钢结构第9章-多层与高层建筑钢结构设计

第9章多层与高层建筑钢结构设计9.1概述9.2多、高层建筑钢结构的设计方法9.3构件长细比和板件宽厚比限值9.4构件连接9.1概述9.1.1多、高层建筑钢结构的特点1.多、高层建筑钢结构的特点(1)自重轻钢材材质均匀，强度高，因而结构构件截面小、自重轻，比钢筋混凝土结构可减轻自重1/3以上，从而减小地基基础的荷载和运输、吊装的费用。(2)抗震性能好钢结构具有良好的延性和韧性，一般情况下，地震作用可减少40%左右。(3)增加建筑有效使用面积钢结构构件截面小，可减结构占用空间面积，达到降低层高，增加使用面积的效果，比混凝土结构可增加建筑使用面积3%～4%。9.1概述图9-1框架结构(4)建造速度快钢结构构件，一般为工厂制作，现场安装，9.1概述实施立体交叉作业，加快施工进度，比一般建设工期可缩短约1/4～1/3。(5)防火性能差钢构件表面应做专门的防火涂料防护层。2.多、高层建筑钢结构的设计特点(1)荷载的特点多、高层建筑随着高度的增加，结构上的控制荷载由竖向荷载变为水平荷载；地震区的地震作用比风荷载大得多。(2)内力特点多、高层建筑，随着高度的增加，结构上的控制内力，由轴力起控制作用到弯矩起控制作用；结构的侧移随高度增加而迅速增加，故结构侧移成为重要的控制因素。(3)结构特点随着高度增加，结构的抗侧力体系应改进和加强。9.1.2高层建筑钢结构的结构体系9.1概述常用的高层建筑钢结构的结构体系主要有：框架结构体系、框架⁃剪力墙结构体系、框架⁃支撑结构体系、框架⁃核心筒结构体系及筒体体系。1.框架结构体系纯框架结构一般适用于层数≤30的高层钢结构，图9-1。2.框架-剪力墙结构体系在框架结构中布置一定数量的剪力墙可以组成框架-剪力墙结构体系，图9-2这种结构以剪力墙作为抗侧力结构，既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度，可用于40～60层的高层钢结构。9.1概述图9-2框架-剪力墙结构M.tif9.1概述0903.tif图9-3钢筋混凝土带缝剪力墙9.1概述图9-4竖向支撑的布置a)连续布置b)交错布置c)多跨布置3.框架-支撑结构体系框架-支撑结构体系由沿竖向或横向布置的支9.1概述撑桁架结构和框架构成，是高层建筑钢结构中应用最多的一种结构体系，一般适用于40～60层的高层建筑。图9-5带腰架及帽架的框架-支撑结构9.1概述图9-6框架-核心筒结构体系4.框架-核心筒结构体系若将框架-剪力墙结构体系中的剪力墙结构设置于内筒的四周形成封闭的核心筒体，9.1概述而外围钢框架柱柱网较密，就形成了框架-核心筒体系，图9-6。5.筒体结构体系筒体结构是超高层建筑中受力性能较好的结构体系，适用于90层左右的高层钢结构建筑。9.1.3多、高层建筑钢结构的布置多、高层建筑在确定结构形式和结构体系后，即可进行结构布置。1.高层建筑总体布置的要求高层建筑结构的总体布置要求，应做到以下几点。图9-7筒体结构体系a)筒中筒体系b)束筒体系9.1概述(1)满足建筑使用要求建筑的开间、进深、层高、层数及使用功能应得到保证，做到适用性。(2)满足抗震设计原则应做到“小震不裂、中震可修、大震不倒”的可靠性原则。(3)努力做到有利于建筑工程设计和施工的要求力求减少开间、进深，尽量统一柱网和层高尺寸，重复使用标准层，减少转换层，减少构件的种类和规格，以达到经济合理性的要求。2.高层建筑结构布置的原则(1)结构平面形状和立面体型应尽可能简单、规则，使各部分刚度均匀对称，减少结构产生扭转的可能性。9.1概述(2)房屋建筑的竖向结构布置，应力求刚度均匀连续，避免错层、夹层、截面明显减小或突然取消，各层刚度中心尽量同位，如图9-10所示。图9-8结构平面的刚心与质心9.1概述图9-9有突出部分的建筑平面9.1概述图9-10建筑立面外挑或内收示意表9-1长宽比的限值和突出部分长度的限值(3)控制建筑的高宽比H/B。9.1概述(4)高层建筑的承重构件宜优先选用轻质高强材料，非承重构件宜优先选用轻质材料，以减轻自重。(5)防震缝、温度缝和沉降缝的设置。1)防震缝的设置。2)沉降缝的设置。3)温度伸缩缝的设置。9.2多、高层建筑钢结构的设计方法9.2.1结构设计的原则规定(1)多层和高层建筑钢结构的分析，分弹性设计和塑性设计两类。(2)多层和高层建筑钢结构的分析方法，从结构的几何关系考虑可分为一阶理论和二阶理论两种。(3)多、高层建筑钢结构楼盖，通常采用钢与混凝土组合楼盖，并假定楼盖在自身平面内为绝对刚性。(4)多、高层建筑钢结构计算模型的选择，一般可采用平面抗侧力结构空间协调计算模型；对筒体结构或无法划分为平面抗侧力单元的不规则或复杂的结构，应采用空间结构计算模型。(5)多、高层建筑钢结构的结构分析的手段，一般应借助电子计算机完成，但在初步设计阶段，可参考有关资料和计算手册用手算方法进行。9.2多、高层建筑钢结构的设计方法(6)多、高层建筑钢结构的内力和位移分析时，应考虑梁、柱的弯曲变形、柱的轴向变形和梁、柱的剪切变形，梁的轴向变形视具体情况确定。9.2.2多、高层钢结构分析方法图9-11悬臂杆受力分析9.2多、高层建筑钢结构的设计方法1.一阶分析法一阶分析法，也称矩阵位移法，即用矩阵位移法求解框架的内力和位移。2.二阶分析法(1)二阶理论的概念一竖向悬臂杆，在其顶端作用一竖向力P和水平剪切力Vo，如图9-11a所示。M.tifM.tif9.2多、高层建筑钢结构的设计方法(2)有支撑框架的分析框架支撑刚度较大时，可忽略层间侧移，设计柱时，仅按一阶弯矩和轴力计算；设计支撑杆件必须考虑P-Δ效应，按式(9-3)计算。(3)无支撑框架分析多层与高层建筑钢结构无支撑框架的分析方法比较复杂，常用的分析方法有：以柱的计算长度概念为基础的弹性设计，考虑P-Δ效应的弹性设计，按二阶理论分析等方法。9.2.3多、高层钢框架结构的设计内容和步骤1.准备设计资料(1)工程性质及建筑物安全等级。(2)荷载和作用9.2多、高层建筑钢结构的设计方法1)恒荷载标准值及其分布。2)活荷载标准值及其分布。3)基本风压及地面粗糙度类型。4)地震设防烈度。5)环境温度变化状况。6)基本雪荷载。(3)地质条件。2.确定结构平面布置3.确定支撑体系的布置4.确定框架梁、柱截面形式并初估截面尺寸(1)框架梁的截面尺寸估算梁的截面高度应考虑建筑高度、刚度条件和经济条件。9.2多、高层建筑钢结构的设计方法(2)框架柱的截面尺寸柱的截面尺寸可由一根柱所承受的轴力乘以1.2倍，按轴心受压估算所需柱截面尺寸。5.框架梁、柱线刚度计算及梁、柱计算长度的确定6.荷载计算(1)恒荷载。(2)活荷载。(3)风荷载。(4)地震作用。(5)温度作用。(6)施工荷载。9.2多、高层建筑钢结构的设计方法7.风荷载作用下的水平侧移验算结构在风荷载作用下，顶点质心位置的侧移不宜超过建筑高度的1/500，各楼层质心位置的层间侧移不宜超过楼层高度的1/400。8.荷载作用下的框架内力分析(可采用任一适用的结构力学方法)(1)恒载作用下的框架内力分析(建议采用弯矩分配法)(2)活荷载作用下的框架内力分析(建议采用分层法)(3)风荷载作用下的框架内力(建议采用D值法)(4)地震作用下的框架内力(建议采用底部剪力法)。9.荷载组合和内力组合(1)考虑四种基本荷载组合1)恒荷载+活荷载2)恒荷载+风荷载9.2多、高层建筑钢结构的设计方法3)恒荷载+0.85(活荷载+风荷载)4)恒荷载+0.5×1．2/1．4×活荷载±1.3地震荷载(2)横梁内力组合(考虑活荷载的最不利布置)。(3)柱内力组合由于活荷载作用下的内力用分层法计算，因此，在计算组合柱弯矩时，只考虑在柱相邻层布置活荷载；在计算组合柱轴力时，则考虑在该柱以上各层布置活荷载。10.构件及连接设计(1)框架梁、柱设计。(2)节点设计。(3)柱脚设计。1)铰接柱脚。2)刚接柱脚。9.3构件长细比和板件宽厚比限值9.3.1构件长细比限值框架柱是高层建筑钢结构的主要抗侧力竖向构件，地震时不应出现整体失稳破坏，因此应限制框架柱的长细比，设防烈度高、层数多的建筑，柱长细比的限值应严一些。表9-2钢结构中心支撑杆件长细比限值9.3.2板件宽厚比限值按强柱弱梁抗震设计的钢框架，塑性铰出现在梁端，部分柱端也会出塑性铰，梁端屈服程度比柱端严重，梁端塑性转动能力应高于柱端。9.4构件连接9.4.1连接方式与连接设计的原则构件连接方式有焊接、高强度螺栓连接和栓焊混合连接。9.4.2梁柱连接与梁、柱拼接1.梁柱连接与极限承载力要求钢框架一般采用柱贯通型，较少采用梁贯通型。2.梁、柱拼接与极限承载力要求柱上悬臂短梁与梁的拼接在工地完成。图9-12梁柱采用柱带悬臂短梁的连接a)腹板采用高强度螺栓连接b)翼缘和腹板均采用高强度螺栓连接9.4构件连接3.梁柱连接抗震构造梁与工字形截面柱的翼缘或箱形截面柱直接连接时，应符合下列抗震构造要求；梁翼缘与柱翼缘之间采用全熔透坡口焊缝，8度乙类建筑和9度时，应检验V形切口的冲击韧度，其恰帕冲击韧度在-20℃时不低于27J；柱在梁翼缘对应位置设置横向加劲肋，加劲肋的厚度不小于梁翼缘的厚度，6度抗震设防时，可以通过计算适当减小加劲肋的厚度，但不小于梁翼缘厚度的一半；梁腹板采用摩擦型高强度螺栓通过连接板与柱连接，腹板角部设置扇形切角，其端部与梁翼缘的全熔透焊缝应避开，当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面塑性模量的70%时，梁腹板与柱的连接螺栓不得少于两列，当计算仅需一列时，仍应布置两列，且此时螺栓总数不得少于计算值的1.5倍。9.4构件连接图9-13梁与柱直接连接的典型构造图9.4构件连接图9-14改进后的梁与柱连接的构造图a)盖板b)竖肋c)托臂d)犬骨式9.4构件连接图9-15梁与工字形柱腹板连接9.4.3中心支撑与梁柱连接支撑与框架的连接及支撑拼接，一般采用螺栓连接。9.4构件连接图9-16不超过12层的中心支撑框架的支撑节点板示意图9.4构件连接9.4.4偏心支撑与梁、柱连接图9⁃18所示为支撑与消能梁段连接的构造图。(1)腹板不能贴焊补强板，因为补强板不能进入塑性变形。(2)腹板开洞会影响梁段的塑性变形能力，因此，腹板不得开洞。(3)消能梁段与支撑杆件连接处，应在梁段腹板两侧配置加劲肋，加劲肋的高度为梁段腹板高度。图9-17超过12层的中心支撑框架的支撑与框架的连接9.4构件连接(4)消能梁段的腹板应按梁段的长度设置加劲肋，短梁段的加劲肋间距小一些，以防止短梁段腹板过早的局部失稳，弯曲型长梁段腹板的加劲肋间距可大一些，根据这一原则，梁段腹板的中间加劲肋设置要求为：当a1.6Mlp/Vl时，加劲肋间距不大于(30tw-h/5)，h为梁段的截面高度；当2.6Mlp/Vla5Mlp/Vl时，在距消能梁段端部1.5bf处设置加劲肋，且中间加劲肋间距不大于(52tw-h/5)；当1.6Mlp/Vla2.6Mlp/Vl时，中间加劲肋的间距取上述二者的线性插值；当a5Mlp/Vl时，可不配置中间加劲肋；中间加劲肋应与消能梁段的腹板等高，当梁段截面高度不大于640mm时，可设置单侧加劲肋，当梁段段面高度大于640mm时，应在两侧设置加劲肋，每一侧加劲肋的宽度不小于(bf/2-tw)，厚度不小于tw和10mm的较大值。9.4构件连接图9-18消能梁段的构造图(5)偏心支撑杆件的中心线与梁的中心线的交点，一般在消能梁段的端部，也允许在消能梁段内，不应在消能梁段外。9.4构件连接(6)消能梁段翼缘与柱之间应采用坡口全熔透焊缝连接，消能梁段腹板与柱之间应采用角焊缝连接，角焊缝的承载能力不得小于消能梁段腹板的轴向承载力、受剪承载力和受弯承载(7)消能梁段与柱的腹板连接时，消能梁段翼缘与连接板间应采用坡口全熔透焊缝，消能梁段腹板与柱之间应采用角焊缝，角焊缝的承载力不得小于梁段腹板的轴向承载力、受剪承载力和受弯承载力。9.4.5侧向支撑图9-19梁翼缘的侧向支撑9.4构件连接9.4.6刚接柱脚刚接柱脚按其构造形式可分为露出式柱脚(图6⁃27)、埋入式柱脚(图9⁃20)和包脚式柱脚(