多层及高层房屋结构钢框架张

多层及高层房屋结构

钢框架4.1多高层房屋结构的组成

4.1.1多高层房屋结构的类别

特点：侧向荷载效应的影响突出：风荷载、地震作用分类：框架结构、框剪结构、筒体结构

框架结构特点：平面布置较灵活，刚度分布均匀

侧向刚度小，延性较大，自振周期较长，对地震作用不敏感，一般在不超过30层

框剪结构特点：支撑或剪力墙，双重设防不超过4060层

筒体结构特点：

框筒结构框架形成的筒体结构，内筒及其它竖向构件主要承受竖向荷载，外层框架主要承受侧向荷载

刚性楼面结构作为框筒的横隔

剪力滞后造成角柱的轴力过大，两个措施：控制框筒平面的长宽比加大框筒梁和柱的线刚度之比

适用的建筑高度可超过90层

筒中筒结构减缓框筒结构的剪力滞后效应密柱深梁或钢筋混凝土内筒侧向位移模式（图4.2）

：适用高度

JGJ99-98)依据地震设防烈度划分：

非抗震设防的多层(12层)钢结构房屋形式：纯采用框架结构或斜撑(或剪力墙)体系

斜撑体系梁和柱的连接都可做成铰支即柔性连接抗震设防的多高层钢结构房屋形式：中心支撑体系，不超过12层偏心支撑体系，超过12层

4.1.2结构布布置提提要光滑曲曲线构构成的的凸平平面形形式：：风载载体型型系数数小采用中中心对对称或或双轴轴对称称的平平面形形式：：减小小或避避免在在风荷荷载作作用下下的扭扭转振振动平面尺尺寸关关系平面不不规则则结构构结构竖竖向布布置基础宜设地地下室室抗震设设防基基础埋埋深宜宜一致致,不宜采采用局局部地地下室室基础埋埋深，，天然然地基基不宜宜小于于H/15，桩基基时不不宜小小于H/20采用钢钢筋混混凝土土剪力力墙或或框剪剪结构构型式式设置钢钢骨(型钢)混凝土土的过过渡层层，一一般为为23层4.2楼盖的的布置置方案案和设设计4.2.1楼盖布布置原原则和和方案案楼盖结结构作作用直接承承受竖竖向荷荷载并并将其其传递递给竖竖向构构件;横隔作作用方案选选择要要求建筑设设计;较小自自重;便于施施工;足够的的整体体刚度度楼盖结结构组组成：：楼板板和梁梁系楼板现浇钢钢筋混混凝土土楼板板、预预制制楼板板、压压型钢钢板组组合楼楼板梁系由由主梁梁和次次梁组组成结构体体系包包含框框架时时，一一般以以框架架梁为为主梁梁，次次梁以以主梁梁为支支承4.2.2压型钢钢板组组合楼楼盖的的设计计布置方方式：：组合楼楼板一一般以以板肋肋平行行于主主梁的的方式式布置置于次次梁上上，不不设次次梁时时以板板肋垂垂直于于主梁梁的方方式布布置于于主梁梁上。。钢梁梁上翼翼缘通通长设设置抗抗剪连连接件件(栓钉)传递水水平剪剪力水平剪剪力的的传递递形式式依靠压压型钢钢板的的纵向向波槽槽；依靠压压型钢钢板上上的压压痕、、小洞洞或冲冲成的的不闭闭合的的孔眼眼；依靠压型钢板上焊焊接的横向钢筋；；设置于端部的锚固固件，其中端部锚锚固件要求在任何何情形下都应当设设置。4.2.2.1组合楼板的设计楼板分类：组合板板和非组合板组合楼板的设计不不仅要考虑使用荷荷载，亦要考虑施施工阶段荷载作用用。如果压型钢板板的跨中挠度w0大于20mm时，确定混凝土自自重应考虑挠曲效效应，在全跨增加加混凝土厚度0.7w0，或增设临时支撑撑。施工阶段验算压型钢板进行行强度和变形验算算永久荷载包括压型型钢板、钢筋和混混凝土的自重；可可变荷载包括施工工荷载和附加荷载载。当有过量冲击击、混凝土堆放、、管线和泵的荷载载时，应增加附加加荷载。验算采用弹性方法法，单向板使用阶段非组合板压型钢板仅作为模模板使用，不考虑虑其承载作用，可可按常规钢筋混凝凝土楼板设计。无无须防火。组合板荷载：永久荷载和和使用阶段的可变变荷载验算内容：强度和和变形变形验算的力学模模型：单向弯曲简简支板承载力验算的力学学模型：按压型钢板上混凝凝土的厚薄而分别别取双向弯曲板或或单向弯曲板验算包括：正截面面抗弯承载力、抗抗冲剪承载力和斜斜截面抗剪承载力力4.2.2.2组合梁的设计翼板的计算厚度普通钢筋混凝土翼翼板取原厚度h0带压型钢板的混凝凝土翼板取压型钢钢板顶面以上混凝凝土厚度hc翼板的有效宽度bce，按钢结构设计规规范bce=b0+bc1+bc2式中b0为钢梁上翼缘宽度；；bc1，bc2各取梁跨度l的1/6和翼缘板厚度hc的6倍中的较小值。bc1尚不应超过混凝土土翼板实际外伸长长度s1，bc2不应超过净距S0的1/2；对于中间梁，bc1=bc22.负弯矩作用时MMp+Asfsy(y3+/y4/2)组合梁的组合梁的的受剪承载力验算算全部剪力由钢梁腹腹板承受：Vhwtwfv组合梁栓钉连接件件验算剪跨区：沿组合梁跨长，以以支座点、弯矩极极值点和零点为界界线划分栓钉连接件总数nn=V/NvsV是剪跨区内混凝土土与钢梁叠合面上上的纵向剪力：1.正弯矩区剪跨段(图中剪跨段1，2和5)V=Af(塑性中和轴位于混混凝土翼板内)V=bcehcfcm(塑性中和轴位于钢钢梁截面内)2.负弯矩区剪跨段(图中剪跨段3和4)V=Asfsy栓钉分布：一般均匀分布有较大集中力时，，按各分剪力区段段的剪力图面积分分配，然后各自均均匀分布抗剪连接键的设置置受构造等原因的的影响不能满足计计算要求时，可采采用部分抗剪连接接设计法，按《钢结构设计规范》的规定计算。4.3柱和支撑的设计4.3.1框架柱设计概要柱截面形式:箱形、焊接工字形形、H型钢、圆管等截面估计：按1.2N的轴心受压构件，，34层作一次截面变化化，厚度不宜超过过100mm板件宽厚比，见下下表长细比：多层(12层)框架柱在68度设防时不应大于于120，9度设防时不应大于于100。高层(>12层)框架柱在设防烈度度为6，7以及8和9度时，分别为120，80以及60《高层民用建筑钢结结构技术规程》(JGJ99-98)规定：计算在重力力和风力或多遇地地震荷载作用组合合下的稳定性时，，如果层间位移标标准值不超过层高高的1/250，则带支撑(或剪力墙)框架柱的计算长度度系数可取为=1.0；层间位移标准值值不超过层高的1/1000时，纯框架柱的计计算长度系数亦可可由吴侧移公式计计算确定。GB50017对有支撑框架分为为强支撑框架和弱弱支撑框架。4.3.2柱与梁的连接常见形式：刚性连接做法：完全焊接完全栓接栓焊混合改进形式完全焊接接骨形连接（Dogbone）梁端部加腋悬臂梁段柔性连接形式：连接角钢端板支托半刚性连接：端板高强螺栓连接方式式上、下角钢和高强强螺栓方式4.3.3水平支撑布置类型：横向水平支支撑、纵向水平支撑作用：临时水平支撑：为为建造和安装的安安全而设置，在施施工完毕后拆除；；永久水平支撑：水水平构件(如楼盖或屋盖构件件)不能构成水平刚度度大的隔板时设置置形式：平面桁架4.3.4竖向支撑设计构成：通常为贯通整个建建筑物高度的平面面桁架形式，通过过在两根柱构件间间设置一系列斜腹腹杆构成分类：竖向中心支撑、竖竖向偏心支撑布置：可以在建筑物纵向向的一部分柱间布布置，也可以在横横向或纵横两向布布置；其在平面上上的位置既可沿外外墙布置，也可沿沿内墙布置4.3.4.1中心支撑形式：十字交叉斜杆(图a)，单斜杆(图b)，人字形斜杆(或V形斜杆，图c)或K形斜杆(图d)体系抗震设防的结构不不得采用K形斜杆体系支撑体系都可以跨跨层跨柱设置长细比：非抗震设防结结构：受拉的的杆件长细比比不应大于300，受拉、受压压杆件的长细细比不应大于于150抗震设防结构构：板件宽厚比：：6度抗震设防和和非抗震设防防：按《钢结构设计规规范》(GB50017)抗震设防结构构：截面形式：双轴对称截面面单轴对称截面面，采取防止止绕对称轴屈屈曲的构造措措施P-效应导致的附附加效应：在重力和水平平力下，承受受水平荷载引引起的剪力外外，还承受水水平位移和重重力荷载产生生的附加弯曲曲效应，楼层层附加剪力为为：人字形和V形支撑尚应考考虑支撑跨梁梁传来的楼面面垂直荷载。。十字交叉支撑撑，人字形支支撑和V形支撑的斜杆杆，应计入柱柱在重力下的的弹性压缩变变形在斜杆中中引起的附加加压应力：对十字交叉支支撑的斜杆对于人字形和和V形支撑的斜杆杆在多遇地震效效应组合作用用下，人字形形支撑和V形支撑的斜杆杆内力应乘以以增大系数1.5支撑斜杆按受受压杆验算对于带有消能能装置的中心心支撑体系，，支撑斜杆的的承载力应为为消能装置滑滑动或屈服时时承载力的1.5倍。中心支撑节点点构造4.3.4.2偏心支撑形式：门架式(图a)，单斜杆式(图b)，人字形(图c)或V字形(图d)特征:支撑斜杆不交交于梁柱节点点耗能梁段：正正常的荷载状状态下，偏心心支撑框架具具有足够水平刚度；在遭遇遇强烈地震作作用时，耗能能梁段首先屈屈服吸收能量量长细比：不应大于120板件宽厚比：：不应超过GB50017规定的轴心受受压构件在弹弹性设计时的的宽厚比限值值耗能梁段的局局部稳定性翼缘板自由外外伸宽度b1与其厚度tf比：腹板计算高度度h0与其厚度tw之比：4.4多高层房屋结结构的分析和和设计计算4.4.1荷载4.4.1.1竖向荷载高层建筑钢结结构楼面和屋屋顶活荷载以以及雪荷载的的标准值及其其准永久系数数，应按现行行国家标准《建筑结构荷载载规范》规定采用。高层活荷载不得小小于下表规定定：4.4.1.2风荷载现行国家标准准《建筑结构荷载载规范》(GB50009)的风荷载对一一般建筑结构构的重现期为为50年，并规定对对高层建筑采采用的重现期期可适当提高高，对于特别别重要和有特特殊要求的高高层建筑，重重现期可取100年，基本风压压乘以系数1.1。应特别考虑邻邻近建筑的影影响，对于高高度超过200m的建筑物风荷荷载，应按风风洞试验确定定。当高层建筑顶顶部有小体型型的突出部分分(如伸出屋顶的的电梯间、屋屋顶瞭望塔建建筑等)时，设计应考考虑鞭梢效应应。4.4.1.3地震荷载抗震设防原则则、设计反应应谱见《建筑抗震设计计规范》。计算方法：底部剪力法振型分解反应应谱法竖向地震作用用时程分析法不少于四条能能反映当地场场地特性的地震加加速度波地震波的持续续时间不宜过过短，宜取1020s或更长人工模拟地震震波输入地震波的的峰值加速度度为4.4.2结构分析4.4.2.1计算模型计算方法：作用效应可采采用弹性方法法计算对抗震设防的的高层钢结构构验算在罕遇遇地震作用下下结构的层间间位移和层间间位移延性比比，要进行弹弹塑性分析计算模型：平面抗侧力结结构的空间协协同计算模型型：一般情况况平面结构计算算模型：用于于结构布置规规则、质量及及刚度沿高度度分布均匀、、不计扭转效效应空间结构计算算模型：适用用于结构平面面或立面不规规则、体型复复杂、无法划划分成平面抗抗侧力单元的的结构，或为为筒体结构注意要点：现浇组合楼盖盖可假定楼面面在其自身平平面内为绝对对刚性作为杆件体系系分析时，考考虑剪切变形形、轴向变形形的影响，考考虑节点域剪剪切变形对框框架侧移的影影响结构弹性分析析时宜考虑现现浇钢筋混凝凝土楼板与钢钢梁的共同工工作，结构弹弹塑性分析时时，不考虑楼楼板与梁的共共同工作柱间支撑两端端的构造应为为刚性连接，，但可按两端端铰接计算现浇竖向连续续钢筋混凝上上剪力墙，宜宜计入墙的弯弯曲变形、剪剪切变形和轴轴向变形应计入重力荷荷载引起的竖竖向构件差异异缩短所产生生的影响4.4.2.2静力分析方法法框架结构、框框架支撑结构、框框架剪力墙结结构和框筒结结构等，其内内力和位移均均可采用矩阵阵位移法计算算筒体结构可按按位移相等原原则转化为连连续的竖向悬悬臂筒体，采采用薄壁杆件件理论、有限限条法或其他他有效方法进进行计算对于高度小于于60m的建筑或在方方案设计阶段段估算截面时时，可采用如如下近似方法法计算荷载效效应：在竖向荷载作作用下，框架架内力可以采采用分层法进进行简化计算算。在水平荷荷载作用下，，框架内力和和位移可采用用D值法进行简化化计算平面布置规则则的框架支撑结构，在在水平荷载作作用下简化为为平面抗侧力力体系分析时时，可将所有有框架合并为为总框架，并并将所有竖向向支撑合并为为总支撑，然然后进行协同同工作分析。。总支撑可当当作一根弯曲曲杆件，其等等效惯性矩Ieq：平面布置规则则的框架剪力力墙结构，在在水平荷载作作用下简化为为平面抗侧力力体系分析时时，可将所有有框架合并为为总框架，所所有剪力墙合合并为总剪力力墙，然后进进行协同工作作分析平面为矩形或或其他规则形形状的框筒结结构，可采用用等效角柱法法、展开平面面框架法或等等效截面法，，转化为平面面框架进行近近似计算对规则但有偏偏心的结构进进行近似分析析时，可先按按无偏心结构构进行分析，，然后将内力力乘以修正系系数，修正系系数应按下式式计算：用底部剪力法估算算高层钢框架结构构的构件截面时，，水平地震作用下下倾覆力矩引起的的柱轴力，对体型型较规则的丙类建建筑可折减，但对对乙类建筑不应折折减。折减系数k的取值，根据所考考虑截面的位置，，按本图规定采用用。但体型不规则则的建筑或体型规规则但基本自振周周期T11.5s的结构，倾覆力矩矩不应折减将梁柱节点域当作作一个单独的单元元进行结构分析，，来计入梁柱节点点域剪切变形对高高层建筑钢结构侧侧移的影响4.4.2.3多、高层框架近似似分析方法分层法(竖向荷载作用的平平面框架)把每层作为无侧移移框架用力矩分配配法进行计算。D值法(水平荷载作用)反弯点法仅受节点水平荷载载作用时，如果梁梁的抗弯刚度远大大于柱的抗弯刚度度，则可认为柱两两端的转角为零，，从而柱段内至少少存在一个反弯点点。此时柱的转角角位移方程为：Mab=Mba=6i/h端部剪力因而为V=12i/h2=d式中d为柱的抗侧移刚度：：d=V/=12i/h2假定框架同一层所所有柱的层间位移移均相同，则框架第i层的总剪力Vi为：边柱:Mi=Mu,i1+Md,i中柱:Mil=il(Mu,i1+Md,i)/(il+ir)Mir=ir(Mu,i1+Md,i)/(il+ir)由梁端弯矩求梁的的剪力改进反弯点法（D值法）:考虑端部转角非零零的影响，对柱的的抗侧移刚度进行行修正，同时亦考考虑影响反弯点位位置的一些因素对对其进行修正，可可显著提高反弯点点法的精度。修正后柱的抗侧移移刚度记为D：称为柱侧移刚度修修正系数，与其两两端连接的横梁的的线刚度有关：反弯点高度比：反弯点到柱下端的的距离与柱高的比比值标准反弯点高度比比：层高、跨度和梁柱柱线刚度比都为常常数的多层多跨框框架在水平荷载作作用下的反弯点高高度比反弯点高度比的修修正系数为：=0+1+2+30标准反弯点高度比比，见课本1柱上下端所连接梁梁的线刚度不等时时的修正系数，底底层柱不修正，1见课本，表中1是柱两端所连接梁梁的线刚度比，注注意1与1的正负关系；4.4.2.5地震作用分析方法法基本原则：小震不坏，大震不不倒。三水准设防防和二阶段设计二阶段设计第一阶段为多遇地地震作用下的弹性性分析，验算构