凝土组合板为翼板的组合梁，由于受板肋几何尺寸的限制，栓钉布置的数量有限，有时也不得不采用部分抗剪连接的设计方法。由于梁的跨度愈大对连接件柔性性能要求愈高，所以用这种方法设计的组合梁其跨度不宜超过20m。,对于单跨简支梁，部分抗剪连接的抗弯强度计算方法是根据简化塑性理论按下列假定确定的：（1）在所计算截面左右两个剪跨内，取连接件承载力设计值之和nr的较小者作为混凝土翼板中的剪力；（2）梁与混凝土翼板间产生相对滑移，以至混凝土翼板与钢梁有各自的中和轴。,部分抗剪连接时，混凝土翼板受压区高度由抗剪连接件能够提供的最大剪力所确定:部分抗剪连接时一个剪跨区的抗剪连接件数目；每个抗剪连接件的纵向抗剪承载力。钢梁受压区面积为：A钢梁截面面积。,部分抗剪连接时组合梁截面抗弯承载力为：y1钢梁受拉区截面形心至混凝土翼板受压区形心的距离；y2钢梁受拉区截面形心至钢梁受压区形心的距离。部分抗剪连接组合梁在负弯矩作用区段的抗弯强度，按nr和Astfst两者中的较小值计算。计算略偏保守，以补偿混凝土的抗拉作用、钢筋的强化作用以及构造钢筋的作用。,随着抗剪连接件数目的减少，钢梁与混凝土翼板的共同工作能力不断降低，导致二者交界面产生过大的滑移，从而影响钢梁塑性性能的充分发挥，并使构件在承载力极限状态时延性降低。为了保证部分抗剪连接的组合梁能有较好的工作性能，在任一剪跨区内，规范规定部分抗剪连接时连接件的数量不得少于按完全抗剪连接设计时该剪跨区内所需抗剪连接件总数的50%，否则将按单根钢梁计算，不考虑组合作用。,部分抗剪连接时，组合梁的抗剪连接件必须具有一定的柔性，即理想的塑性状态，因此规范规定栓钉直径d22mm，杆长l4d。此外，混凝土强度等级不能高于C40，以保证栓钉工作时全截面进入塑性状态。,11.6钢梁板件的宽厚比,当塑性中和轴在混凝土翼板内或板托内时，整个钢梁处于受拉状态，则不应对钢梁板件宽厚比提出要求。当塑性中和轴在钢梁内时，为保证截面塑性能充分发展，应按塑性设计的规定控制钢梁板件的宽厚比。受压翼缘板的外伸冤度b与其厚度t之比的控制式为b/t9。实际上此规定是偏于保守的，因受压翼缘焊有连接件，不易失去局部稳定。,塑性中和轴在钢梁内时，腹板小部分为受压区，大部分为受拉区，整个腹板属偏心受拉的工作状态。如果偏安全地参照塑性设计时偏心受压的控制式，得腹板总的计算高度h0与其厚度tw之比的控制式为：也可以将塑性中和轴以上的受压区视为轴心受压构件的腹板，取：式中h1为腹板受压区的高度。,由于连续梁内力重分配时负弯矩区需具有一定的转动能力，同时还需控制裂缝宽度，一般要求对纵向钢筋的配筋数量加以限制，即多数情况下，钢筋所承担的力与钢梁承担的力之比Astfst/Af小于0.37，此时，钢梁腹板高厚比应满足条件：,11.7抗剪连接件的计算,抗剪连接件是组合梁设计的关键技术之一，目前一般采用圆柱头栓钉、槽钢和弯起起钢筋等三种抗剪连接件，它们单位承载力的耗钢量之比约为1：2.5：5，以栓钉最省，弯筋耗钢量最大。所以在条件许可情况下，应尽可能采用以专门设备进行接触焊的圆柱头栓钉。,圆柱头栓钉连接件主要靠栓杆抗剪来承受剪力，用圆头抵抗掀拉力。根据试验，栓钉连接件主要有两种破坏模式，即栓钉根部混凝土受局部承压作用，根部混凝土区出现局部破碎或栓钉杆被剪坏。因而影响圆柱头栓钉连接件抗剪承载力的主要因素有：栓杆的直径d（或栓钉的截面积As）；混凝土的弹性模量Ec；混凝土的强度等级。,关于圆柱头栓钉的抗剪承载力，根据欧洲钢结构协会组合结构规范等资料，其承载力的限制条件为0.7Asfu。但在修订88规范时，认为我国使用经验不足，将fu改为f，即：GBJ17-88规范发行以来，设计者在使用中发现，Nvc均由“0.7Asf”控制，“”不起作用，使栓钉数偏多，现将此限制条件改为：“0.7Asrf”，r为栓钉材料的强屈比，按规定，栓钉材料为4.6级，即f=215N/mm2，r=1/0.6=1.67。,以上对抗剪连接件承载力的计算公式，是根据正弯矩作用下的试验结果得到的，当栓钉位于负弯矩区时，混凝土翼板处于受拉状态，栓钉周围的混凝土对其约束程度不如正弯矩区的栓钉受到周围混凝土约束程度高，故位于负弯矩区的栓钉抗剪承载力应予折减。规范规定，对位于负弯矩区段的抗剪连接件，其抗剪承载力设计值对中间