鋼和混合結(jié)構(gòu)講稿

1、鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及分析控制1。鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)2。分析模型3。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制4。混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制5?？偨Y(jié)1.1。一般鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)方案的隨意性：結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的樓層概念，它只根據(jù)需要而設(shè)置鋼梁、支撐、樓板等。建模時(shí)，采用大量的特殊手段：如層間梁、修改節(jié)點(diǎn)高度、錯(cuò)層梁、坡梁、斜柱、樓板開(kāi)大洞，等等。建筑設(shè)計(jì)只滿足功能的需要：不考慮結(jié)構(gòu)的要求，如層、層剛度、薄弱層、位移比、側(cè)移剛度，等等的概念。所以結(jié)構(gòu)布置大多為空曠的、不規(guī)則的、剛度不均勻的空間結(jié)構(gòu)。給分析帶來(lái)一定的難度。結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)：由于結(jié)構(gòu)存在較多的不規(guī)則、不連續(xù)性，多層鋼結(jié)構(gòu)大多都會(huì)產(chǎn)生多處局部振動(dòng)，造成多處薄弱部位。給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)難度。水平支撐

2、加變截面柱變截面梁柱多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房空間塔圍結(jié)構(gòu)普通多層鋼結(jié)構(gòu)普通多層鋼結(jié)構(gòu)特殊工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)1.2。高層鋼結(jié)構(gòu)的建模特點(diǎn)高層鋼結(jié)構(gòu)往往帶有，型鋼構(gòu)件、鋼管構(gòu)件、鋼板剪力墻等等特殊的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分別滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程。對(duì)一些特殊工程，還應(yīng)作模型試驗(yàn)。高層鋼結(jié)構(gòu)的建模，與高層混凝土結(jié)構(gòu)的要求基本上符合，盡量避免錯(cuò)層、樓板不連續(xù)、平立面不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。高層鋼結(jié)構(gòu)往往采用大量的支撐，超高層鋼結(jié)構(gòu)大量采用支撐轉(zhuǎn)換層、剛性層。建模時(shí)應(yīng)盡量避免越層支撐。在高層混凝土結(jié)構(gòu)的頂部加有鋼塔時(shí)，建模要根據(jù)這類結(jié)構(gòu)合理分析的需要。如：整體建模分析、分開(kāi)建模分析等等。更要考慮等效質(zhì)量、荷載的合理作用。

3、應(yīng)特別注意混合結(jié)構(gòu)的建模方法。如剪立墻與鋼梁的連接。高層鋼結(jié)構(gòu)支撐為主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)2.1。鋼結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)結(jié)構(gòu)分析應(yīng)滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程。結(jié)構(gòu)分析一般可以選擇：彈性樓板、P-效應(yīng)、總剛模型計(jì)算結(jié)構(gòu)的振型、振型數(shù)應(yīng)取得足夠多滿足有效質(zhì)量系數(shù)，等等。結(jié)構(gòu)的振型分析，可以觀察到結(jié)構(gòu)的薄弱部位，應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)的面外振動(dòng)、局部振動(dòng)。采用面外加強(qiáng)的方式，減少局部振動(dòng)和薄弱部位。當(dāng)梁的高差較?。ㄔ诹焊叻秶鷥?nèi)）時(shí)，應(yīng)簡(jiǎn)化成同一標(biāo)高，這樣可避免短柱的應(yīng)力突變，造成設(shè)計(jì)超限。當(dāng)結(jié)構(gòu)為抗震控制，應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度突變，減少薄弱層。板厚為0，產(chǎn)生大量的空曠結(jié)構(gòu)振型數(shù)要多取振型需要取到60個(gè)才能滿足要求振型需要取

4、到60個(gè)才能滿足要求局部振動(dòng)的處理當(dāng)局部振型靠前，說(shuō)明在此處形成薄弱部位的可能性越大。當(dāng)?shù)?振型就是局部振動(dòng)時(shí)，可以肯定該部位是薄弱部位，在地震作用下，將首當(dāng)其沖遭到破壞。局部振動(dòng)產(chǎn)生的薄弱部位，往往是局部的剛度失卻。如：樓板開(kāi)洞太多；只有平面內(nèi)支撐，沒(méi)有平面外支撐；或兩個(gè)方向的剛度差異太大造成。等等。改善結(jié)構(gòu)的剛度，使之均衡，以避免局部振動(dòng)。如：增加平面外的剛度等。建模的不當(dāng)或計(jì)算模型的不合理，也會(huì)造成局部振動(dòng)。通過(guò)增大振型數(shù)、保證有效質(zhì)量系數(shù)等，產(chǎn)生局部振動(dòng)的結(jié)構(gòu)雖然是可以分析的，但是在設(shè)計(jì)時(shí)，還是應(yīng)該盡量避免。2.2。鋼結(jié)構(gòu)的非線性分析在鋼結(jié)構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)考慮P-效應(yīng)，即簡(jiǎn)化的幾何非線性。

5、當(dāng)結(jié)構(gòu)受力特殊時(shí)，還應(yīng)考慮材料非線性，即彈塑性分析。鋼結(jié)構(gòu)由于其材料的一致性、各向同性性、均勻性等，其材料非線性性能是比較容易模擬的，分析結(jié)果的真實(shí)性較高。所以，一些特殊鋼結(jié)構(gòu)工程（如：體育場(chǎng)館、重要的構(gòu)筑物等）都應(yīng)考慮彈塑性分析。非線性分析也可以找到結(jié)構(gòu)的薄弱部位?？梢源_定結(jié)構(gòu)在大震下的承載能力。是目前普遍采用的方法。P-效應(yīng)的計(jì)算選擇軟件采用的計(jì)算方法軟件采用等效幾何剛度的有限元法 來(lái)考慮P-效應(yīng)。P-效應(yīng)是一種簡(jiǎn)化的幾何非線性計(jì)算方法。一般結(jié)構(gòu)還是屬于小變形，所以P-效應(yīng)是可以滿足設(shè)計(jì)需要的。當(dāng)需要考慮材料非線性時(shí)，應(yīng)采用彈塑性分析，即彈塑性靜力分析（PUSH）或彈塑性動(dòng)力分析（EPDA

6、）。以得到結(jié)構(gòu)大震下的承載能力。不考慮P-效應(yīng)不考慮P-效應(yīng)考慮P-效應(yīng)考慮P-效應(yīng)9層鋼框架模型荷載因子-位移曲線，PUSH與ABAQUS的比較位移時(shí)程曲線，EPDA與ABAQUS的比較400gal2.3。鋼結(jié)構(gòu)分析模型的簡(jiǎn)化屋架的模型簡(jiǎn)化。剛性桿或采用剛性樓板假定柱頂鉸接屋蓋計(jì)算模型簡(jiǎn)化平板網(wǎng)架的模型簡(jiǎn)化。定義超大房間按剛性樓板假定分析網(wǎng)架荷載按集中力作用到四周網(wǎng)殼的模型簡(jiǎn)化。網(wǎng)殼荷載按集中力作用到四周超大房間按板厚為0考慮注意網(wǎng)殼傳給四周的水平推力柱腳連接剛度的簡(jiǎn)化。一般上面兩種柱腳連接，都按剛接處理。但是，實(shí)際情況卻有出入。因?yàn)楦邚?qiáng)螺栓不能完全約束柱腳的位移，計(jì)算時(shí)按剛接處理，柱底約束

7、偏剛，結(jié)構(gòu)位移計(jì)算偏小，柱底內(nèi)力偏大、柱頂內(nèi)力偏小。箱形剛接柱腳連接H形剛接柱腳連接梁腹板高強(qiáng)螺栓連接剛度的簡(jiǎn)化。梁柱剛接的連接方式：翼緣焊接、腹板用高強(qiáng)螺栓連接。在計(jì)算時(shí)按剛接處理是合理的。柱梁鉸接的連接方式：腹板用高強(qiáng)螺栓連接。這種連接實(shí)際上腹板還是有承載能力的（約是剛接的40%），按鉸接處理梁的跨中彎矩將偏大，梁支座處截面（腹板）沒(méi)有進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，存在隱患。梁柱剛接梁柱鉸接主次梁的連接同梁柱的鉸接類似，也有剛度模擬問(wèn)題。嚴(yán)格地說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)的鉸接是一種半剛接，如何合理的模擬這種半剛接，是需要研究的課題。3。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制在分析高層鋼結(jié)構(gòu)時(shí)， P-效應(yīng)一般總是要考慮的，其它的設(shè)計(jì)選擇應(yīng)根據(jù)相

8、應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程而定。梁柱節(jié)點(diǎn)域的變形問(wèn)題：目前程序沒(méi)有考慮梁柱節(jié)點(diǎn)域的剪切變形，這也是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。如考慮節(jié)點(diǎn)域變形，而梁柱采用節(jié)點(diǎn)以外的長(zhǎng)度，與不考慮節(jié)點(diǎn)變形，而梁柱采用形心長(zhǎng)度。這兩種分析模型，對(duì)結(jié)構(gòu)影響變化有多大，目前研究較少。節(jié)點(diǎn)剪切變形與節(jié)點(diǎn)域的加固程度有關(guān)，所以也不容易合理地估計(jì)?？傊?，只要對(duì)節(jié)點(diǎn)域加固，一般可以不考慮節(jié)點(diǎn)域的剪切變形。偏心支撐：在高層鋼結(jié)構(gòu)中設(shè)置偏心支撐，可以提高結(jié)構(gòu)的整體延性，避免支撐附近構(gòu)件內(nèi)力突變，通過(guò)耗能梁吸收地震作用，從而達(dá)到抗震的目的。強(qiáng)柱弱梁的要求：根據(jù)抗震規(guī)范對(duì)鋼柱作“強(qiáng)柱弱梁”的驗(yàn)算。但是可以有三個(gè)放松條件。所以用戶可以對(duì)驗(yàn)算結(jié)果酌情參考、調(diào)整。

9、長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算：當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是抗震設(shè)計(jì)控制，則長(zhǎng)度系數(shù)可以取1.0。層間位移：抗震規(guī)范規(guī)定，當(dāng)?shù)卣鹆ψ饔孟碌奈灰茟?yīng)小于1/300，當(dāng)為高層鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，可以放松到1/250。同時(shí)還應(yīng)考慮舒適度的要求，控制頂點(diǎn)的加速度值。有側(cè)移無(wú)側(cè)移：1。當(dāng)樓層最大桿間位移小于1/1000時(shí)，可以按無(wú)側(cè)移設(shè)計(jì)；2。當(dāng)樓層最大桿間位移大于1/1000但小于1/300時(shí)，柱長(zhǎng)度系數(shù)可以按1.0設(shè)計(jì)；3。當(dāng)樓層最大桿間位移大于1/300時(shí)，應(yīng)按有側(cè)移設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)有側(cè)移無(wú)側(cè)移的判定有側(cè)移、無(wú)側(cè)移實(shí)際上與荷載作用有關(guān)。荷載組合基本按以下四類：（1）恒+活；（2）恒+活+風(fēng)；（3）恒+活+地震；（4）恒+活+風(fēng)+地震。其中，2、3、4

10、類組合有可能是有側(cè)移的，而第1類組合一般認(rèn)為是無(wú)側(cè)移。從抗震規(guī)范第8.2.3條（包含第3.6.3條）中的要求，并參考相應(yīng)的（第3.6.3條）條文說(shuō)明，在某種荷載組合作用下，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定系數(shù)來(lái)判定，公式如下：結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定系數(shù)P第i層以上的全部重力荷載設(shè)計(jì)值V由水平荷載在第i層產(chǎn)生的樓層剪力設(shè)計(jì)值由樓層剪力引起的第i層質(zhì)心處的一階彈性層間位移H第i層的樓層高度上述公式適用于剛性樓板假定情況。也可以推廣到一般情況。在不同的荷載組合作用下，水平荷載在第i層產(chǎn)生的樓層剪力是不同的，計(jì)算的樓層穩(wěn)定系數(shù)也各有差異。 當(dāng)樓層穩(wěn)定系數(shù)不超過(guò)0.05時(shí)，則可以把該樓層看作是無(wú)側(cè)移的。 根據(jù)這種方法，軟件

11、將進(jìn)一步的改進(jìn)?？梢詫?duì)每一組荷載組合時(shí)，判斷有無(wú)側(cè)移的情況，取用不同的長(zhǎng)度系數(shù)?？紤]P-效應(yīng)高層鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇支撐體系結(jié)構(gòu)可以選擇“框剪結(jié)構(gòu)”0.25Qo的調(diào)整中心支撐和偏心支撐中心支撐可以提供較大的剛度，但是會(huì)造成柱內(nèi)力的突變，尤其高層鋼結(jié)構(gòu)支撐軸力很大，柱將承擔(dān)很大的剪力。所以中心支撐多用于多層鋼結(jié)構(gòu)。偏心支撐及其產(chǎn)生的耗能梁結(jié)構(gòu)體系，可以提供較大的延性，在大震下耗能梁首先進(jìn)入塑性，以吸收地震能量，從而減少震害。其多用于高層鋼結(jié)構(gòu)。耗能梁的設(shè)置和設(shè)計(jì)耗能梁應(yīng)設(shè)置在柱端部受力集中部位，另一端與偏心支撐相連。耗能梁可以理解為偏心支撐結(jié)構(gòu)的“保險(xiǎn)絲”，在大震作用下通過(guò)耗能梁的非彈性變形來(lái)消耗地震

12、能量，而使偏心支撐不屈曲（保證其承載能力），以保證結(jié)構(gòu)在大震下的穩(wěn)定性。為使偏心支撐能夠承擔(dān)耗能梁段的端部彎矩，支撐與梁應(yīng)設(shè)計(jì)成剛接。耗能梁與偏心支撐結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系具有：（ 1）彈性階段的剛度接近中心支撐體系；（2）彈塑性階段的延性和消能能力接近于延性框架體系。偏心支撐結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)原則：強(qiáng)柱、強(qiáng)支撐、弱耗能梁。偏心支撐結(jié)構(gòu)體系的種類梁、支撐連接處按剛接設(shè)計(jì)4?；旌辖Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)控制混合結(jié)構(gòu)主要是指：（1）型鋼混凝土、鋼組合結(jié)構(gòu)；（2）圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；（3）矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；（4）鋼與混凝土組合梁結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土、鋼組合結(jié)構(gòu)：型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，常常伴有鋼結(jié)構(gòu)，以保證構(gòu)件連接的順暢。這種體系具有

13、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的剛度和鋼結(jié)構(gòu)的延性。結(jié)構(gòu)一般按區(qū)域布置，下部為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，上部為鋼結(jié)構(gòu)。上下部應(yīng)按各自的結(jié)構(gòu)性能要求來(lái)控制。當(dāng)上部鋼結(jié)構(gòu)占據(jù)較多層，結(jié)構(gòu)整體分析宜按鋼結(jié)構(gòu)，地震分析時(shí)，結(jié)構(gòu)阻尼比宜按0.03（可以比純鋼結(jié)構(gòu)略大些）。圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)：圓鋼管能有效約束其中的混凝土，使混凝土受到三向約束，混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力顯著提高（矩形鋼管則不具備這個(gè)效能）。圓鋼管混凝土一般用在大軸壓力（或伴有大彎矩）的柱（大跨度柱）中，可以起到很好的效果。矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)：矩形鋼管對(duì)管內(nèi)混凝土的約束作用遠(yuǎn)不如圓形鋼管，但是它與空的箱形鋼管比，承載力大大提高，而且容易與其它構(gòu)件連接。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可

14、以按“鋼結(jié)構(gòu)”來(lái)設(shè)計(jì)控制。材料的阻尼比可以比純鋼結(jié)構(gòu)略大。鋼與混凝土組合梁結(jié)構(gòu)：組合梁結(jié)構(gòu)在分析時(shí)，需要分施工階段和使用階段。施工階段時(shí)，樓面只有鋼梁，并要承擔(dān)混凝土板的荷載；使用階段時(shí)，可以考慮混凝土板與鋼梁的共同工作?；旌辖Y(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，需遵循以下設(shè)計(jì)規(guī)程：型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需遵循型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ 138-2001圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需遵循鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程CECS 28:90矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需遵循矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS 159:2004鋼與混凝土組合梁設(shè)計(jì)，需遵循鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50017-20035?？偨Y(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)（1）在軟件編制

15、中按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范、建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行截面相應(yīng)的截面強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定等的驗(yàn)算。（2）按高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程計(jì)算地震力和地震參數(shù)，可對(duì)鋼柱進(jìn)行0.25Qo的基底剪力調(diào)整。（3）在抗震規(guī)范的第八章中，對(duì)鋼柱、鋼梁和鋼支撐以強(qiáng)制條文的方式，規(guī)定了桿件的寬厚比、高厚比和長(zhǎng)細(xì)比，所以當(dāng)遇到不滿足強(qiáng)制性條文的規(guī)定時(shí)，軟件將嚴(yán)格報(bào)錯(cuò)，以提示用戶注意。鋼結(jié)構(gòu)的整體分析（1）鋼結(jié)構(gòu)的整體分析與混凝土結(jié)構(gòu)一樣，不但要滿足抗震規(guī)范的相應(yīng)條文，如：最小基底剪力、薄弱層、層剛度比、位移比、周期比、最大位移角等等控制，還應(yīng)該根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)變形較大的特點(diǎn)，

16、考慮偶然偏心、雙向地震、二階變形效應(yīng)，如：P-效應(yīng)。對(duì)重要的結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮彈塑性變形分析，如：彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析、彈塑性靜力推覆分析。（2）當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)是由空間桿件組成，帶有大量的空洞、交錯(cuò)結(jié)構(gòu)、空間斜交結(jié)構(gòu)，空間弧形構(gòu)件、支架、塔架、桁架、屋架等等，在分析時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的獨(dú)立的“彈性節(jié)點(diǎn)”，這就要求在建模、分析時(shí)注意：復(fù)雜構(gòu)件連接應(yīng)盡量選擇空間整體建模，如SPASCAD；整體分析時(shí)振型數(shù)應(yīng)取得足夠的多，應(yīng)以“有效質(zhì)量系數(shù)”大于90%為滿足依據(jù)。（3）鋼的彈性模量比混凝土大的多，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)可以按“一次性加載”計(jì)算恒載。鋼結(jié)構(gòu)允許變形大，分析應(yīng)考慮P-效應(yīng)?？紤]P-效應(yīng)后，水平位移增大約5%10%。一般當(dāng)

17、桿間位移大于1/250時(shí)應(yīng)該考慮P-效應(yīng)。（4）鋼柱的“有側(cè)移”、或“無(wú)側(cè)移”選擇，可以按以下原則考慮：（A）當(dāng)樓層最大桿間位移小于1/1000時(shí)，可以按無(wú)側(cè)移設(shè)計(jì)；（B）當(dāng)樓層最大桿間位移大于1/1000但小于1/300時(shí)，柱長(zhǎng)度系數(shù)可以按1.0設(shè)計(jì)；（C）當(dāng)樓層最大桿間位移大于1/300時(shí)，應(yīng)按有側(cè)移設(shè)計(jì)。（5）目前軟件沒(méi)有考慮鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的剪切變形，可以通過(guò)加強(qiáng)鋼柱的節(jié)點(diǎn)域，如在節(jié)點(diǎn)中間夾焊綴板等方法，來(lái)提高節(jié)點(diǎn)域的剛度，減少節(jié)點(diǎn)域的剪切變形。這一點(diǎn)對(duì)H型鋼的柱節(jié)點(diǎn)尤其重要，在高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也是要重點(diǎn)關(guān)注的。鋼結(jié)構(gòu)的位移控制（1）抗震規(guī)范規(guī)定，當(dāng)?shù)卣鹆ψ饔孟碌奈灰茟?yīng)小于1/300，當(dāng)結(jié)構(gòu)為高層鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，可以放松到1/250。同時(shí)還應(yīng)考慮舒適度的要求，控制頂點(diǎn)的加速度值。（2）同樣鋼結(jié)構(gòu)也應(yīng)該有偶然偏心、雙向地震，并且位移控制