多、高层房屋结构的分析和设计计算

1、多、高层房屋结构的分析和设计计 算 2.2 多、高层房屋结构的分析和设计 p350361、P427439 一、一、荷载荷载 1竖向荷载 楼面、屋顶活荷载以及雪荷载的标准值，按现行国 家标准建筑结构荷载规范规定采用。 规范中未给出一般高层办公楼、旅馆、公寓中所需要 的酒吧间、屋顶花园等的最小屋顶活荷载标准值。 遇这种情况，应按实际情况采用，但不得小于表4-9 所列的数值。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多层建筑应考虑活荷载的不利分布； 高层建筑活荷载值的比重不大，可不考虑活荷载的 不利分布。在计算构件效应时，楼面及屋面竖向荷载可 仅考虑各跨满载的情况。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算

2、2 风荷载 (GB500092001)规定，一般建筑结构风荷载的重 现期为50年，高层建筑的重现期可适当提高，重现期可 取100年，基本风压乘以系数1 .1。 邻近有高层建筑互相干扰时，风荷载的影响不容忽 视的。邻近建筑的影响较复杂，试验资料也少。 一般无论邻近有无高层建筑，高度超过200m的建筑 物，风荷载应按风洞试验确定。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 3地震荷载 国家标准建筑抗震设防分类标准(GB 50223)， 根据建筑使用功能的重要性，分甲类、乙类、丙类和丁类 四个抗震设防类别。 甲类建筑：重大建筑工程和地震时可能发生严重次生 灾害的； 乙类建筑：地震时使用功能不能中断或需尽快

3、恢复的； 丁类建筑：抗震属于次要性的； 丙类建筑：甲类、乙类和丁类建筑除外的一般建筑。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 抗震设计目标：小震不坏，中震可修，大震不倒。 两阶段的抗震设计：多遇地震作用及罕遇地震作用设计。 多遇地震相当于50年超越概率为63.2的地震，罕遇地 震相当于50年超越概率为23的地震。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多遇地震作用的抗震计算要求：多遇地震作用的抗震计算要求： (a)通常应在结构的两个主轴方向分别计算水平地震作 用，各方向的水平地震作用应全部由该方向的抗侧力构件 承担； (b)当有斜交抗侧力构件时，宜分别计算各抗侧力构件 方向的水平地震作用； (c)

4、质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应计算水 平地震作用的扭转影响； (d) 9度抗震设防的高层建筑钢结构，或者按8度和9 度抗震设防的大跨度和长悬臂构件，应计算竖向地震作用。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 设计反应谱设计反应谱 ： 弹性反应谱理论是现阶段抗震设计的基本理论， 建筑抗震设计规范所采用的设计反应谱，是以水平 地震影响系数曲线的形式表达的。 地震影响系数曲线 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 地震反应谱地震反应谱 为便于求地震作用，将单自由度体系的地震最大绝 对加速度反应与其自振周期T的关系定义为地震加速度 反应谱，或简称为地震反应谱。 意义：可以理解为一个确定的地面运动，

5、通过一组 阻尼比相同但自振周期各不相同的单自由度体系，所引 起的各体系最大加速度反应与相应体系自振周期间的关 系曲线。 影响因素：一个是体系的阻尼比，二是地震动。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 总体：阻尼比的减少，地震影响系数提高. 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 罕遇12层12层 阻尼比0.050.0350.02 衰减指数r 直线下降斜率调整系数1 阻尼调整系数2 7度0.1g max 0.050.080.08 Tg=0.4s （类场地，第二组) T=1.5s(Tg5Tg）地震影响系数0.0150.0270.03 T=4s(5Tg6s）地震影响系

6、数0.0120.0210.024 T=00.1s 地震影响系数 0.45 max 2 max0.023 0.050.036 0.090.036 0.11 T=0.1sTg地震影响系数2 max 0.05 0.09 0.11 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 水平地震影响系数水平地震影响系数的计算：的计算： （4-38） （4-39） 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 （4-40） 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (1) 底部剪力法底部剪力法 采用底部剪力法计算水平地震作用，各楼层可按一个自 由度计算。 按下式计算各楼层的等效地震作用： 多、高层房屋结

7、构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 顶部突出物：顶部突出物：底部剪力法计算顶部突出物的地震作用， 可按所在的高度作为一个质点，按其实际定量计算所得水平 地震作用放大3倍后，设计该突出部分的结构。 增大影响宜向下考虑12层，但不再往下传递。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 基本自振周期基本自振周期 T1： 按主体结构弹性刚度所得钢结构的计算周期，由 于非结构构件及计算简图与实际情况的差异，建议 计算周期考虑非结构构件影响的修正系数T取0.9。 对质量及刚度沿高度分布比较均匀的结构，基本 自振周期可用下列公式近似计算： Un结构顶层假想侧移(m)。 多、高层房屋结构的分析

8、和设计计 算 初步计算时，结构的基本自振周期按经验公式估算： n建筑物层数(不包括地下部分及屋顶小塔楼) 。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (2)振型分解反应谱法振型分解反应谱法 对不计扭转影响的结构，振型分解反应谱法可仅考虑 平移作用下的地震效应组合，并应符合下列规定： (a) j振型i层质点的水平地震作用标准值 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (b) 水平地震作用效应(弯矩、剪力、轴向力和变形) ： 突出屋面的小塔楼，应按每层一个质点进行地震作用计 算和振型效应组合。 当采用3个振型时，所得地震作用效应乘增大系数1.5； 当采用6个振型时，所得地震作用效应不再增大。 多、高层房屋

9、结构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (3)竖向地震作用竖向地震作用 9度时的高层建筑，计算竖向地震作用时，可按下 列要求确定竖向地震作用标准值： (a)总竖向地震作用标准值 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (b) 楼层i的竖向地震作用标准值 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (4)时程分析法时程分析法 采用时程分析法计算结构的地震反应时地震波的选择 应符合下列要求： 1）采用不少于四条能反映当地场地特性的地震加速度波， 包

10、括一条本地区历史上发生地震时的实测记录波。 2）地震波的持续时间不宜过短，宜取1020s或更长。或 找与建筑物场地地质条件类似地区的强震记录，或采用 根据当地地震危险性分析获得的人工模拟地震波，使地 震波的频谱特性能反映当地场地土性质。 3）输入地震波的峰值加速度，按下表采用。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 二、结构分析二、结构分析 1计算模型的建立 当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、不计 扭转效应时，可采用平面结构计算模型； 当结构平面或立面不规则、体型复杂、无法划分成平 面抗侧力单元的结构，或为筒体结构时，应采用空间结 构计算模型。 多、高

11、层房屋结构的分析和设计计 算 建立计算模型时应注意：建立计算模型时应注意： (1) 假定楼面在其自身平面内为绝对刚性。对整体性 较差，或开孔面积大，或有较长外伸段的楼面，或相邻 层刚度有突变的楼面，宜采用楼板平面内的实际刚度， 或对按刚性楼面假定计算所得结果进行调整。 (2) 高层钢结构梁柱的跨度与截面高度比一般都较小， 应考虑剪切变形的影响；高层框架柱轴向变形的影响也 不能忽视；梁的轴力小，且与楼板组成刚性楼盖，可不 考虑梁的轴向变形，但当梁同时作为腰桁架或帽桁架的 弦杆或支撑桁架的杆件时，轴向变形不能忽略；钢框架 节点域较薄，其剪切变形对框架侧移影响也应考虑。 多、高层房屋结构的分析和设计

12、计 算 弹性分析时，压型钢板组合楼盖中梁的惯性矩对两侧有 楼板的梁取1.5Ib，仅一侧有楼板时取1.2Ib，Ib为钢梁惯性矩。 (4) 抗震设计的高层建筑柱间支撑两端的构造应为刚性连 接，但按铰接计算。偏心支撑的耗能梁段按单独单元计算。 (5) 现浇竖向连续钢筋混凝土剪力墙，宜计入墙的弯曲变 形、剪切变形和轴向变形。当钢筋混凝土剪力墙具有比较规则 的开孔时，可按带刚域的框架计算；当具有复杂开孔时，宜采 用平面有限元法计算。 (6) 当进行结构内力分析时，应计入重力荷载引起的竖向 构件差异缩短所产生的影响。 (3) 进行结构弹性分析时，可考虑现浇钢筋混凝土 楼板与钢梁的共同工作；进行弹塑性分析时

13、，楼板已开 裂，可不考虑楼板与梁的共同工作。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 2静力分析方法静力分析方法 框架结构、框架支撑结构、框架剪力墙结构和框 筒结构等，内力和位移可采用矩阵位移法计算。 筒体结构可按位移相等原则转化为连续的竖向悬臂 筒体，采用薄壁杆件理论、有限条法或其他有效方法进 行计算。 高度小于60m的建筑或在方案设计阶段估算截面时， 可采用下列近似方法计算荷载效应： 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (1) 竖向荷载作用下，框架内力可采用分层法进行 简化计算；水平荷载作用下，框架内力和位移可采用D 值法进行简化计算。 (2) 平面布置规则的框架-支撑结构，在水平荷载作 用下

14、简化为平面抗侧力体系分析，将所有框架合并为总 框架，将所有竖向支撑合并为总支撑，然后进行协同工 作分析。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 总支撑可当作一根弯曲杆件，其等效惯性矩Ieq按 下列公式计算： 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (3) 平面布置规则的框架剪力墙结构，水平荷载 作用下简化为平面抗侧力体系分析，将所有框架合并 为总框架，所有剪力墙合并为总剪力墙，然后进行协 同工作分析。 (4) 平面为矩形或其他规则形状的框筒结构，可采 用等效角柱法、展开平面框架法或等效截面法，转化 为平面框架进行近似计算。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 用等效截面法计算外框筒构件截面 尺寸时，

15、外框筒可视为平行于荷载方向 的两个等效槽形截面，其翼缘有效宽度 可取为 b=min (L/3，B/2，H/10) L和B分别为筒体截面的长度和宽度，H 为结构高度。 等效截面法：等效截面法： 框筒在水平荷载下的内力，可用材料力学公式作简化计算。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (5) 对规则但有偏心的结构进行近似分析时，先 按无偏心结构进行分析，然后将内力乘以修正系数， 修正系数应按下式计算(但扭矩计算的结果对构件 的内力起有利作用时，应忽略扭矩的作用)。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 3多、高层框架近似分析方法多、高层框架近似分析方法 (1) 分层法分层法 竖向荷载作用下，多层框架

16、的侧移较小，且各层荷 载对其他层的水平构件的内力影响不大，把每层作为无 侧移框架用力矩分配法进行计算。 计算结果:水平构件的内力即为水平构件内力的近似 值，垂直构件为自上而下各相邻两层同一垂直构件的内 力叠加值。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 分层法计算步骤：分层法计算步骤： (a) 将框架以层为单元分解为若干无侧移框架，每单元 包含该层所有的水平构件及与该层相连接的所有垂直构件。 底层垂直构件与基础连接的特性保持不变，其他所有垂 直构件的远端均设定为固定端。 图中的框架被分解为以ABCD、EFGH和IJKL为横梁的三 个无侧移框架单元。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (b) 非底

17、层无侧移框架单元的垂直构件并非固定端， 因此将其抗弯刚度乘以0.9修正系数，并将其传递系数 修正为13。 (c) 对无侧移框架作力矩分配法计算，所得水平构件 内力即为水平构件内力的近似值。 (d) 自上而下将各相邻两层同一垂直构件的内力叠加， 得各垂直构件的内力近似值。 (e) 节点弯矩严重不平衡时，可将不平衡弯矩再作一 次分配，但不再传递。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (2) D值法值法 框架在水平荷载作用下的内力近似分析法。在仅受节点 水平荷载作用下，若梁的抗弯刚度远大于柱的抗弯刚度， 则认为柱两端的转角为零，柱段内至少存在一个反弯点。 柱的转角位移方程为 端部剪力为 1）反弯点法

18、：）反弯点法： 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 设框架第i i层的总剪力为Vi，假定框架同一层所 有柱的层间位移均相同，则有 式中，Vij、dij分别是位于i层的第j个柱的剪力和抗侧移 刚度。 柱的剪力为 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (a) 柱端弯矩计算公式： 假定上层柱的反弯点位于柱高中点，底层柱的反 弯点位于距底端23柱高处，则 式中 Mu，Md分别是柱上端和下端弯矩； (b) 梁端弯矩计算公式： 设梁端弯矩与其线刚度成正比，考虑各节点力矩平衡， 则 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (c) 求梁的剪力： 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 2）D值法值法 对层数不多的框架，

19、梁的线刚度通常大于柱的线刚 度，当梁的线刚度不小于柱的线刚度的3倍时，反弯点 法能给出较好的精度。 对一般的多、高层建筑，反弯点法的精度过低。 在反弯点法中，考虑端部转角影响，对柱的抗侧移 刚度及影响反弯点位置的一些因素进行修正，可提高反 弯点法的精度。 修正后柱的抗侧移刚度记为D，以区别与端部转角 为零时柱的抗侧移刚度d的区别。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 柱侧移刚度修正系数。 与其两端连接的横梁的线刚度有关，可按相关 表格选用。 将反弯点位置表达为反弯点到柱下端的距离与柱 高的比值，称为反弯点高度比。 影响反弯点位置的因素很多，对反弯点位置的修 正是在标准反弯点高度比的基础上进行的

20、。 标准反弯点高度比是指：层高、跨度和梁柱线刚 度比都为常数的多层多跨框架在水平荷载作用下的 反弯点高度比。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 反弯点高度比的修正系数的计算公式： 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 D值法也称改进反弯点法，值法也称改进反弯点法，位于i层的第j柱的柱端弯矩 计算公式改变为： 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 4稳定分析方法稳定分析方法 纯框架的整体稳定属于整体分析的问题，但目前 用柱稳定的计算方式来实现的。 GB50017规范给出了采用二阶分析的规定。二阶 弹性分析的内力由一阶分析的结果乘放大系数。 杆端弯矩M由下式计算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算

21、式中 Mb假定框架节点无侧移，按一阶弹性分析求得的各杆件端 弯矩； Ms框架各节点实现侧移时，按一阶弹性分析求得的杆件端弯 矩； 2所计算楼层考虑二阶效应的杆件侧移弯矩增大系数； N所计算楼层各柱轴压力设计值之和； H产生层间侧移u的所计算楼层及以上各层的水平力之和； u按一阶弹性分析求得的所计算楼层的层间侧移； h所计算楼层的高度。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 Nu(H h) 0.1 时，21.1，不作二阶分析； 当 21.33时， 表明框架侧移刚度过低，需要改变尺 寸来增大刚度。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 在采用二阶分析的同时，在每层柱顶附加下列 假想水平力Hi，柱计算长

22、度取其几何长度。 式中 Qi第i楼层的总重力荷载设计值； ns框架总层数； y钢材强度影响系数，对Q235钢和Q345钢， 分别取1.0和1.1。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 对框架支撑体系，JGJ9998规定， 当uh11000时，柱计算长度按无侧移确定。 GB 50017规范对无侧移的框架的判别式为： 式中 Sb支撑结构的层间侧移刚度(产生单位侧倾角的 水平力)； Nbi，Nci第i层层间所有框架柱用无侧移框架和 有侧移框架柱计算长度系数算得的轴压杆稳定承载力之和。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 支撑不满足判别式(466)时，考虑支撑结构增 大侧移刚度的作用，用下式计算框架柱

23、的轴压稳定 系数 式中，0和1是同一柱分别作无侧移框架和有侧移框 架分析时的稳定系数。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 JGJ 9998规程规定：高层建筑钢结构同时符 合下列条件时，可不验算结构的整体稳定，但还 要计算框架柱的稳定。 (a) 结构各楼层柱子平均长细比和平均轴压比满足 下式要求： 式中 m楼层柱的平均长细比；Nm楼层柱的平均轴压力设计值； Npm楼层柱的平均全塑性轴压力； Npm=fyAm； fy钢材屈服强度； Am柱截面面积的平均值。 该式限制了柱的轴压比N(Afy)，并且和柱的长细比 相联系。 轴压比和长细比大，柱抗弯刚度低。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (b)

24、结构按一阶线性弹性计算所得的各楼层层 间相对侧移值，满足下列要求： Fh计算楼层以上全部水平作用之和； Fv计算楼层以上全部竖向作用之和。 式(4-69)体现P-效应的限制，与Nu(H h)0.1大体 相当。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 5 地震作用分析方法地震作用分析方法 根据“小震不坏，大震不倒”的抗震设计原则以及抗震 设防三水准和二阶段的设计要求，高层建筑钢结构的抗震设 计，采用两阶段设计法。 第一阶段：第一阶段：多遇地震作用下的弹性分析，验算构件的承 载力和稳定以及结构的层间侧移； 第二阶段：第二阶段：罕遇地震下的弹塑性分析，验算结构的层间 侧移和层间侧移延性比。 多、高层房屋

25、结构的分析和设计计 算 结构越高其基本自振周期越长，结构高阶振型的影响 也越大。 底部剪力法只考虑结构的一阶振型，我国建筑抗震 设计规范规定高度不超过40m的规则结构可用底部剪力 法计算。 高层民用建筑钢结构技术规程近似考虑了部分高振 型的影响，将底部剪力法的适用高度放宽到60m。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 振型分解反应谱法是一种动力分析方法，是第一阶段弹 性分析的主要方法。 时程分析法是完全的动力分析法，时程分析得到的只是 一条具体地震波的结构反应，具有一定的“特殊性”。作为 在第一阶段设计时，竖向特别不规则建筑和重要建筑的补充 计算。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 高层建筑

26、钢结构的第一阶段抗震设计，可针对不同 情况，采用下列方法计算地震作用效应： (a)高度不超过40m，且平面和竖向较规则的以剪切 型变形为主的建筑，采用建筑抗震设计规范规定的 地震作用和底部剪力法计算； (b)高度不超过60m且平面和竖向较规则的建筑，以 及高度超过60m的建筑预估截面时，也采用上述地震作 用和底部剪力法计算； (c)高度超过60m的建筑，采用振型分解反应谱法计 算； (d)竖向特别不规则的建筑，采用时程分析法作补 充计算。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (1) 第一阶段抗震设计第一阶段抗震设计 框架支撑(剪力墙板)体系中，总框架所承担的地 震剪力，不得小于结构底部总剪力的

27、25。 角柱和两个互相垂直的抗侧力构件共用的柱，考虑 同时受双向地震作用的效应，应将一个方向的荷载产 生的柱内力在上述调整的基础再提高30。 验算多遇地震作用下，整体基础(筏形或箱形基础) 对地基的作用时，可采用底部剪力法计算作用于地基 的倾覆力矩，其折减系数宜取0.8；计算倾覆力矩对地 基的作用时，不考虑基础侧面回填土的约束作用。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (2)第二阶段抗震设计第二阶段抗震设计 第二阶段结构已进入弹塑性状态，应采用时程分 析法计算结构的弹塑性地震反应； 第二阶段设计的目的，是验算结构在大震时是否会 倒塌。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 三、三、结构设计结构设

28、计 1荷载组合荷载组合 按第一阶段设计时 式中 w风荷载组合值系数，一般结构取0.0，风荷载起控制作用的 高层建筑应取0.2； w风荷载分项系数； Eh，Ev分别为水平、竖直地震作用分项系数； SGE重力荷载代表值的效应，有吊车时，尚应包括悬吊物重力标 准值的效应； SEhk水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调 整系数； SEvk竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调 整系数； Swk风荷载标准值的效应； 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 2构件验算构件验算 (1) 一般要求 在不计算地震作用的效应组合中应满足下列要求： 1)

29、 构件承载力应满足 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 2) 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1500；质心层间侧移不宜超过楼层高度的 1400。 3) 超高层钢结构必须考虑人体的舒适度。高层 民用建筑钢结构技术规程对高层建筑钢结构在风 荷载作用下的顺风向和横风向顶点最大加速度，作 出了限值： aw、atr 顺风向和横风向的顶点最大加速度。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (a) 顺风向顶点最大加速度 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (b) 横风向顶点最大加速度 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 圆筒形高层建筑有时会发生横风向的涡流共振 现象，设计中用高层建筑顶

30、部风速来控制： 不能满足时，可采用增加刚度使自振周期减小来 提高临界风速，或者进行横风向涡流脱落共振验算。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (2) 抗震设计抗震设计 (a) 第一阶段抗震设计中，结构构件承载力应满 足： 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 按建筑抗震设计规范的规定，多高层建筑钢 结构的层间侧移标准值，不得超过结构层高的1300。 (b) 第二阶段抗震设计应满足的要求： 结构层间侧移不得超过层高的170； 结构层间侧移延性比(层间最大允许位移与其弹性 位移之比)不得大于表 4-21的规定。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多、高层钢结构设计中应注意的一些问题多、高层钢结构

31、设计中应注意的一些问题 建筑结构 2005年6月 胡天兵 申林郁银泉 (中国建筑标准设计研究院北京100044) 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 1.1.高层钢结构的计算分析与设计高层钢结构的计算分析与设计 1.1 结构计算与分析要注意的问题 结构设计参数的确定问题。采用分析软件计算时,一 定要对控制参数逐一核对,因为针对某个实际工程,程 序默认的控制参数缺省值有时是不正确的。例如风荷 载体型系数、设计地震分组、结构的阻尼比等。以阻 尼比为例,对钢筋混凝土结构和单层钢结构为0.05 , 不超过12 层的多层钢结构为0.035 ,12层以上的钢结 构为0.02 ,当进行弹塑性时程分析时,均取

32、0.05 。 (1)有些建筑物设计使用年限不同,这时结构的重要性系 数是不同的,各种荷载的取值也有一定差异,对于设计 使用年限为100 年的建筑物,还应进行工程场地地震 安全性评价,这些变化都必须考虑到。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (2) 边、角柱地震作用效应放大问题。 根据问题。根据建筑抗震设计规范的规定,进 行结构的水平地震作用计算,只有在不进行扭转耦联计算 时,才对边、角柱的地震作用效应乘以增大系数,其实就 是对不作耦联计算采取的补充措施。 现在很多人计算时既考虑扭转耦联,又对边、角柱 的地震作用效应放大,这样做显然是不经济的,而且存在 设计概念上的错误。 多、高层房屋结构的分

33、析和设计计 算 (3) 高层钢结构抗震设计的强柱弱梁问题。 在分析过程中会发现,对钢框架-钢支撑体系,这一 条要求往往很难满足。 其实,这一规定的目的就是人为地控制结构的破坏 机制,使结构在中震及大震时,塑性铰出现在梁上而不 是柱子上,以保证结构具有较好的延性,实现中震可修、 大震不倒的抗震设计目标。 因此,可以按规范GB50011 2001 第8.2.5 条的要 求对强柱弱梁进行判断,同时进行弹塑性时程分析补充 计算,如果分析的结果显示塑性铰出现在梁上而非柱子 上,就可以认为满足了强柱弱梁的要求。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 多、高层房屋结构的分析

34、和设计计 算 不论是钢框架-钢支撑(或剪力墙) 还是钢筋混凝土框架-剪力 墙结构,都存在这一问题。目前的高层建筑,体型越来越复杂,采用斜 柱的情况也特别多,而且一般与垂直构件相比倾角较小。国内外的大 多数结构分析软件,仅把垂直构件作为柱子,而把斜柱当成斜杆,作为 支撑进行设计,这对力学计算来说,没有大的影响。 但在调整框架柱的剪力Q (钢筋混凝土结构为20% ,钢结构为25%) 时,就存在较大的问题。软件中的斜柱是作为抗侧力体系的支撑来考 虑的,斜柱不参与剪力调整,仅将直柱承担的剪力调整。这样,增大了 直柱和与之相连的梁的负担,是不经济的。另一方面,对斜柱来讲,不 乘以内力调整系数,又不像直柱

35、一样乘以内力放大系数,尤其是底层, 这必然会造成结构的不安全。工程实例表明,这一影响非常大,有时 可使梁、柱地震内力相差50% ,既浪费又不安全。设计人员应注意这 一问题,同时希望结构设计软件能尽快考虑这一问题。 (4) 斜柱的地震剪力调整问题。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (5) 超高层钢结构的钢柱轴压比宜接近。 主要是解决钢构件差异弹性压缩问题,虽然每一层 差别不大,但累计量往往还是不能忽略的。 假设某建筑物高H =100m ,钢柱采用Q345钢材,如果 两个柱的底层轴压比相差0.4 ,且沿全高截面不变,则沿 全高平均应力差约为3000.4/2=60N/mm2 , 两个柱子的弹性压

36、缩差值约为H/ E =10000060/ 206000=29mm ,已经不是可以忽略的量级了,虽然可以在 加工和安装时考虑这一因素,但由于施工加载是逐步完 成的,可能会产生较大的类似支座沉陷引起的附加内力。 因此最好在设计时加以考虑,合理调整柱截面,使其轴压 比尽量接近。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 1.2 结构设计要注意的问题 (1) 如果未经计算分析,结构主构件的截面不能随意代换。在设计过程 中或在钢结构加工过程中,由于现有型材规格与原设计往往有出入,或者 是设计人员单纯为了提高“安全储备”,经常提出以大代小的要求,而且 许多设计人员也认为,只要构件截面比原来的大,就更安全,都可以

37、代换, 无需验算。这么做,对代换构件本身来讲,有时可能没有问题,但考虑到 对结构的周边影响,则存在设计概念上的错误。在结构抗震设计中,特别 强调的一点就是强柱弱梁的设计原则,如果将梁用更大的截面代换,尤其 是进行大规模代换,就有可能变成弱柱强梁,使结构变得不安全。同时, 把某个构件代换成较大截面,还会引起临近构件刚度比的变化,发生内力 重分布,也可能使其它原本安全的构件变得不安全。规范规定的剪力墙 墙段不能过长的要求也是这个道理。过长的墙段会使整体结构的刚度及 内力的分布很不合理,也降低结构的延性,对结构抗震是非常不利的。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (2) 柱、梁连接节点的设计。 这

38、是多高层钢结构设计中最重要的连接节点。有些观点认为连接 应该与梁截面等强,这样做并没有安全问题,但会使构造和加工制作很 复杂,同时也不是必须的。柱梁连接应满足高层民用建筑钢结构技 术规程的相关要求,在地震作用下,连接的焊缝或螺栓,既要在设计 内力下满足承载力要求( 第一阶段, 小震),又要满足连接的 Mu1.2Mp的要求(Mu为连接处的最小极限抵抗弯矩,Mp为截面的最大 塑性抵抗弯矩),常称其为截面法设计(第二、三阶段,中震、大震)。 在大震作用下,只要梁截面进入屈服状态,其塑性抵抗弯矩不会随 着结构变形的增大而明显增加,因此连接处的弯矩就是塑性抵抗弯矩, 不会超过连接处的极限抵抗弯矩而破坏,

39、这就实现了中震可修、大震 不倒的设计目标。震害分析表明,出现焊缝断裂现象,主要是焊缝质量 问题产生的,当然,为了保证结构有足够的安全度,适当加强节点的连 接或有意削弱梁的某段截面,如采用狗骨式梁,也是有益的。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 当钢梁要承担一定的轴向力时,例如有钢支撑的框架,梁要平 衡支撑力,因此会有较大的轴力,这时的节点设计就要考虑截面拉 压与抗弯剪的复合受力状态,计算比较复杂。目前有些分析程序 在梁的校核计算中不考虑轴力,有时可能很危险,设计人员一定要 注意,这时对梁应按柱子的截面设计公式进行校核。至于大震作 用下的截面法设计,简单的做法就是让各种单一受力状态都能满 足截

40、面法设计要求,这么做是偏于安全的。另外,柱-梁节点中,柱 内在梁的翼缘处要设置隔板来保证梁的连续性,隔板至少应与梁 翼缘等强。高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ9998)要求 隔板与梁的翼缘等厚度,日本则规定隔板厚度应比梁翼缘厚度大 24mm。但有时隔板与柱的连接焊缝的强度难以达到等强度传力 的要求,因此在节点设计时一定要注意验算焊缝连接的强度。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 (3) 钢支撑的设计问题。 钢支撑是高层钢结构的主要抗侧力体系,一般要做成拉压杆,而 且对它的刚度要求更胜于强度。规程规定,拉压杆的长细比应小于 90(235/fy)1/2 ,也就是对Q235是90 ,对Q345不

41、足75 ,因此可以优先 采用Q235钢材,既可有较大的长细比,又易于实现较高的延性要求; 另外还可通过将支撑转向,使强轴在平面外,可使计算长度由原来轴 线长度0.9倍减为0.7倍,同时可在平面内设置防屈杆来进一步减小 计算长度。 如果支撑杆件采用高强螺栓连接,当进行大震的截面法设计时, 螺栓抗剪系数建筑抗震设计规范规定是0.58高层民用钢结构 技术规程是0.75 ,哈尔滨建筑大学的相关试验报告表明,一般这 个系数大约是0.59 ,与日本的试验结果相同。因此取0.58是合适的, 虽然螺杆处于复杂应力状态,但仍与理论公式fv=fy/3的结果相吻合, 设计人员在设计时应注意这个问题。 多、高层房屋结

42、构的分析和设计计 算 (4) 钢次梁简支在钢主梁上,连接节点的设计要考虑次 梁端部次弯矩的影响。 因为钢梁与混凝土梁不同,一般为H形截面,抗扭刚度可 认为是零,次梁支座反力点可认为在主梁形心,反力R ,即梁 端剪力与到次梁连接板焊缝形心或螺栓群形心的距离e 的 乘积就是次弯矩M ,它是一个只能由焊缝或螺栓承担的固定 次弯矩,在连接设计时是必须考虑的。 许多设计人员只考虑连接的抗剪,而未考虑次弯矩,也因 此常常将连接节点设计得很不合理,产生很大的次弯矩,存 在明显的安全隐患。举个例子说明,假设图2中,e=0.1m, R =30kN,a=0.1m。M=Re=3kNm,这个弯矩由螺栓承担,单个螺 栓

43、由弯矩作用产生的剪力为30kN ,而由剪力产生的是15kN。 由于这两个剪力是正交的,因此合力为33.5kN ,这远大于不 考虑“次弯矩”时的15kN。 多、高层房屋结构的分析和设计计 算 2 2 钢结构设计的稳定问题钢结构设计的稳定问题 2.1 梁端为刚接的钢梁稳定问题。通常情况下,梁上有密铺楼板,因 此上翼缘不存在稳定问题,跨中下翼缘一般也不存在稳定问题,但靠 近支座处是梁的负弯矩区,下翼缘受压,可能存在稳定问题高层民 用建筑钢结构技术规程8.5.4 条规定: 抗震设防时,框架横梁下翼 缘在距柱轴线1/81/10 梁跨处,应设置侧向支撑构件。 2.2 柱子在楼层位置应有侧向钢梁保证其施工过程的稳定性。设计 中可能会出现柱子有一个方向