多層及高層房屋結(jié)構(gòu)-鋼框架（PPT63張）

1、多層及高層房屋結(jié)構(gòu) 鋼框架4.1 多高層房屋結(jié)構(gòu)的組成 4.1.1多高層房屋結(jié)構(gòu)的類別 特點：側(cè)向荷載效應的影響突出：風荷載、地震作用分類：框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu) 框架結(jié)構(gòu)特點：平面布置較靈活，剛度分布均勻 側(cè)向剛度小，延性較大，自振周期較長，對地震作用不敏感，一般在不超過30層 框剪結(jié)構(gòu)特點：支撐或剪力墻，雙重設防 不超過4060層 筒體結(jié)構(gòu)特點： 框筒結(jié)構(gòu)框架形成的筒體結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒及其它豎向構(gòu)件主要承受豎向荷載，外層框架主要承受側(cè)向荷載 剛性樓面結(jié)構(gòu)作為框筒的橫隔 剪力滯后造成角柱的軸力過大，兩個措施 ： 控制框筒平面的長寬比 加大框筒梁和柱的線剛度之比 適用的建筑高度可超過90層 筒

2、中筒結(jié)構(gòu)減緩框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應 密柱深梁或鋼筋混凝土內(nèi)筒側(cè)向位移模式（圖4.2） ：適用高度 JGJ99-98) 依據(jù)地震設防烈度劃分： 非抗震設防的多層(12層)鋼結(jié)構(gòu)房屋形式：純采用框架結(jié)構(gòu)或斜撐(或剪力墻)體系 斜撐體系梁和柱的連接都可做成鉸支即柔性連接 抗震設防的多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋形式：中心支撐體系，不超過12層偏心支撐體系，超過12層 4.1.2 結(jié)構(gòu)布置提要 光滑曲線構(gòu)成的凸平面形式：風載體型系數(shù)小 采用中心對稱或雙軸對稱的平面形式：減小或避免在風 荷載作用下的扭轉(zhuǎn)振動平面尺寸關(guān)系 平面不規(guī)則結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)豎向布置 基礎 宜設地下室 抗震設防基礎埋深宜一致, 不宜采用局部地下室基礎埋

3、深，天然地基不宜小于H/15，樁基時不宜小于H/20采用鋼筋混凝土剪力墻或框剪結(jié)構(gòu)型式設置鋼骨(型鋼)混凝土的過渡層，一般為23層 4.2 樓蓋的布置方案和設計 4.2.1 樓蓋布置原則和方案 樓蓋結(jié)構(gòu)作用直接承受豎向荷載并將其傳遞給豎向構(gòu)件 ;橫隔作用 方案選擇要求 建筑設計 ;較小自重 ;便于施工 ;足夠的整體剛度 樓蓋結(jié)構(gòu)組成：樓板和梁系樓板 現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板、 預制樓板、壓型鋼板組合樓板 梁系由主梁和次梁組成 結(jié)構(gòu)體系包含框架時，一般以框架梁為主梁，次梁以主梁為支承4.2.2 壓型鋼板組合樓蓋的設計 布置方式： 組合樓板一般以板肋平行于主梁的方式布置于次梁上，不設次梁時以板肋垂直于主

4、梁的方式布置于主梁上。鋼梁上翼緣通長設置抗剪連接件(栓釘)傳遞水平剪力 水平剪力的傳遞形式 依靠壓型鋼板的縱向波槽； 依靠壓型鋼板上的壓痕、小洞或沖成的不閉合的孔眼； 依靠壓型鋼板上焊接的橫向鋼筋； 設置于端部的錨固件，其中端部錨固件要求在任何情形下都應當設置。 4.2.2.1 組合樓板的設計 樓板分類：組合板和非組合板 組合樓板的設計不僅要考慮使用荷載，亦要考慮施工階段荷載作用。如果壓型鋼板的跨中撓度w0大于20mm時，確定混凝土自重應考慮撓曲效應，在全跨增加混凝土厚度0.7w0，或增設臨時支撐。施工階段驗算壓型鋼板進行強度和變形驗算永久荷載包括壓型鋼板、鋼筋和混凝土的自重；可變荷載包括施工

5、荷載和附加荷載。當有過量沖擊、混凝土堆放、管線和泵的荷載時，應增加附加荷載。驗算采用彈性方法，單向板 使用階段非組合板 壓型鋼板僅作為模板使用，不考慮其承載作用，可按常規(guī)鋼筋混凝土樓板設計。無須防火。 組合板 荷載：永久荷載和使用階段的可變荷載 驗算內(nèi)容：強度和變形 變形驗算的力學模型：單向彎曲簡支板 承載力驗算的力學模型 ： 按壓型鋼板上混凝土的厚薄而分別取雙向彎曲板或單向彎曲板 驗算包括：正截面抗彎承載力、抗沖剪承載力和斜截面抗剪承載力 4.2.2.2 組合梁的設計 翼板的計算厚度 普通鋼筋混凝土翼板取原厚度h0 帶壓型鋼板的混凝土翼板取壓型鋼板頂面以上混凝土厚度hc 翼板的有效寬度bce

6、 ，按鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范 bce= b0+bc1+bc2式中 b0 為 鋼梁上翼緣寬度；bc1，bc2 各取梁跨度l的1/6和翼緣板厚度hc的6倍中的較小值。bc1尚不應超過混凝土翼板實際外伸長度s1，bc2不應超過凈距S0的1/2；對于中間梁，bc1= bc2 2.負彎矩作用時 MMp+Asfsy(y3+/y4 /2) 組合梁的組合梁的受剪承載力驗算 全部剪力由鋼梁腹板承受 ：Vhwtwfv 組合梁栓釘連接件驗算 剪跨區(qū)：沿組合梁跨長，以支座點、彎矩極值點和零點為界線劃分 栓釘連接件總數(shù)n n=V/Nvs V是剪跨區(qū)內(nèi)混凝土與鋼梁疊合面上的縱向剪力：1. 正彎矩區(qū)剪跨段(圖中剪跨段1，2和5)

7、V=Af (塑性中和軸位于混凝土翼板內(nèi)) V=bcehcfcm (塑性中和軸位于鋼梁截面內(nèi))2. 負彎矩區(qū)剪跨段(圖中剪跨段3和4) V=Asfsy栓釘分布：一般均勻分布有較大集中力時，按各分剪力區(qū)段的剪力圖面積分配，然后各自均勻分布 抗剪連接鍵的設置受構(gòu)造等原因的影響不能滿足計算要求時，可采用部分抗剪連接設計法，按鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的規(guī)定計算。 4.3 柱和支撐的設計 4.3.1 框架柱設計概要柱截面形式: 箱形、焊接工字形、H型鋼、圓管等截面估計：按1.2N的軸心受壓構(gòu)件，34層作一次截面變化，厚度不宜超過100mm 板件寬厚比，見下表長細比：多層(12層)框架柱在68度設防時不應大于120，

8、9度設防時不應大于100。高層(12層)框架柱在設防烈度為6，7以及8和9度時，分別為120，80以及60 高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ99-98)規(guī)定：計算在重力和風力或多遇地震荷載作用組合下的穩(wěn)定性時，如果層間位移標準值不超過層高的1/250，則帶支撐(或剪力墻)框架柱的計算長度系數(shù)可取為=1.0；層間位移標準值不超過層高的1/1000時，純框架柱的計算長度系數(shù)亦可由吳側(cè)移公式計算確定。GB50017對有支撐框架分為強支撐框架和弱支撐框架。 4.3.2 柱與梁的連接 常見形式：剛性連接 做法：完全焊接完全栓接栓焊混合 改進形式完全焊接骨形連接（Dog bone） 梁端部加腋 懸臂梁段

9、柔性連接形式： 連接角鋼 端板 支托 半剛性連接 ： 端板高強螺栓連接方式 上、下角鋼和高強螺栓方式4.3.3 水平支撐布置 類型：橫向水平支撐、縱向水平支撐 作用：臨時水平支撐：為建造和安裝的安全而設置，在施工完畢后拆除；永久水平支撐：水平構(gòu)件(如樓蓋或屋蓋構(gòu)件)不能構(gòu)成水平剛度大的隔板時設置 形式：平面桁架 4.3.4 豎向支撐設計 構(gòu)成： 通常為貫通整個建筑物高度的平面桁架形式，通過在兩根柱構(gòu)件間設置一系列斜腹桿構(gòu)成分類： 豎向中心支撐、豎向偏心支撐 布置： 可以在建筑物縱向的一部分柱間布置，也可以在橫向或縱橫兩向布置；其在平面上的位置既可沿外墻布置，也可沿內(nèi)墻布置 4.3.4.1 中心

10、支撐形式：十字交叉斜桿(圖a)，單斜桿(圖b)，人字形斜桿(或V形斜桿，圖c)或K形斜桿(圖d)體系抗震設防的結(jié)構(gòu)不得采用K形斜桿體系支撐體系都可以跨層跨柱設置 長細比：非抗震設防結(jié)構(gòu)：受拉的桿件長細比不應大于300 ，受拉、受壓桿件的長細比不應大于150抗震設防結(jié)構(gòu)： 板件寬厚比：6度抗震設防和非抗震設防：按鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(GB50017)抗震設防結(jié)構(gòu)： 截面形式：雙軸對稱截面單軸對稱截面，采取防止繞對稱軸屈曲的構(gòu)造措施 P-效應導致的附加效應：在重力和水平力下，承受水平荷載引起的剪力外，還承受水平位移和重力荷載產(chǎn)生的附加彎曲效應，樓層附加剪力為： 人字形和V形支撐尚應考慮支撐跨梁傳來的樓面

11、垂直荷載。十字交叉支撐，人字形支撐和V形支撐的斜桿，應計入柱在重力下的彈性壓縮變形在斜桿中引起的附加壓應力： 對十字交叉支撐的斜桿對于人字形和V形支撐的斜桿在多遇地震效應組合作用下，人字形支撐和V形支撐的斜桿內(nèi)力應乘以增大系數(shù)1.5 支撐斜桿按受壓桿驗算 對于帶有消能裝置的中心支撐體系，支撐斜桿的承載力應為消能裝置滑動或屈服時承載力的1.5倍。中心支撐節(jié)點構(gòu)造 4.3.4.2 偏心支撐形式： 門架式(圖a)，單斜桿式 (圖b)，人字形(圖c)或V字形 (圖d)特征:支撐斜桿不交于梁柱節(jié)點 耗能梁段：正常的荷載狀態(tài)下，偏心支撐框架具有足夠水平剛度；在遭遇強烈地震作用時，耗能梁段首先屈服吸收能量

12、長細比：不應大于120 板件寬厚比：不應超過GB50017規(guī)定的軸心受壓構(gòu)件在彈性設計時的寬厚比限值 耗能梁段的局部穩(wěn)定性 翼緣板自由外伸寬度b1與其厚度tf比：腹板計算高度h0與其厚度tw之比： 4.4 多高層房屋結(jié)構(gòu)的分析和設計計算 4.4.1 荷載 4.4.1.1 豎向荷載 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)樓面和屋頂活荷載以及雪荷載的標準值及其準永久系數(shù)，應按現(xiàn)行國家標準建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定采用。高層活荷載不得小于下表規(guī)定： 4.4.1.2 風荷載現(xiàn)行國家標準建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009)的風荷載對一般建筑結(jié)構(gòu)的重現(xiàn)期為50年，并規(guī)定對高層建筑采用的重現(xiàn)期可適當提高，對于特別重要和有特殊要求的高層建筑

13、，重現(xiàn)期可取100年，基本風壓乘以系數(shù)1.1。應特別考慮鄰近建筑的影響，對于高度超過200m的建筑物風荷載，應按風洞試驗確定。當高層建筑頂部有小體型的突出部分(如伸出屋頂?shù)碾娞蓍g、屋頂瞭望塔建筑等)時，設計應考慮鞭梢效應。 4.4.1.3 地震荷載 抗震設防原則、設計反應譜見建筑抗震設計規(guī)范。計算方法：底部剪力法振型分解反應譜法 豎向地震作用時程分析法不少于四條能反映當?shù)貓龅靥匦缘牡卣鸺铀俣炔?地震波的持續(xù)時間不宜過短，宜取1020s或更長 人工模擬地震波 輸入地震波的峰值加速度為 4.4.2 結(jié)構(gòu)分析 4.4.2.1 計算模型 計算方法：作用效應可采用彈性方法計算 對抗震設防的高層鋼結(jié)構(gòu)驗算

14、在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移和層間位移延性比，要進行彈塑性分析計算模型：平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同計算模型：一般情況平面結(jié)構(gòu)計算模型：用于結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、質(zhì)量及剛度沿高度分布均勻、不計扭轉(zhuǎn)效應 空間結(jié)構(gòu)計算模型：適用于結(jié)構(gòu)平面或立面不規(guī)則、體型復雜、無法劃分成平面抗側(cè)力單元的結(jié)構(gòu)，或為筒體結(jié)構(gòu) 注意要點：現(xiàn)澆組合樓蓋可假定樓面在其自身平面內(nèi)為絕對剛性 作為桿件體系分析時，考慮剪切變形、軸向變形的影響，考慮節(jié)點域剪切變形對框架側(cè)移的影響結(jié)構(gòu)彈性分析時宜考慮現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板與鋼梁的共同工作，結(jié)構(gòu)彈塑性分析時，不考慮樓板與梁的共同工作 柱間支撐兩端的構(gòu)造應為剛性連接，但可按兩端鉸接計算現(xiàn)澆豎向連續(xù)鋼

15、筋混凝上剪力墻，宜計入墻的彎曲變形、剪切變形和軸向變形 應計入重力荷載引起的豎向構(gòu)件差異縮短所產(chǎn)生的影響 4.4.2.2 靜力分析方法 框架結(jié)構(gòu)、框架支撐結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)等，其內(nèi)力和位移均可采用矩陣位移法計算筒體結(jié)構(gòu)可按位移相等原則轉(zhuǎn)化為連續(xù)的豎向懸臂筒體，采用薄壁桿件理論、有限條法或其他有效方法進行計算對于高度小于60m的建筑或在方案設計階段估算截面時，可采用如下近似方法計算荷載效應：在豎向荷載作用下，框架內(nèi)力可以采用分層法進行簡化計算。在水平荷載作用下，框架內(nèi)力和位移可采用D值法進行簡化計算平面布置規(guī)則的框架支撐結(jié)構(gòu)，在水平荷載作用下簡化為平面抗側(cè)力體系分析時，可將所有框架合

16、并為總框架，并將所有豎向支撐合并為總支撐，然后進行協(xié)同工作分析?？傊慰僧斪饕桓鶑澢鷹U件，其等效慣性矩Ieq ： 平面布置規(guī)則的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在水平荷載作用下簡化為平面抗側(cè)力體系分析時，可將所有框架合并為總框架，所有剪力墻合并為總剪力墻，然后進行協(xié)同工作分析平面為矩形或其他規(guī)則形狀的框筒結(jié)構(gòu)，可采用等效角柱法、展開平面框架法或等效截面法，轉(zhuǎn)化為平面框架進行近似計算 對規(guī)則但有偏心的結(jié)構(gòu)進行近似分析時，可先按無偏心結(jié)構(gòu)進行分析，然后將內(nèi)力乘以修正系數(shù)，修正系數(shù)應按下式計算： 用底部剪力法估算高層鋼框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面時，水平地震作用下傾覆力矩引起的柱軸力，對體型較規(guī)則的丙類建筑可折減，但對乙類建

17、筑不應折減。折減系數(shù)k的取值，根據(jù)所考慮截面的位置，按本圖規(guī)定采用。但體型不規(guī)則的建筑或體型規(guī)則但基本自振周期T11.5s的結(jié)構(gòu)，傾覆力矩不應折減 將梁柱節(jié)點域當作一個單獨的單元進行結(jié)構(gòu)分析，來計入梁柱節(jié)點域剪切變形對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響 4.4.2.3 多、高層框架近似分析方法 分層法(豎向荷載作用的平面框架) 把每層作為無側(cè)移框架用力矩分配法進行計算。D值法(水平荷載作用 ) 反彎點法 僅受節(jié)點水平荷載作用時，如果梁的抗彎剛度遠大于柱的抗彎剛度，則可認為柱兩端的轉(zhuǎn)角為零，從而柱段內(nèi)至少存在一個反彎點。此時柱的轉(zhuǎn)角位移方程為：Mab=Mba=6i /h 端部剪力因而為 V=12i /h2

18、= d 式中d 為 柱的抗側(cè)移剛度：d=V /=12i /h2 假定框架同一層所有柱的層間位移均相同，則框架第i層的總剪力Vi為： 邊柱: Mi=Mu,i1+ Md,i 中柱: Mil=il(Mu,i1+ Md,i)/(il+ir) Mir=ir(Mu,i1+ Md,i)/(il+ir)由梁端彎矩求梁的剪力 改進反彎點法（D值法）:考慮端部轉(zhuǎn)角非零的影響，對柱的抗側(cè)移剛度進行修正，同時亦考慮影響反彎點位置的一些因素對其進行修正，可顯著提高反彎點法的精度。 修正后柱的抗側(cè)移剛度記為D： 稱為柱側(cè)移剛度修正系數(shù)，與其兩端連接的橫梁的線剛度有關(guān)： 反彎點高度比：反彎點到柱下端的距離與柱高的比值標準反彎點高度比：層高、跨度和梁柱線剛度比都為常數(shù)的多層多跨框架在水平荷載作用下的反彎點高度比 反彎點高度比的修正系數(shù) 為： =0+1+2+3 0 標準反彎點高度比，見課本 1 柱上下端所連接梁的線剛度不等時的修正系數(shù)，底層柱不修正，1見課本，表中1是柱兩端所連接梁的線剛度比，注意1與1的正負關(guān)系； 4.4.2.5 地震作用分析方法 基本原則： 小震不壞，大震不倒。三水準設防和二階段設計二階段設計第一階段為多遇地震作用下的彈性分析，驗算構(gòu)件的承載力和穩(wěn)定以及結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移；第二階段為罕遇地震下的彈塑性分析，驗算結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移和層間側(cè)移