多高層鋼結(jié)構(gòu)課件

1、第三章多層及高層鋼結(jié)構(gòu)第三章多層及高層鋼結(jié)構(gòu) 3-1 概述 一、多、高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用1、建筑用鋼量 國(guó)內(nèi)：全部鋼產(chǎn)量的20%25% 國(guó)外（美國(guó)、日本）：50% 我國(guó)真正用于鋼結(jié)構(gòu)的鋼材僅為200300 萬(wàn)噸（年產(chǎn)量1億噸）2、典型的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑 3-1 概述 一、多、高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用1、建第一臺(tái)北國(guó)際金融中心（101樓）101層高508米臺(tái)北第一臺(tái)北第二、三吉隆坡佩納斯大廈(雙塔)95層高452米2019年建成第二、三多高層鋼結(jié)構(gòu)課件第四西爾斯大樓110層高443米美國(guó)芝加哥第四第五上海金茂大廈88層高420米2019年落成 第五第六國(guó)際金融中心大廈（二期）高416米中國(guó)香港第六第七

2、中信廣場(chǎng)大廈中國(guó)廣州第七第八信興廣場(chǎng)大廈中國(guó)深圳第八第九帝國(guó)大廈高381米美國(guó)紐約第九第十中央廣場(chǎng)大廈高374米中國(guó)香港第十世貿(mào)中心，高417米和415米，110層 世貿(mào)中心，高417米和415米，110層 阿聯(lián)酋迪拜大廈（在建）據(jù)說世界第一阿聯(lián)酋95層高466米在建 上海環(huán)球金融中心95層上海環(huán)球金融中心二、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) (1)自重輕、強(qiáng)度高 采用鋼結(jié)構(gòu)承重骨架, 比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輕1/3以上。結(jié)構(gòu)自重輕,可以減少運(yùn)輸和吊裝費(fèi)用,基礎(chǔ)的負(fù)載也相應(yīng)減少,在地質(zhì)條件較差地區(qū),可以降低基礎(chǔ)造價(jià)。 (2)抗震性能好 鋼材的彈塑性性能好, 地震作用下具有良好的延性。自重輕也顯著減少地震作用,一

3、般可減少40%左右主要表現(xiàn)在:具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益和力學(xué)性能二、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) (1)自重輕、強(qiáng)度高 (2)抗震性(3)有效使用面積高 構(gòu)件斷面小,所占面積?。煌瑫r(shí)還可適當(dāng)降低建筑層高。與同類鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)相比,可相應(yīng)增加建筑使用面積約4%。(4)建造速度快 構(gòu)件制造工廠化，現(xiàn)場(chǎng)安裝，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)面寬敞?？蓪?shí)施平行立體交叉作業(yè)。與同類鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)相比. 一般可縮短建設(shè)周期約1/41/3。(5)防火性能差 無(wú)耐火防護(hù)的鋼構(gòu)件,其平均耐火時(shí)限約15min左右,明顯低于混凝土結(jié)構(gòu)。故有防火要求時(shí)，構(gòu)件表面必須用專門的防火涂料防護(hù),以滿足防火規(guī)范的要求。 (3)有效使用面積高(4)建

4、造速度快(5)防火性能差 特點(diǎn)：平面布置靈活，可為提供較大的室內(nèi)空間，結(jié)構(gòu)各部分剛度比較均勻?？蚣芙Y(jié)構(gòu)有較大的延性，自振周期較長(zhǎng)，因而對(duì)地震作用不敏感，抗震性能好。但框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小，由于側(cè)向位移大，易引起非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，因此不宜建的太高。純框架結(jié)構(gòu)體系在地震區(qū)一般不超過15層。三、多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)體系1.框架結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)：平面布置靈活，可為提供較大的室內(nèi)空間，結(jié)構(gòu)各部多高層鋼結(jié)構(gòu)課件2.框架-支撐體系 純框架側(cè)移不滿足時(shí)，可以采用帶支撐的框架，即在框架體系中，沿結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個(gè)方向布置一定數(shù)量的支撐。沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，形成一個(gè)支撐芯筒。豎向支撐桁架起剪力墻的作用，

5、能獲得比純框架結(jié)構(gòu)大的多的抗側(cè)力剛度，可以明顯減小建筑物的層間位移。2.框架-支撐體系 純框架側(cè)移不滿足時(shí)，可以采用帶支撐支撐的形式和布置支撐的形式和布置 在水平力作用下, 支撐頂部將產(chǎn)生很大的水平變位。此時(shí)可在頂層設(shè)置帽桁架及在中間某層設(shè)置腰桁架。帽桁架和腰桁架使外圍柱與核心抗剪結(jié)構(gòu)共同工作, 可有效減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向變位, 剛度也有很大提高。腰桁架的間距一般為12-15層,腰桁架越密整個(gè)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)體作用越強(qiáng)這種結(jié)構(gòu)通常被稱為部分筒體結(jié)構(gòu)體系),當(dāng)僅設(shè)一道腰桁架時(shí), 最佳位置是在離建筑頂端0.455H高度。 在水平力作用下, 支撐頂部將產(chǎn)生很大的水平變位。此時(shí) 在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻可以

6、組成框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)以剪力墻作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，既具有框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活、使用方便的特點(diǎn)，又有較大的剛度，可用于40至60層的高層鋼結(jié)構(gòu)。當(dāng)鋼筋混凝土墻沿服務(wù)性面積（如樓梯間、電梯間和衛(wèi)生間）周圍設(shè)置，就形成框架多筒體結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系在各個(gè)方向都具有較大的抗側(cè)力剛度，成為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)大部分水平荷載，鋼框架主要承受豎向荷載。3. 框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系 在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻可以組成框架剪力墻結(jié)剪力墻鋼筋混凝土剪力墻鋼筋混凝土帶縫剪力墻鋼板剪力墻剛度較大,地震時(shí)易發(fā)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致墻體產(chǎn)生斜向大裂縫而脆性破壞。即在鋼筋混凝土墻體中按一定間距設(shè)置框架結(jié)構(gòu)豎縫。這樣墻

7、體成了許多并列的壁柱, 在風(fēng)載和小震下處于彈性階段, 確保結(jié)構(gòu)的使用功能。在強(qiáng)震時(shí)進(jìn)入塑性階段, 能吸收大量地震能量, 各壁柱繼續(xù)保持其承載能力, 以防止建筑物倒塌。以厚約8lOmm的鋼板做成剪力墻,與鋼框架組合,起到剛性構(gòu)件的作用。剪力墻鋼筋混凝土剪力墻鋼筋混凝土帶縫剪力墻鋼板剪力墻剛度較大 將框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)置于內(nèi)筒的四周形成封閉的核心筒體，而外圍鋼框架柱柱網(wǎng)較密，形成框架-核心筒體系。中心筒體既可采用鋼結(jié)構(gòu)亦可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),核心筒體承擔(dān)全部或大部分水平力及扭轉(zhuǎn)力。樓面多采用鋼梁、壓型鋼板與現(xiàn)澆混凝土組成的組合結(jié)構(gòu)，與內(nèi)外筒均有較好的連接，水平荷載將通過剛性樓面?zhèn)?/p>

8、遞到核心筒。鋼與鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)的水平剛度取決于核心筒的高寬比。 4.框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系 將框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)置于內(nèi)筒的四周5.筒體結(jié)構(gòu) 由內(nèi)外兩個(gè)筒體（筒中筒）或多個(gè)筒體結(jié)構(gòu)（束筒體系）組合而成，共同抵抗水平力，具有很好的空間作用，適用于90層左右的鋼結(jié)構(gòu)建筑。5.筒體結(jié)構(gòu) 由內(nèi)外兩個(gè)筒體（筒中筒）或多個(gè)筒體結(jié)構(gòu)（6.懸掛結(jié)構(gòu)6.懸掛結(jié)構(gòu)多高層鋼結(jié)構(gòu)課件1.確定合理的結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點(diǎn)的連接（形式）方法；2.選擇結(jié)構(gòu)和連接的材料并提出相應(yīng)的技術(shù)性能指標(biāo)；3.維護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇（從結(jié)構(gòu)上考慮）；4.構(gòu)件的形式并初步估算截面尺寸；5.荷載匯集及荷載組合；6.地震作用計(jì)算；7.結(jié)構(gòu)變

9、形及內(nèi)力計(jì)算；8.內(nèi)力組合及構(gòu)件截面驗(yàn)算；9.連接的設(shè)計(jì)計(jì)算；10.維護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算；11.基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；12.其他。三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟1.確定合理的結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點(diǎn)的連接（形式）方法；三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3-2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算特點(diǎn) 一、結(jié)構(gòu)的荷載種類豎向荷載：永久荷載（自重和使用荷載）水平荷載：風(fēng)荷載地震作用：水平和豎向二、荷載計(jì)算1.風(fēng)荷載2.地震作用計(jì)算 3-2 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算特點(diǎn) 一、結(jié)構(gòu)的荷載種三、計(jì)算的一般原則1. 多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移一般采用彈性方法計(jì)算。對(duì)有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)，除進(jìn)行多遇地震作用下的彈性效應(yīng)計(jì)算外，還應(yīng)考慮在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)可能進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，采用彈

10、塑性方法進(jìn)行分析。2.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)通常采用現(xiàn)澆組合樓蓋，一般可假定樓面在自身平面內(nèi)為絕對(duì)剛性。但在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取保證樓面整體剛度的構(gòu)造措施，如加設(shè)梁抗剪件、非剛性樓面加整澆層等。對(duì)整體性較差、或樓面有大開孔、有較長(zhǎng)外伸段或相鄰層剛度有突變的樓面，當(dāng)不能保證樓面的整體剛度時(shí)，宜采用樓板平面內(nèi)的實(shí)際剛度。三、計(jì)算的一般原則1. 多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移一般采用3. 由于樓板與鋼梁連接在一起，當(dāng)進(jìn)行多高層鋼結(jié)構(gòu)的彈性分析時(shí)，宜考慮現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板與鋼梁的共同工作，此時(shí)應(yīng)保證樓板與鋼梁間有可靠連接。當(dāng)進(jìn)行彈塑性分析對(duì)，樓板可能嚴(yán)重開裂因此，不宜考慮樓板與鋼梁的共同工作。4. 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算模

11、型應(yīng)視具體結(jié)構(gòu)形式和計(jì)算內(nèi)容規(guī)定。一般情況下可采用平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同計(jì)算模型。當(dāng)結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、質(zhì)量及剛度沿高度分布均勻、不計(jì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，可采用平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型；當(dāng)結(jié)構(gòu)平面或立面不規(guī)則、體型復(fù)雜、無(wú)法劃分成平面抗側(cè)力單元或?yàn)楹?jiǎn)單結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。3. 由于樓板與鋼梁連接在一起，當(dāng)進(jìn)行多高層鋼結(jié)構(gòu)的彈性分析5. 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件的跨高比較小，在計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移時(shí)，除考慮梁、柱的彎曲變形和柱的軸向變形外，尚應(yīng)考慮梁、柱的剪切變形。由于梁的軸力很小，一般不考慮梁的軸向變形，但當(dāng)梁同時(shí)作為腰桁架或帽桁架的弦桿時(shí)，應(yīng)計(jì)入軸力的影響。6. 鋼框架一剪力墻體系中，現(xiàn)澆豎向連續(xù)鋼筋

12、混凝土剪力墻的計(jì)算應(yīng)計(jì)入墻的彎曲變形、剪切變形和軸向變形。 當(dāng)鋼筋混凝土剪力墻具有比較規(guī)則的開孔時(shí)，可按帶剛域的框架計(jì)算；當(dāng)具有復(fù)雜開孔時(shí)，宜采用平面有限元法計(jì)算。5. 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件的跨高比較小，在計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和7. 柱間支撐兩端應(yīng)為剛性連接，但可按兩端鉸接連接計(jì)算，其端部連接的剛度通過支撐構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度加以考慮。若采用偏心支撐，由于耗能梁段在大震時(shí)將首先屈服，計(jì)算時(shí)應(yīng)取為單獨(dú)單元。7. 柱間支撐兩端應(yīng)為剛性連接，但可按兩端鉸接連接計(jì)算，其端四、梁、柱的截面形式四、梁、柱的截面形式 (一)PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件STS (二)STAAD/CHINA 2000鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與繪圖軟件

13、 (三)ANSYS (四)芬蘭Xsteel中文版智能鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)系統(tǒng) (五)StruCad三維鋼結(jié)構(gòu)詳圖系統(tǒng) (六)SCIA鋼結(jié)構(gòu)CAE/CAD/CIM一體化軟件 (七)PS2000門式剛架輕型房屋設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng) (八)門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)軟件GFCAD (九)PDSOFT SteelWorks三維鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析計(jì)算軟件 (十)同濟(jì)大學(xué)空間鋼結(jié)構(gòu)軟件3D3S (十一)多高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)M&TSteel (十二)廣廈建筑鋼結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng) 五、內(nèi)力與位移計(jì)算 1.鋼結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力分析一般應(yīng)借助計(jì)算機(jī)完成。 (一)PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件STS五、內(nèi)力與位移2.人工計(jì)算內(nèi)力和位移（初步設(shè)

14、計(jì)時(shí)截面的預(yù)估）(1)地震作用、風(fēng)荷載作用下，采用D值法。 (2)豎向荷載作用下，采用分層法、或彎矩二次分配法3.結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)，應(yīng)注意的問題(1)節(jié)點(diǎn)板域剪切變形的影響節(jié)點(diǎn)域剪切變形對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)水平位移影響一般可達(dá)10%20。2.人工計(jì)算內(nèi)力和位移（初步設(shè)計(jì)時(shí)截面的預(yù)估）(1)地震作用（2）P效應(yīng)影響 豎向荷載作用下，因水平位移而產(chǎn)生的內(nèi)力與位移增大的現(xiàn)象，即P效應(yīng)。a.一階彈性分析 第一階段設(shè)計(jì)采用線彈性計(jì)算方法，豎向荷載作用下與水平荷載作用下的內(nèi)力和位移是彼此獨(dú)立的，兩者的內(nèi)力與位移可以直接相加。b.二階彈性分析（非線性分析） 50層左右的高層鋼結(jié)構(gòu)P效應(yīng)產(chǎn)生的二階內(nèi)力和位移可達(dá)15以上

15、。 地震作用下，抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：當(dāng)結(jié)構(gòu)地震作用下的重力附加彎矩大于初始彎矩的10時(shí)，應(yīng)計(jì)入重力二階效應(yīng)。（2）P效應(yīng)影響 豎向荷載作用下，因水平位移而產(chǎn)生六、位移限制1.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下，頂點(diǎn)質(zhì)心位置的側(cè)移不宜超過建筑高度的1/600，質(zhì)心層間側(cè)移不宜超過樓層高度1/400。結(jié)構(gòu)平面端部構(gòu)件最大側(cè)移不得超過質(zhì)心側(cè)移的1.2倍2.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的第一階段抗震設(shè)計(jì)，其層間側(cè)移標(biāo)準(zhǔn)值不得超過結(jié)構(gòu)層高的1/250。3.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的第二階段抗震設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)層間側(cè)移不得超過層高的1/70，結(jié)構(gòu)層間側(cè)移延性比不大于下表的規(guī)定。 六、位移限制1.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下，頂點(diǎn)質(zhì)心位置的3

16、3 壓型鋼板組合樓（屋蓋）結(jié)構(gòu)一、在確定樓蓋結(jié)構(gòu)方案時(shí)，應(yīng)考慮以下要求： 保證樓蓋有足夠的平面整體剛度； 減輕結(jié)構(gòu)的自重及減小結(jié)構(gòu)層的高度； 有利于現(xiàn)場(chǎng)安裝方便及快速施工； 較好的防火、隔音性能，并使于管線的敷設(shè)。 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的最常用的做法為在鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板，再燒注整體鋼筋混凝土板，形成組合樓板。 33 壓型鋼板組合樓（屋蓋）結(jié)構(gòu)一、在確定樓蓋結(jié)構(gòu)方案鋼與混凝土組合樓（屋）蓋鋼與混凝土組合樓（屋）蓋二、組合樓板的設(shè)計(jì)要求 1.組合樓蓋常用的壓型鋼板一般由厚0.8一1.0mm的熱鍍鋅薄板成型，長(zhǎng)度為812m。各塊壓型鋼板之間應(yīng)用緊固件將其連成整體。安裝時(shí)，壓型鋼板表面的油污應(yīng)清除，避免長(zhǎng)

17、期暴露而生銹。對(duì)處于較嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下的建筑，不宜采用壓型鋼板組合樓蓋體系。 2.設(shè)計(jì)樓蓋結(jié)構(gòu)時(shí)，壓型鋼板可以有三種形式: 壓型鋼板只作為永久性模板使用； 壓型鋼板既是模板又作為底面受拉配筋；即組合樓板；壓型鋼板承受全部樓板活荷載。 僅作為永久性模板使用時(shí)，壓型鋼板承受施工荷載和混凝土的重量。 對(duì)同時(shí)兼作模板和受拉配筋的壓型鋼板組合樓板的設(shè)計(jì)，應(yīng)分階段驗(yàn)算，即施工階段和使用階段。 二、組合樓板的設(shè)計(jì)要求 1.組合樓蓋常用的壓型鋼板一般由厚三、組合梁的設(shè)計(jì)要求組合梁由鋼筋混凝土翼板、抗剪連接件和鋼梁組成1.組合梁翼板的有效寬度三、組合梁的設(shè)計(jì)要求組合梁由鋼筋混凝土翼板、抗剪連接件和鋼梁2.組合梁的

18、截面設(shè)計(jì) 組合梁截面高度一般為跨度的1/151/16，鋼梁截面高度不宜小于組合梁截面總高度的1/2.5。截面設(shè)計(jì)計(jì)算方法：彈性分析方法塑性分析方法3.組合梁連接件設(shè)計(jì)（1形式（2）作用2.組合梁的截面設(shè)計(jì) 組合梁截面高度一般為3-4 構(gòu)件及其連接設(shè)計(jì)特點(diǎn)一、梁的設(shè)計(jì)1.強(qiáng)度2.整體穩(wěn)定3.局部穩(wěn)定4.剛度3-4 構(gòu)件及其連接設(shè)計(jì)特點(diǎn)一、梁的設(shè)計(jì)1.強(qiáng)度2.整體二、柱的設(shè)計(jì)1、強(qiáng)度和穩(wěn)定2、板件寬厚比3.長(zhǎng)細(xì)比7度及7度以上設(shè)防，6度和非抗震設(shè)防，二、柱的設(shè)計(jì)1、強(qiáng)度和穩(wěn)定2、板件寬厚比3.長(zhǎng)細(xì)比7度及7度三、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.中心支撐內(nèi)力計(jì)算特點(diǎn) 垂直支撐作為豎向桁架的斜桿，主要承受水平荷載（風(fēng)荷載或多遇地震作用）引起的剪力。但由于高層建筑在水平荷載下變形較大在重力和水平力下，還承受水平位移和重力荷載產(chǎn)生的附加彎曲效應(yīng)。水平位移主要由兩部分引起，即樓層安裝初始傾斜率和荷載作用下