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1、2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 第三章 多高層鋼結構設計 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 內容提要 3.1 輕鋼結構概述 3.2 輕型鋼屋架設計 3.3 鋼管屋架設計 昆明理工大學 建工學院 土木系 3.4 門式剛架結構設計 3.5 金屬拱形波紋屋蓋 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.1多高層鋼結構的特點與結構體系 1 4.1.1 多高層鋼結構的特點 高層建筑發(fā)展的基本原因 a)經濟的發(fā)展； b)城市人口增多； c)建設用地減少； d)地價上漲； e)建筑科技進步； f)

2、輕質高強材料的應用。 高層建筑的發(fā)展簡況 城市人口集中，用地緊張，以及商業(yè)競爭 的激烈化，促使近代高層建筑的出現(xiàn)和發(fā) 展。 中國最早的高層建筑是一些寺、塔。 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.1多高層鋼結構的特點與結構體系 1 國外高層建筑發(fā)展的 3個階段 第一階段 ，在 19世紀中期之前，歐洲和美國一般只能 建造 6層左右的建筑。 第二階段 ，從 19世紀中葉開始到 20世紀 50年代，世界 上第一幢近代高層建筑是美國芝加哥的家庭保險公司大 樓， 11層，高 55m，建于 1884年。到 19世紀末，高層 建筑已突破 100m大關。 1931年在美國紐

3、約曼哈頓建造 的 102層、高 381m的著名的帝國大廈，它保持世界最 高建筑記錄達 42年之久。 第三階段 ，從 20世紀 50年代到現(xiàn)在，高層建筑已出現(xiàn) 多種結構體系，如 RC結構， S結構。 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 高層結構體系的發(fā)展過程 始用年代 結構體系和特點 1885 1889 1903 20世紀初 二次大戰(zhàn)后 20世紀 50年代 20世紀六七十年 代 20世紀 80年代 20世紀 80年代中 期 磚墻、鑄鐵柱、鋼梁 鋼框柱 鋼筋混凝土框架 鋼框架支撐 鋼筋混凝土框架剪力墻

4、、鋼筋混凝土剪力墻、預制鋼筋混凝土 結構 鋼框架鋼筋混凝土核芯筒、鋼骨鋼筋混凝土結構 框筒、筒中筒、束筒、懸掛結構、偏心支撐和帶縫剪力墻板框架 巨型結構、應力蒙皮結構、隔震結構 被動耗能結構、主動控制結構、混合控制結構 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.1多高層鋼結構的特點與結構體系 1 我國多高層鋼結構 自 20世紀 80年代中期起步，隨后 在北京、上海、深圳、大連等地陸續(xù)建成大量多高層 建筑鋼結構。 多高層鋼結構的特點 自重輕 抗震性能好 有效使用面積高 建造速度快 防火、防腐性能差 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木

5、系 4.1多高層鋼結構的特點與結構體系 2 4.1.2. 多高層鋼結構的結構體系 1 -框架體系 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.1多高層鋼結構的特點與結構體系 2 -框架 -剪力墻體系 4.1.2. 多高層鋼結構的結構體系 2 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.1多高層鋼結構的特點與結構體系 2 -框架 -支撐結構體系 4.1.2. 多高層鋼結構的結構體系 3 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.1多高層鋼結構的特點與結構體系 2 -框架 -筒體結構體系 4.1.2. 多高層鋼結構的結

6、構體系 4 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.1多高層鋼結構的特點與結構體系 2 -筒體結構體系 西爾斯 (Sears)大樓筒體變化圖 筒中筒結構 4.1.2. 多高層鋼結構的結構體系 5 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.1多高層鋼結構的特點與結構體系 2 -巨型框架體系 4.1.2. 多高層鋼結構的結構體系 6 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 第四章 多高層鋼結構設計 4.2 多高層鋼結構的計算特點 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點

7、 1 4.2.1 荷載 1 水平方向的風荷載和地震作用 ，對高層鋼結構設計起 著 主要的控制作用 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 2 1. 豎向荷載 永久荷載（結構自重） 可變荷載（樓面及屋面活荷載） 注：相關荷載按 建筑結構荷載規(guī)范 （ GB50009- 2001)的有關條文取值。 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 3 2. 風荷載 ozszk ww -風壓高度變化系數(shù) z -風荷載體型系數(shù) s -順風向 z高度處的風振系數(shù) z 注： 相關系

8、數(shù)按 建筑結構荷載規(guī)范 （ GB50009-2001)和 高 層民用建筑鋼結構技術規(guī)程 （ JGJ99-98）的有關條文取值。 式中， -任意高度處的風荷載標準值（ kN/m2） kw -高層建筑基本風壓（ kN/m2） 0w 風荷載標準值 由下式計算 kw 基本風壓 ：當?shù)乇容^空曠平 坦地面上離地 10m高統(tǒng)計所 得的 50年一遇 10min平均最 大風速 v0為標準，按 v02/1600 確定的風壓值 . 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 4 3. 地震作用 抗震設防烈度 -按國家規(guī)定的權限批準作為

9、一個地區(qū)抗震設防依據(jù)的地 震烈度 ; -必須按國家規(guī)定的權限審批、頒發(fā)的文件（圖件）確定 ; -設防范圍 6-9度 抗震設防目標 小震不壞、中震可修、大震不倒 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 階 段 目 標 烈 度 地震 作用 性質 受力狀態(tài) 驗算內容 第一 階段 小震不壞 （隱含中 震可修） 多遇地震作 用對應的烈 度（小震） 可變 作用 彈性（部分 彈塑性） 構件的承載力和穩(wěn)定 結構的層間位移 第二 階段 大震不倒 罕遇地震作 用對應的烈 度（大震） 偶然 作用 彈塑性 結構的層間位移及 層間側移延性比 兩階段設計

10、 4.2 多高層鋼結構的計算特點 5 注： 1）第一階段為彈性分析，包括截面設計和變形計算； 2）大部分建筑 的第二階段設計主要由概念設計和構造措施來保證。 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 三水準地震作用的標定 4.2 多高層鋼結構的計算特點 6 基本假定 地震強度呈極值分布 烈度符合極值 III型 I Im I0 Is f(I) 地震影響 50年超越概 率 地震重現(xiàn)期 多遇地震對應的烈度 -眾值烈度 小震 63.2% 50年 設防烈度 中震 10% 475年 罕遇地震對應的烈度 大震 2-3% 1642-2475年 Im=I0-1.5

11、5 Is80m， 7、 8度 I、 II類場地乙、丙類建筑 H60m， 8度 III、 IV類場地和 9度乙、丙類建筑 彈塑 性 簡化方法 （略） 時程分析法 （略） 豎向 彈性 底部軸力法 需考慮豎向地震作用的結構 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 12 計算模型 集中質量模型 多高層房屋 無扭轉 有扭轉 單層廠房 橫向 縱向 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 13 2）設計反應譜 max45.0 max2 max2 T T

12、g m a x12 )5(2.0 gTT 61.0 gT gT5 sT/ 地震影響系數(shù)曲線 GkGgPG APG ASgmmSF aa 圖中， 55.0 05.09.0 曲線下降段的衰減指數(shù) 阻尼比 8 05.002.0 1 7.106.0 05.01 2 1下降斜率調整系數(shù) 2阻尼調整系數(shù) 動力系數(shù) 地震系數(shù) 地震影響系數(shù) 最大地震作用 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 14 烈度 6 7 8 9 多遇地震 0.04 0.08(0.12) 0.16(0.24) 0.

13、32 罕遇地震 0.50(0.72) 0.90(1.20) 1.40 場地類別 I II III IV 第一組 0.25 0.35 0.45 0.65 第二組 0.30 0.40 0.55 0.75 第三組 0.35 0.45 0.65 0.90 特征周期 Tg（ s） 水平地震影響系數(shù)最大值 max max和 Tg分別按下列表格取值 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 15 3）水平地震作用計算 底部剪力法 計算方法 底部剪力的計算 地震作用沿高度的分配 頂部附加地震作用 突出屋面小建筑物 eqEk GF

14、 1 )1( 1 nEkn i ii ii i F HG HGF Eknn FF n im ini FFV Geq 結構等效重力荷載代表值 SDOF： Geq=G1 MDOF： Geq=Sum ( Gi )*0.85 或 Geq=Sum ( Gi )*0.80 Hi Fi FEk Fn mHi 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 16 振型分解反應譜法 ijijjji GaF 2jSS 計算振型 計算地震影響系數(shù)和振型參與系數(shù) 計算振型地震作用 計算振型地震效應 振型組合 n j ijinnii

15、jiiii yayayayayax 1 2211 n i jii n i jiij XGXG 1 2 1 a1i xg(t) aji ani xi(t) 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 17 時程分析法 豎向特別不規(guī)則的建筑 高度較大的建筑 采用時程分析法進行補充計算 采用能反應當?shù)貓龅靥卣鞯牡卣鸩ú荒苌儆?4條，其 中宜包括一條本地區(qū)歷史上發(fā)生地震時的實測記錄波 地震波的持續(xù)時間不宜過短，宜取 10 20s或更長 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 18

16、4.2.2 結構計算 1. 結構計算的一般原則 結構計算可采用 彈性方法計算 ?？拐鹪O防結構尚應考慮罕遇 地震下的 彈塑性計算 ； 現(xiàn)澆組合樓蓋 可假設在其 自身平面內絕對剛性 ； 彈性分析時 ， 宜考慮 現(xiàn)澆樓蓋與鋼梁的 共同工作 ，此時應保 證樓板與鋼梁間有可靠連接； 彈塑性分析時 ， 不宜考慮 樓板與 鋼梁的 共同工作 ； 計算模型應視具體結構形式和計算內容確定，一般情況下可采 用平面抗側力結構的 空間協(xié)同計算模型 ；當結構布置規(guī)則、質 量及剛度沿高度分布均勻、不計扭轉效應時，可采用 平面結構 計算模型 ；當結構平面或立面不規(guī)則、體型復雜、無法劃分成 平面抗側力單元的結構，或為

17、筒體結構時，應采用 空間結構計 算模型 ； 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 19 高層建筑 鋼結構梁柱 構件的 跨高比較小 ，計算結構的內力和 位移時，除考慮梁、柱的彎曲變形和柱的軸向變形外， 尚應計 算梁、柱的剪切變形 ； 鋼框架剪力墻體系中， 現(xiàn)澆剪力墻 的計算 按照鋼筋混 凝土結構設計 ，應記入墻的彎曲、剪切和軸向變形； 柱間支撐兩端應為剛性連接 ，但可按兩端鉸接連接計算，其端部 連接的剛度通過支撐構件的計算長度加以考慮；若采用偏心支撐， 由于耗能梁段在大震時將首先屈服，計算時應取為單獨單元； 鋼框架支撐結構的斜桿可按端

18、部鉸接桿計算 ；框架部分按計算 得到的地震剪力應乘以調整系數(shù)，達到不小于結構底部總地震剪力 的 25和框架部分地震剪力最大值 1.8倍兩者中的較小者。 中心支撐框架的 斜桿軸線偏離梁柱軸線交點不超過支撐桿件的寬 度時，仍可按中心支撐框架分析 ，但應計及由此產生的附加彎距； 人字形和 V形支撐組合的內力設計值應乘以增大系數(shù)，可取 1.5。 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 20 2. 內力與位移計算 規(guī)范規(guī)定在進行內力及位移分析時可以采用較為精確的程序計 算方法，也可以采用近似的簡化計算方法。 程序計算的基本方法矩陣位移法 簡化

19、近似計算方法分層法、 D值法 采用近似計算方法計算高層鋼結構的內力與位移時，尚應注意 以下問題 應考慮梁柱節(jié)點域的剪切變形對側移的影響； 高層建筑鋼結構的 P- 效應較強，一般應驗算結構的整體穩(wěn)定性。 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 21 高層建筑鋼結構的 P- 效應較強，一般應驗算結構的整體穩(wěn)定 性。但同時符合下列條件時，可不驗算結構的整體穩(wěn)定。 （ 1）結構各樓層柱的長細比和平均軸壓比滿足 180 m pm m N N 式中： m樓層柱的長細比； Nm樓層柱的平均軸壓力設計值； Npm樓層柱的平均全塑性軸壓

20、力； mypm AfN 式中： fy鋼材的屈服強度； Am柱截面面積的平均值； 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 22 （ 2）結構按一階線彈性計算所得的各樓層層間相對位移值滿足 v h F F h u 12.0 式中： u按一階線彈性計算所得的層間位移； Fh計算樓層以上全部水平作用之和； 對不符合以上兩條件的高層建筑鋼結構，需驗算 結構的整體穩(wěn)定。 Fv計算樓層以上全部豎向作用之和； 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 23 3. 承載力驗算

21、鋼結構構件的承載能力應滿足下列公式要求： RS 0 RE RS 非抗震設計 第一階段抗震設計時 式中： 0結構重要性系數(shù)； S地震作用效應組合設計值； R結構構件承載力設計值； RE結構構件承載力的抗震調整系數(shù)； 構件名稱 梁 柱 支撐 節(jié)點 節(jié)點焊縫 節(jié)點螺栓 RE 0.80 0.85 0.90 0.90 1.0 1.0 構件承載力抗震調整系數(shù) 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.2 多高層鋼結構的計算特點 24 4. 位移限制 不考慮地震作用時， 結構在風荷載作用下 500 H 400 h 第一階段抗震設計 300 h 頂點側移

22、 層間側移 層間側移 第二階段抗震設計 50 h層間側移 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 第四章 多高層鋼結構設計 4.3 多層多跨框架設計 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.3 多層多跨框架設計 1 4.3.1 構件設計 -框架梁設計 梁的抗彎強度 梁的抗剪強度 梁的整體穩(wěn)定 梁的局部穩(wěn)定 -框架柱設計 框架節(jié)點處實現(xiàn)強柱弱梁設計概念的計算要求 fWM nx x x v wx ftIVS ybpb c ycpc fWA NfW )( 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.3

23、多層多跨框架設計 2 軸壓比驗算 強度 fAN c6.0 fWMAN nxx x n 柱平面內、外穩(wěn)定驗算 f N NW M A N Ex xx x )8.01( 1 fWMAN xb x y 1 柱的局部穩(wěn)定 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.3 多層多跨框架設計 3 中心支撐構件可用單斜桿、十字交叉斜桿、人字形或 V形斜桿體系 -中心支撐構件 設計時應注意 1）在計算中心支撐斜桿內力時，地震力應乘以增大系數(shù)，單斜桿支 撐和交叉支撐乘以 1.3，人字形支撐和 V形支撐乘 1.5。 2）在多遇地震作用組合下，支撐斜桿的抗壓驗算按

24、下式進行： 支撐斜桿宜采用雙軸對稱截面，當采用單軸對稱截面時，宜防止出 現(xiàn)繞截面對稱屈曲。 REbry f A N 35.01 1 E f y 3）剛度：滿足相關長細比的要求 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.3 多層多跨框架設計 4 4.3.2 連接節(jié)點設計 -節(jié)點設計的一般要求 梁柱連接 柱柱連接 梁梁連接 滿足傳力可靠、構造簡單、具有抗震延性及施工方便的要求。 非抗震設計，彈性受力階段設計 第一階段抗震設計，彈性受力階段設計 第二階段抗震設計，彈塑性受力階段設計，按照結構抗震設計 遵循的原則，節(jié)點的極限承載力要高于構件本

25、身的承載力。 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.3 多層多跨框架設計 5 4.3.2 連接節(jié)點設計 節(jié)點域穩(wěn)定 -節(jié)點計算 節(jié)點域抗剪強度 -節(jié)點設計的一般要求 梁柱連接 柱柱連接 梁梁連接 連接彈塑性設計 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 第四章 多高層鋼結構設計 4.4 組合樓蓋設計 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.4 組合樓蓋設計 1 -確定樓蓋結構方案時，應考慮以下要求： -保證樓蓋有足夠的平面整體剛度 -減輕結構的自重及減小結構層的高度 -有利于現(xiàn)場安裝方便及快速施工

26、 -鋼結構常用樓蓋做法 -壓型鋼板組合樓板 -預制樓板 -疊合樓板 -普通現(xiàn)澆樓板 -具有較好的防火、隔音性能，并便于管線的鋪設 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.4 組合樓蓋設計 2 4.4.1 壓型鋼板的形式 -閉口形槽口的壓型鋼板 -開口形槽口的壓型鋼板，在其腹板翼緣上軋制 凹凸形槽紋作為剪力連接件 -開口形槽口的壓型鋼板，同時在它的翼緣上另 焊橫向鋼筋，以增強抗剪切粘結能力 4.4.2 組合板的極限狀態(tài) -沿正截面彎曲破壞 -沿混凝土與壓型鋼板界面縱向水平剪切破壞 -沿斜截面剪切破壞 -沖剪破壞 2020/11/8 昆明理工

27、大學 建工學院 土木系 4.4 組合樓蓋設計 3 4.4.3 組合板的設計 -施工階段 -使用階段 施工階段的荷載 內力計算 截面承載力及撓度計算 施工階段的荷載 內力計算 截面承載力及撓度計算 （ 1）正截面抗彎承載力的計算 a)當 時，塑性中和軸在壓型鋼板頂面以 上的混凝土內，組合板的抗彎承載力按下式計算 ccp bhffA 1 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.4 組合樓蓋設計 4 （ 2）縱向抗剪計算 )2(8.0 01 xhbxfM c bf fAx c p 1 b)當

28、 時，塑性中和軸在壓型鋼板內，組合板 的抗彎承載力按下式計算 ccp bhffA 1 )(8.0 2211 pppcc yfAybhfM )(5.0 12 f bhfAA ccpp 國內開口壓型板的回歸公式 thWaVV rul 30210 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.4 組合樓蓋設計 5 （ 3）斜截面抗剪承載力計算 進口帶齒或閉口型可采用美國 Porter和 Ekbery教授得出 的回歸公式： 2)(8.0 100 lgfk a hm s bhVV cul 07.0 bhfV tin （ 4）抗沖剪計算

29、 ccrt hufV 6.01 （ 5）組合板的撓度 360 l （ 6）組合板的振動控制 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.4 組合樓蓋設計 6 4.4.4 組合板的構造要求 壓型鋼板的表面應有鍍鋅保護層 壓型鋼板的凈厚度不應小于 0.75mm； 組合樓板截面的全高不應小于 90mm，且壓型鋼板頂 面至組合板頂面的高度不應小于 50mm； 組合板中的壓型鋼板在鋼梁上的支承長度不應小于 50mm， 在鋼筋混凝土梁或砌體上的支承長度不應小于 75mm； 組合板通過帶頭栓釘穿過壓型鋼板焊接于鋼梁上或鋼筋混 凝土梁的預埋鋼板上，栓釘?shù)脑O置應符合下列構造要求： （ 1）跨度小于 3米的組合板，栓釘直徑宜為 13mm或 16mm； 跨度 3 6米的組合板，栓釘直徑宜為 16mm或 19mm；跨度大 于 6米的組合板，栓釘直徑宜為 19mm； 2020/11/8 昆明理工大學 建工學院 土木系 4.4 組合樓蓋設計 7 （ 2）焊后栓釘長度應滿足其高出壓型鋼板頂面 30mm，且 應設在支座處壓型鋼板的凹肋中穿透壓型鋼板焊牢在梁上。