华科建筑钢结构第四章多层框架钢结构

第四章多层框架钢结构设计多层框架钢结构体系多高层框架钢结构上的荷载与作用钢构件设计楼盖设计节点设计抗震设计第四章多层框架钢结构设计第四章多层框架钢结构设计22019/8/7多层钢框架结构特点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。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。结构特点：随着高度增加，结构的抗侧力体系应改进和加强。第四章多层框架钢结构设计第四章多层框架钢结构设计32019/8/7多高层框架钢结构体系介绍纯框架体系框架－支撑体系ⅰ）中心支撑：交叉支撑、单斜杆支撑，人形、V形支撑作用：提高结构抗侧刚度ⅱ）偏心支撑作用：提高抗侧刚度，并增加结构变形中的耗能，用于8度及以上地区4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计42019/8/7框架体系：未必所有的梁柱都刚性连接斜撑体系：少数柱之间设斜撑（梁柱连接可做成铰接）少数柱参与抗侧力体系；梁柱刚性连接构造复杂，应该尽量少用；抗侧力体系也可混合使用。4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计52019/8/74.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计62019/8/7多高层框架钢结构体系介绍框架-剪力墙体系：框架结构上设置适当剪力墙4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计72019/8/7钢筋混凝土结构:需采取构造措施钢板结构(8～9mm厚钢板)研究表明，在侧向刚度相同时，钢板剪力墙的框剪结构比框架结构用钢量少。剪力墙：侧向位移模式在侧向荷载的作用下纯框架结构：剪切变形模式抗剪结构：弯曲变形模式二者组合（框剪结构）：显著减少了纯框架结构的侧向位移4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计82019/8/74.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计92019/8/7钢结构和有混凝土剪力墙的钢结构高层建筑的适用高度（m）结构种类结构体系非抗震设防抗震设防烈度钢结构框架-支撑（剪力墙板）各类筒体1102603601102203009020026050140180钢框架-混凝土剪力墙22018010070有混凝土剪力墙的钢结构220180150706,789框架钢框架-混凝土核心筒钢框筒-混凝土核心筒第四章多层框架钢结构设计102019/8/74.1.1结构连接类型铰接：不能承受弯矩刚接：能承受全部弯矩，无抗弯刚度突变半刚接：能承受一定弯矩，抗弯刚度会突变4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计112019/8/74.1.2结构布置主导思想（P88）抗侧力构件布置具体要求ⅰ）支撑布置在多层框架的纵横双向，基本与结构主轴方向对称ⅱ）在长方形平面中，长边方向支撑可少于短边方向支撑4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计122019/8/7ⅰ）尽可能避免结构平面不规则，包括扭转不规则、凹凸不规则和楼板局部不连续ⅱ）尽可能避免结构竖向不规则，包括侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续和楼层承载力突变4.1.2结构布置需抗震设防时平面尺寸关系4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计132019/8/7≤0.5B'/Bmax大洞口宽度比≥1≤1.5l'/Bmaxl/b凹凸部分的长宽比≤4≤5L/BmaxL/B平面的长宽比4.1.2结构布置抗侧力构件布置具体要求ⅲ）一般用中心支撑，强震区用偏心支撑，但梁上偏心支撑点要加侧向水平支撑，以防止此点失稳ⅳ）中心支撑轴线应交汇于梁柱轴线交点（或偏离中心不超过支撑杆件宽度）。ⅴ）不宜采用K形支撑ⅵ）支撑应上下贯通4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计142019/8/74.1.3框架结构的设计内容和步骤4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计152019/8/71、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。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。4.1.3框架结构的设计内容和步骤4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计162019/8/7(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。确定梁的翼缘、腹板尺寸应考虑局部稳定、经济条件和连接构造等因素。(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4.1.3框架结构的设计内容和步骤4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计172019/8/76．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。注意：对楼层数较多、竖向荷载较大的结构，应考虑竖向构件在竖向静载作用下发生弹性压缩变形对结构所产生的不利作用。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。4.1.3框架结构的设计内容和步骤4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计182019/8/78．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)9．荷载组合和内力组合横梁内力组合(考虑活荷载的最不利布置)。柱内力组合。10、构件及连接设计(1)框架梁、柱设计。(2)节点设计。①铰接柱脚。②刚接柱脚。4.1.4框架计算方法传统分析方法有限元方法一般原则：一般按弹性方法分析，符合条件的框架应该考虑二阶分析；对于不直接承受动力荷载的由实腹式构件组成的单层和双层框架结构可采用塑性分析。4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计192019/8/70.1NuHh4.1.4框架计算方法4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计202019/8/7(1)多层和高层建筑钢结构的分析:分弹性设计和塑性设计弹性设计:结构工作状态仅局限在理想弹性范围内进行内力和变形分析,用于一般有抗震设防要求的结构.塑性设计:考虑结构在弹一塑性工作状态时的结构分析。用于罕遇地震作用下的结构分析。(2)分析方法:一阶理论和二阶理论两种。一阶理论:结构受力后，考虑内力和外力平衡，忽略结构变形对几何关系的影响；二阶理论:将结构变形对其几何关系的影响考虑在力的平衡方程中。一般应按二阶理论进行结构分析。(3)楼盖:通常采用钢与混凝土组合楼盖，假定楼盖在自身平面内为绝对刚性。设计中应采取加设板梁抗剪件，或非刚性楼面加现浇混凝土叠合层等措施加以保证。4.1.4框架计算方法4.1多层框架钢结构体系第四章多层框架钢结构设计212019/8/7(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，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。这些手算近似计算方法，常用的有分层法、D值法、空间协调工作分析、等效角柱法和等效截面法等。(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，梁的轴向变形随具体情况而定。4.2.1荷载与作用4.2多层框架钢结构上的荷载与作用第四章多层框架钢结构设计222019/8/7地震作用：GB50011-20080kzsz多遇地震阻尼0.035，罕遇地震0.051、荷载与作用：竖向荷载活载、雪载、积灰荷载水平荷载恒载风载:4.2.2荷载效应组合4.2多层框架钢结构上的荷载与作用第四章多层框架钢结构设计232019/8/7RS0承载力：PPC罕遇：CS设计应满足非抗震：抗震：变形：RERS/承载力：变形：eeC多遇：4.2.2荷载效应组合承载力组合采用荷载设计值正常使用组合采用荷载标准值4.2多层框架钢结构上的荷载与作用第四章多层框架钢结构设计242019/8/7①组合1：恒载控制：1.35×恒载效应+1.4×0.7×活载效应②组合2：活载控制：1.2×恒载效应+1.4×活载效应③组合3：左风组合：1.2×恒载效应+1.4×活载效应+1.4×0.6×左风载效应④组合4：右风组合：1.2×恒载效应+1.4×活载效应+1.4×0.6×右风载效应⑤组合5：左震组合：1.2×重力荷载效应+1.3×左震作用效应⑥组合6：右震组合：1.2×重力荷载效应+1.3×右震作用效应⑦组合7：左震组合：1.0×重力荷载效应+1.3×左震作用效应⑧组合8：右震组合：1.0×重力荷载效应+1.3×右震作用效应4.3.1梁的设计4.3.2柱的设计4.3钢构件设计第四章多层框架钢结构设计252019/8/7截面形式：1钢结构框架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时又要考虑强柱弱梁的要求；目前使用的焊接H型钢或I字热轧钢截面，强弱轴惯性矩之比3～10，造成材料浪费。但对平面受力结构，选用H型钢或I字钢在受力上还是合理的2对于轴压比较大，双向弯矩接近，梁截面较高的框架柱，可采用双轴等强的截面，如箱形截面，双肢格构截面，钢管柱或方钢管混凝土柱。3方钢管混凝土柱目前缺乏相应的规范、规程，应用还较少，尤其钢管砼梁、柱的连接较为复杂，不利于工厂制作和现场施工4.3.2柱的设计4.3钢构件设计第四章多层框架钢结构设计262019/8/7初选截面：1：经验法：可按吊车吨位，工作制，柱截面情况查表，并凭经验定2：估算法：将竖向荷载放大20％作为轴力，按轴压构件估算柱截面构造规定：1：柱端部应设横隔，间距不大于9倍柱最大截面宽度和8m2：柱高厚比大于20时，应设横向加劲肋，间距不大于3h0框架柱的计算长度（P97）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定：4.3钢构件设计第四章多层框架钢结构设计272019/8/7框架柱整体稳定的计算长度2）平面内计算长度ⅰ）平面内计算长度取决于框架整体侧移状态及柱两端受约束程度ⅱ）计算方法可分为有支撑和无支撑，有支撑又分为强支撑和弱支撑ⅲ）无支撑纯框架a)当采用一阶弹性方法结算结构内力时,按附表E-5-2确定b)当采用二阶弹性方法结算结构内力且在每层柱顶附加假想水平力时,取。4.3.2柱的设计框架柱的计算长度（P97）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定：4.3钢构件设计第四章多层框架钢结构设计282019/8/7框架柱整体稳定的计算长度2）平面内计算长度ⅳ）有支撑纯框架a)当支撑结构的侧移刚度(产生单位侧倾角的水平力)满足下式要求时，按无侧移框架计算（表E-5-1）。（4－14）4.3.2柱的设计框架柱的计算长度（P97）4.3钢构件设计第四章多层框架钢结构设计292019/8/72）平面内计算长度ⅴ）梁、柱线刚度比的计算（查表E-5-1,E-5-2时用）a)上、下端点梁与柱线刚度之比注：对梁包括该点左右梁，对柱包括该点上下柱b)梁与柱铰接，取梁的线刚度为0c)柱与基础铰接时,取，柱与基础刚接时，取d)远端为铰接，按表E-5-1,E-5-2附注修正4.3.2柱的设计框架柱的计算长度（P97）4.3钢构件设计第四章多层框架钢结构设计302019/8/7框架柱整体稳定的计算长度2）平面内计算长度ⅳ）有支撑纯框架a)当支撑结构的侧移刚度不满足式（4-14）时，为弱支撑框架，其轴压稳定系数按下式计算：4.3.3中心支撑设计多层房屋钢结构中多用中心支撑中心支撑截面形式一般采用双轴对称截面，如H，I,双槽钢组合截面等支撑构件的长细比（P99)支撑构件的板件宽厚比、内力增大系数、平面外计算长度支撑构件的计算4.3钢构件设计第四章多层框