多层钢结构设计.ppt

1,多层钢结构设计,2,第三章 多层钢结构设计,第一节 多层钢结构体系第二节 多层钢结构的荷载效应和组合第三节 多层钢结构的内力分析第四节 钢与混凝土组合板和组合梁*第五节 多层钢结构的连接第六节 多层钢结构设计实例,3,第一节 多层钢结构体系,4,第一节 多层钢结构体系,一、多层钢结构类型1.1 柱支撑体系,5,第一节 多层钢结构体系,一、多层钢结构类型1.1 柱支撑体系1.2 纯框架体系1.3 框架支撑体系,6,第一节 多层钢结构体系,一、多层钢结构类型1.1 柱支撑体系 框架梁柱节点均为铰接 在纵向和横向沿柱高设置竖向柱间支撑 空间刚度及抗侧力均由支撑提供 适用于柱距不大、双向支撑不影响空间流动 设计、制作、安装简单 抗侧刚度大，用钢量小,7,第一节 多层钢结构体系,一、多层钢结构类型1.2 纯框架体系,8,第一节 多层钢结构体系,一、多层钢结构类型1.2 纯框架体系 纵横两向均为刚接框架 其承载力及空间刚度由刚接框架提供 用于柱距较大，无法设置支撑的建筑物 节点构造复杂，用钢量较多 空间利用大,9,第一节 多层钢结构体系,一、多层钢结构类型1.3 框架支撑体系,10,第一节 多层钢结构体系,一、多层钢结构类型1.3 框架支撑体系 纵向为柱支撑体系，横向为纯框架体系 利于空间流动，简化设计，降低用钢量 实际工程中多采用此种形式 多用于平面纵向较长，横向较短,11,第一节 多层钢结构体系,二、多层钢结构的布置 布置原则：柱网梁系布置合理，纵向横向刚度可靠、均匀，构件传力明确、类型统一，节点形式简单、便于施工。各层楼盖应采用平面刚性楼盖，楼盖主次梁连接宜用平接连接构造。当横向布置支撑时，柱间支撑应不大于4L（L有支撑的柱间距）设置一道；有抗震要求时，还要考虑抗震要求。,12,第一节 多层钢结构体系,二、多层钢结构的布置 布置原则：沿竖向的布置可以采用分段变截面（柱及支撑）的做法，但应防止楼层间的刚度变化。支撑结构体系用钢量少而刚度大，抗侧能力明显且构造简单，宜优先采用；布置时应注意合理及均匀，避免及减少刚度中心的偏移。,13,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,一、荷载效应1.1 恒载（永久荷载）建筑物自重，分项系数取1.2；楼盖上的永久设备荷载，分项系数取1.2；注意：当恒载在荷载组合中为有力作用，分项系数取1.0。,14,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,一、荷载效应1.2 活载（可变荷载）雪荷载，分项系数取1.4；积灰荷载，分项系数取1.4；楼层活载，分项系数取1.4（Q4 1.3）；风荷载，风载标准值，分项系数取1.4；,15,对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按荷载规范中表7.2.1中确定。地面粗糙度可分为A、B、C、D 四类：A 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；C 类指有密集建筑群的城市市区；D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。,16,风压高度变化系数还应考虑地形条件的修正：对于山峰和山坡 对于远离海面和海岛,17,18,对于基本自振周期T1 大于0.25s 的工程结构，如房屋、屋盖及各种高耸结构,以及对于高度大于30m 且高宽比大于1.5 的高柔房屋，均应考虑风压脉动对结构发 生顺风向风振的影响。风振计算应按随机振动理论进行，结构的自振周期应按结构动力学计算。,一般情况1、钢结构 T1=（0.100.15）n2、钢筋混凝土结构 T1=（0.050.10）n,19,例题：一幢矩形平面的8层办公楼，其平面尺寸为22m50m，房屋高度H=28m。基本风压 W0=0.60kN/m2。地面粗糙度属D类。求风荷载标准值。,（1）风压高度变化系数 地面粗糙度属D类 房高H=28m，（2）荷载体型系数 迎风面，背风面（3）型振系数 H=28m30m，H/B=28/22-1.271.5，（4）荷载标准值,20,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,一、荷载效应1.2 活载（可变荷载）地震作用：结构本身质量对结构体产生地震作用，主要有两种：1）水平地震作用：内力组合中重要的作用2）竖向地震作用：大跨度或大悬臂构件,21,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,一、荷载效应1）水平地震作用：计算多层框架地震作用时，采用组合内力中主要的作用；一般采用振型分解反应谱法,j 振型时，i 质点水平地震作用标准值,22,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,一、荷载效应1）水平地震作用：,相应于j振型自振周期的水平地震影响系数，应以抗震规范中以max、特征周期Tg、结构自振周期T等来确定；,j振型质点i的水平相对位移；,i质点的重力荷载代表值；,23,底部剪力法,1.高度不超过40且平面和竖向较规则的以剪切变形为主的建筑，可采用底部剪力法计算；2.对于高度不超过60m的建筑预估截面时，可采用底部剪力法计算。,超过12层钢结构：,24,表4.4,表4.5,25,建筑结构地震影响系数曲线的阻尼调整和形状参数应符合下列要求：,1 除有专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05，地震影响系数曲线的阻尼调整系数应按1.0采用，形状数应符合下列规定：1)直线上升段，周期小于0.1s的区段。2)水平段，自0.1s至特征周期区段，应取最大值(max)。3)曲线下降段，自特征周期至5倍特征周期区段，衰减指数应取0.9。4)直线下降段，自5倍特征周期至6s区段，下降斜率调整系数应取0.02。,26,表4.3,27,2 当建筑结构的阻尼比按有关规定不等于0.05时，地震影响系数曲线的阻尼调整系数和形状参数应符合下列规定：,1)曲线下降段的衰减指数应按下式确定：,2)直线下降段的下降斜率调整系数应按下式确定：,3)阻尼调整系数应按下式确定：,28,框架梁柱线刚度计算,横梁线刚度 在框架结构中，通常现浇层的楼板，可以作为梁的有效翼缘，增大梁的有效刚度，减少框架侧移，为考虑这一有利作用，在计算梁截面惯性矩时，对现浇楼面的边框架梁取,(,为梁的截面惯性矩)，对中框架梁取,本设计取中框架，则,，梁线刚度见表2.1,表2.1 梁线刚度,的计算表,29,30,31,32,33,34,35,36,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,一、荷载效应1）水平地震作用：规则结构，采用平面计算模型；平面不规则，应采用空间计算模型；刚度中心与重心有较大偏差，应考虑扭转,37,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,一、荷载效应2）竖向地震作用：计算多层框架内大跨度（l24m）或大悬臂构件时应考虑；一般采用重力荷载代表值与竖向地震作用系数的乘积来计算,38,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,二、荷载效应S（内力）组合2.1 用活载计算荷载效应 不考虑地震设计：按荷载规范折减，确定最不利组合；考虑地震设计，采用考虑地震作用荷载组合的重力荷载代表值进行计算。,39,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,二、荷载效应S（内力）组合2.2 多层框架的总效应S（弯矩、剪力、轴力）考虑各类荷载效应及最不利组合 不考虑地震作用效应的基本组合,40,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,二、荷载效应S（内力）组合2.2 多层框架的总效应S（弯矩、剪力、轴力）考虑各类荷载效应及最不利组合 考虑地震作用效应的基本组合 确定地震作用时的重力荷载代表值,41,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,二、荷载效应S（内力）组合2.2 多层框架的总效应S（弯矩、剪力、轴力）荷载的四种代表值：标准值 组合值 频遇值 准永久值,荷载标准值是荷载的基本代表值其他代表值均在标准值的基础上乘以相应的系数后得出,42,第二节 多层钢结构的荷载效应和组合,二、荷载效应S（内力）组合2.2 多层框架的总效应S（弯矩、剪力、轴力）考虑各类荷载效应及最不利组合 考虑地震作用效应的基本组合考虑地震作用效应，其总效应,43,第三节 多层钢结构的内力分析,一、一般规定二、半框架法三、柱支撑框架体系水平荷载下近似计算方法四、多层钢结构的梁五、多层钢结构的柱六、多层钢结构的支撑,44,第三节 多层钢结构的内力分析,一、一般规定 平面规则，横向框架宜采用平面计算模型 平面不规则且楼盖为刚性楼盖，宜采用空间计算模型,45,第三节 多层钢结构的内力分析,一、一般规定 平面规则，纵向框架计算一般可以按柱列法计算当各柱列纵向刚度差别较大且楼盖为刚性楼盖，宜采用空间计算模型,46,第三节 多层钢结构的内力分析,一、一般规定 地震作用计算时，宜将重量集中于各楼层的计算模型，同时按不同的维护结构考虑其自振周期的折减系数 当为轻质砌块及悬挂预制墙板时 0.9 当为重砌块墙外包时0.85 当为重砌块墙嵌砌时0.8 对于维护结构一般只考虑质量，不考虑其刚度,47,第三节 多层钢结构的内力分析,一、一般规定 一般对横向框架计算宜采用软件计算，层数不多时可以采用手算法，具体方法：竖向荷载作用下的内力效应可以近似的分层法计算；水平荷载作用下的内力效应可采用半刚架、改进反弯点法（D值法）等近似方法计算。,48,竖向荷载作用下的内力计算方法分层法,按照叠加原理，多层框架在竖向荷载作用下的内力，可看成是各层竖向荷载单独作用下内力的叠加(a)；,各层梁上单独作用竖向荷载时，仅在图(b)所示结构的实线部分产生内力，虚线部分中所产生的内力可忽略不计,独立刚架单元，柱的远端简化为固定支承。用弯矩分配法进行计算，节点的不平衡弯矩只在本单元内进行分配传递，图（c）,49,C,在D值法中，横梁不再是无变形的刚性梁，即考虑了节点转角的影响,节点转动影响系数，反映了由于节点转动而使柱抗侧刚度降低的程度,由 的表达式可见，相对转动越大，越小，表明约束作用越小，柱的抗侧刚度降低越多。而转动的大小与梁柱线刚度有关,50,修正后柱的反弯点高度,影响柱反弯点高度的主要因素是该柱上下端的约束条件，如果约束条件相同，柱上下端的转角相同，反弯点就在柱的中点。如两端约束能力不同，则杆端转角就不一样，反弯点会向约束刚度小转角大的一端移动。,柱两端的约束刚度与结构总层数、该层所在位置、梁柱线刚度比、上下两层梁的线刚度比以及上下层层高的变化等因素有关,51,反弯点高度,式中 反弯点到下柱的距离；标准反弯点高度比；上下层横梁刚度变化时反弯点高度比的修正值；、上下层层高变化时反弯点高度比的修正值。,52,第三节 多层钢结构的内力分析,一、一般规定 多层框架柱的计算长度H0取为H，其中系数 的确定：有侧移框架，在框架平面内的计算长度按规定选取；无侧移框架（有支撑体系），可取1.0。多层框架在风荷载作用下，顶点的横向水平位移（标准值）不宜大于（H为框架柱总高），层间相对位移不宜大于（h为层高），对无隔墙的多层框架，可以不验算其层间位移。按多遇地震进行抗震设计时，多层框架的层间侧移（标准值）不应大于层高的1/250,53,第三节 多层钢结构的内力分析,一、一般规定 多层框架的框架梁上采用压型钢板组合楼板且有可靠连接时，在进行框架内力计算的梁截面特性中应计入混凝土楼板的作用，对楼盖主梁可以近似取其惯性矩，对其他情况可取，为相应钢梁的惯性矩。对刚度沿高度分布均匀的框架，其基本自振周期T1可近似按下式计算：,54,第三节 多层钢结构的内力分析,二、半框架法 在水平荷载作用下，假定刚架各层横梁的反弯点均位于横梁中点，且该点无竖向位移；利用各跨反对称的原理，将多层多跨平面刚接分解为若干个半刚架。,55,第三节 多层钢结构的内力分析,二、半框架法 将原框架各楼层所受的水平荷载，按楼层叠加后作用于等效刚架的相应楼层上，然后用弯矩分配计算等效半刚架的内力 计算等效半刚架每一层标高处在水平荷载作用下的水平位移，并假定此水平位移即为原刚架各相应楼层的水平位移。根据已知原刚架的水平位移，即可求出各层柱子的固端弯矩，并假定刚架不再有侧移，因此可以用弯矩分配法直接计算出水平荷载作用下的弯矩图。,56,第三节 多层钢结构的内力分析,二、半框架法 在竖向荷载作用下，假定刚架无侧移，即各层横梁的跨中截面无转动，仅有竖向位移，于是可以利用各跨对称变形的关系，将刚架分解为若干半刚架。先求出原框架中横梁在竖向荷载作用下的固端弯矩，然后在各半刚架中进行弯矩分配，可求的原刚架在竖向荷载作用下的弯矩图。将竖向荷载和水平荷载作用下的弯矩图相迭加，即可求出原刚架的最终弯矩图。,57,第三节 多层钢结构的内力分析,三、柱支撑框架体系水平荷载下近似计算方法 先计算出在水平荷载作用下，支撑（承担剪力）的剪力分配系数。用水平荷载，乘以剪力分配系数，可求得每楼每层各柱间支撑所承担的剪力，并可求得支撑杆的内力。按结构力学的桁架计算方法，可以求得柱在水平荷载作用下的内力。,58,第三节 多层钢结构的内力分析,四、多层钢结构的梁1、截面形式,59,第三节 多层钢结构的内力分析,四、多层钢结构的梁2、梁的计算按梁、柱两端或最不利截面计算确定。构件验算后需要调整截面，调整后截面惯性矩与原假定的惯性矩相差大于30时，宜对原框架计算内力亦进行相应的调整。对于楼板为钢铺板的框架梁，当不直接承受动力荷载时，可考虑按塑性设计要求验算截面。计算梁的挠度，可将梁上翼缘每侧15t（板厚）宽度的铺板计入梁的截面惯性矩。,60,第三节 多层钢结构的内力分析,五、多层钢结构的柱1、截面形式 轧制、焊接H型钢 十字焊接型钢：适用于有较高的刚度要求 方钢管、圆钢管：荷载、柱高较大；外观,61,第三节 多层钢结构的内力分析,五、多层钢结构的柱2、柱的计算 框架柱应按两个主轴方向分别进行强度及稳定的验算。若采用板材厚度超过60mm（Q235）或36mm（Q345）（重型钢结构），材料除要考虑力学的指标，还要考虑防止分层。,62,第三节 多层钢结构的内力分析,六、多层钢结构的支撑1、支撑的布置与形式原则：承受各方向的水平荷载 保证结构的整体稳定及安装过程中的局部、整体稳定。多布置在框架的纵向与横向，并应与主轴对称,63,第三节 多层钢结构的内力分析,六、多层钢结构的支撑1、支撑的布置与形式,64,第三节 多层钢结构的内力分析,六、多层钢结构的支撑1、支撑的布置与形式 沿高度布置应从上到下贯通 主要形式：X形支撑、K形支撑、华伦式桁架,65,第三节 多层钢结构的内力分析,六、多层钢结构的支撑2、支撑的计算 支撑一般为拉压杆设计 计算时，需考虑附加内力N（对柱子约束的影响）层间剪力，有两种，取大值：实际水平荷载产生的层间剪力；层间节点水平荷载：,66,第三节 多层钢结构的内力分析,六、多层钢结构的支撑2、支撑的计算交叉斜杆因柱子在垂直荷载下的变形，而产生的附加内力N,67,第五节 多层钢结构的连接,一、连接的一般规定二、梁柱节点三、柱的拼接连接四、柱脚,68,第五节 多层钢结构的连接,一、连接的一般规定 一般连接有三种：焊接、摩擦型高强螺栓和栓焊混合连接,69,第五节 多层钢结构的连接,一、连接的一般规定 一般连接有三种：对于栓焊混合连接，螺栓部分的承载力应考虑先栓后焊的温度影响乘以折减系数0.9。对于节点连接中将同一力传至同一连接件上时，不允许同时采用两种方法连接（比如又栓又焊）,70,第五节 多层钢结构的连接,一、连接的一般规定 节点焊接应满足的下列要求：A、全熔透焊缝，其焊缝质量检验应符合一级或二级质量要求。要求与母材等强的焊接连接或拼接。框架节点塑性区段的焊接连接B、焊缝金属应与母材强度相匹配：Q235E43焊条或焊丝 Q345E50焊条或焊丝 不同强度材料焊接时，应按强度较低的钢材选用,71,第五节 多层钢结构的连接,一、连接的一般规定 节点焊接应满足的下列要求：C、应充分考虑施工净空和条件，对与高空施工条件困难的现场焊缝，其承载力应乘以折减系数0.9。对较重要的或受力较复杂的节点，当按所传内力（不是按与母材等强）进行连接设计时，宜使连接的承载力留有1015的裕度。,72,第五节 多层钢结构的连接,一、连接的一般规定 多层框架结构体系中的梁柱节点及柱脚节点均应设计为刚接节点；柱支撑结构体系中的梁柱连接节点可设计为铰接节点柱脚应考虑安装时稳定而具有一定的刚接抗弯性能。,73,第五节 多层钢结构的连接,一、连接的一般规定 框架承重构件的现场拼接均应为等强拼接（用摩擦型高强螺栓连接或焊接连接）柱段高度h1一般按3层一段考虑，拼接点高度h2宜按主梁顶面以上1.01.3m考虑多层框架梁柱及支撑的安装单元划分,74,第五节 多层钢结构的连接,一、连接的一般规定 对8度及9度抗震设防区的多层框架，其梁柱节点及连接还要进行节点塑性区段的校核：梁端或柱端由构件端面算起1/10跨长或2倍截面高度范围A、节点连接的极限承载力不应小于所连接构件（梁、柱、支撑）截面塑性承载力的1.2倍（抗弯承载力）及1.3倍（抗剪承载力）。B、塑性区段的构件板截面宽厚比及受弯构件侧向支撑点区段的长细比均应符合钢结构规范的要求。,75,第五节 多层钢结构的连接,二、梁柱节点 梁柱节点有铰接、半刚性连接或刚性连接,76,第五节 多层钢结构的连接,二、梁柱节点 梁柱节点有铰接、半刚性连接或刚性连接,77,第五节 多层钢结构的连接,二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式：梁柱丁字形连接（全焊接）,1）梁要加工准确；2）有仰焊,78,第五节 多层钢结构的连接,二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式：梁柱宽翼缘T字形连接（全焊接）,1）T型加劲板的高度要大于横梁高度；2）与柱翼缘连接刚度稍大,79,第五节 多层钢结构的连接,二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式：梁柱通过盖板和角钢连接（栓焊连接）,肋板,下部板,80,第五节 多层钢结构的连接,二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式：梁与十字形截面柱连接 采用水平盖板和竖向板与梁连接 水平板传递弯矩，竖向板传递剪力 上水平板为楔形，与梁柱连接 下水平板与竖向板先焊接在柱上起支托作用 截面对称，四个方向构造完全相同,81,第五节 多层钢结构的连接,二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式：方钢管柱与梁的节点连接 分为铰接、半刚性节点、刚接节点,82,第五节 多层钢结构的连接,三、柱的拼接 一般布置在反弯点区，避免大弯矩区 一般有以下几种：上下柱通过焊缝传力端部铣平传力竖向连接板传力（高度、宽度不等，腹板相等）横向填板传力（截面不等）上柱宽度与下柱腹板相等：将下柱翼缘板向上伸出，使上柱插入焊接，腹板另加拼接板；当腹板不等时：采用横向填板，此时横向填板下要加焊竖向肋板传递压力,83,第五节 多层钢结构的连接,四、柱脚 一般有两种：铰接、刚接 铰接：1）铰接框架脚,84,第五节 多层钢结构的连接,四、柱脚 铰接：2）完全铰接框架脚,85,第五节 多层钢结构的连接,四、柱脚 铰接：3）辊轴式铰支座,86,第五节 多层钢结构的连接,四、柱脚 刚接：承受弯矩，压力由底板直接传递给基础，剪力则由底板的剪力块来传递。为保证一定的稳定，还需加焊加劲肋,87,第五节 多层钢结构的连接,四、柱脚 刚接：通用型,88,第五节 多层钢结构的连接,四、柱脚 刚接：格构式柱一般采用分离式柱脚，每个柱肢即是一个轴心受压的单独柱脚，柱肢压力由每个柱脚传给基础，弯矩由锚栓来传递，剪力由底板剪力块来传递。柱脚间由角钢构件连接,89,第六节 多层钢结构设计,90,第六节 多层钢结构设计,91,第六节 多层钢结构设计,二、横向刚架计算取一榀框架作为平面计算框架荷载计算屋面恒荷载大型屋面板整浇混凝土楼板钢梁自重,92,第六节 多层钢结构设计,二、横向刚架计算取一榀框架作为平面计算框架荷载计算屋面活荷载屋面雪荷载屋面活荷载,93,第六节 多层钢结构设计,二、横向刚架计算取一榀框架作为平面计算框架荷载计算风载向风面背风面,94,第六节 多层钢结构设计,1 荷载计算7)地震作用质量集中到横向刚架节点,95,第六节 多层钢结构设计,1 荷载计算7)地震作用质量集中到横向刚架节点,96,第六节 多层钢结构设计,2 内力计算及组合分别按荷载基本组合及地震作用组合需考虑产生内力的荷载恒载活荷载风荷载符号规定：柱：内侧受拉为正，外侧受拉为负；梁：下侧受拉为正，上侧受拉为负；当组合中有风载与活荷载共同作用时，所有活荷载考虑组合系数0.85,97,第六节 多层钢结构设计,2 内力计算及组合,98,第六节 多层钢结构设计,3 杆件截面验算（1）基本组合时的杆件截面验算（2）地震作用下的内力组合及构件截面验算1）地震作用内力组合A、重力荷载代表值的效应恒载：标准值EG（1.2），故可取原值；活载：只取雪载：雪载0.5EG（1.2）标准值0.75EG（1.2）故可统一将活载数据0.7,99,第六节 多层钢结构设计,3 杆件截面验算（2）地震作用下的内力组合及构件截面验算B、计算并绘制地震作用下的内力图C、地震作用下的内力组合,100,第六节 多层钢结构设计,3 杆件截面验算（2）地震作用下的内力组合及构件截面验算2）梁、柱截面验算梁柱截面承载力调整系数为0.8局部稳定按规范的塑性设计中的限制考虑,