多层钢结构

第四章多层钢结构设计4.1多层钢结构体系4.2多层钢结构的荷载效应和组合4.3多层钢结构的内力分析4.4钢与混凝土组合板和组合梁4.5多层钢结构的连接4.6多层钢结构设计实例4.1多层钢结构体系•多层钢结构一般采用框架类结构体系，也称多层钢框架结构；•多层钢结构一般由柱、梁、楼盖结构、支撑结构、墙板或墙架组成。•层数=10；高度=60m•受力特点：竖向力/侧向力一、多层钢结构类型多层钢结构类型•柱-支撑体系：–梁柱节点均为铰接，纵、横向沿柱高设置柱间支撑（抗侧力构件），适用于柱距不大但允许双向设置支撑的建筑物；设计安装简便，侧向刚度大，构件受力明确，耗钢量小；•纯框架体系：–纵横两个方向均为刚接框架，适用于柱距较大但无法设置支撑的建筑物；节点构造较复杂，用钢量较大；多层钢结构类型•框架-支撑体系：–纵向柱-支撑体系，横向为纯框架体系，一方面满足建筑功能要求，另一方面，简化设计、施工，减小用钢量。•框架-支撑组合体系•混合体系二、多层钢结构布置原则多层钢结构布置原则•柱网及梁系布置合理，纵、横向刚度均匀，构件传力明确、类型统一，节点构造简单，便于施工；•应采用平面刚性楼盖，保证空间整体刚度及空间协调工作；•横向框架为柱-支撑体系且采用平面刚性楼盖时，柱间支撑间距不大于4L；•钢柱及支撑沿竖向可以变截面，但应防止层间刚度突变；•柱-支撑体系刚度大，用钢量省，条件允许时应优先选用；支撑布置应合理、均匀。4.2多层钢结构荷载效应和组合•荷载效应计算•荷载效应组合一、荷载效应计算荷载效应计算•永久荷载：分项系数1.2；1.35；1.0•可变荷载：分项系数1.4–雪荷载–积灰荷载–楼面活荷载：=4.0kN/m2时，分项系数1.3–屋面活荷载–风荷载0kzszww荷载效应计算•偶然荷载：地震荷载–水平地震作用（内力组合中起主要作用）–多遇地震（应）：承载力及变形验算；振型分解反应谱法/弹性时程分析/底部剪力法–罕遇地震（宜）：弹塑性时程分析/静力弹塑性分析（pushover）荷载效应计算•水平地震影响系数α•振型数不少于3个，振型叠加采用平方和开方（SRSS）或完全二次项（CQC）•GE重力荷载代表值：GE=GK+0.5QS+0.5QA+kQL+GKTk=0/0.5/1.0•振型分解反应谱法典型公式1.15ijjjjiEiFXG荷载效应计算•竖向地震作用（仅在计算多层框架内大跨度或大悬臂构件时考虑）竖向地震作用系数αv:8度0.1/9度0.2VOVEOFG二、荷载效应组合荷载效应组合01()nGGKciQiQiKiSSR0112()nGGKQQKciQiQiKiSSSR不考虑地震的组合可变荷载控制：永久荷载控制：荷载效应组合•考虑地震的组合0()GGEEhEhKEvEvK4.3多层钢结构的内力分析•一般规定•计算方法•多层钢结构的梁•多层钢结构的柱•多层钢结构的支撑一、一般规定一般规定•平面布置规则的多层框架，宜采用平面计算模型，平面不规则时，宜采用空间计算模型；•地震作用效应分析时，结构及附属质量集中在各楼层，应按不同维护结构对自振周期折减（0.9/0.85/0.8），维护墙体只计质量不计刚度；•多层框架宜采用专门软件计算或手算；一般规定•多层框架柱的计算长度H0=μH–μ为计算长度系数，根据上下端汇交的横梁与框架柱线刚度之比（k1=IB/L:IC/H，K2）查表确定。–有侧移框架和无侧移框架一般规定•风荷载作用下，Δ=H/500/δ=h/400；多遇地震，δ=h/250；•框架梁与压型钢板组合楼板可靠连接时，框架梁截面中应计入混凝土楼板的作用，楼盖主梁I=2Is/其它I=1.5Is；•基本周期T1的估算（刚度沿高度分布均匀的钢框架）：10.1Tu二、计算方法计算方法•精确方法：–矩阵位移法–有限元法•近似方法：–分层法（竖向荷载）–半刚架法、改进反弯点法（D值法）（水平荷载，框架）–悬臂铰接桁架（水平荷载，柱-支撑）三、多层钢结构的梁多层钢结构的梁•梁的截面形式–轧制或焊接H形钢–不对称H形钢–蜂窝梁截面多层钢结构的梁•梁的设计–按受弯构件设计–应采用最不利截面的最不利组合内力进行梁截面验算，最不利截面一般在梁的两端、跨中或集中荷载作用点；–框架梁截面调整幅度较大（30%）时，应重新进行内力分析；–楼板为压型钢板组合楼板且与梁可靠连接，按钢-混凝土组合楼盖进行设计。四、多层钢结构的柱多层钢结构的柱•柱的截面形式–轧制或焊接H形钢–十字形截面–方钢管–圆钢管多层钢结构的柱•钢柱的设计–钢柱为偏心受压构件；–钢柱应按两个主轴方向分别进行强度和稳定性验算；–对厚钢板（60,Q235；36，Q345）应考虑钢材沿厚度方向的性能，防止分层。五、多层钢结构的支撑多层钢结构的支撑•支撑的布置和形式–支撑布置原则：承受水平荷载，保证结构稳定性，避免过大的次应力和温度应力–平面布置：支撑应沿结构纵向和横向分别布置，最好沿结构主轴对称，如正方平面，支撑布置在房屋中央和四角；长方形平面，支撑布置在长边的两端和中部，沿横向多布，沿纵向少布。–沿高度布置：最好上下贯通，否则应至少搭接一层。–支撑形式：X形支撑/K形支撑/华伦氏支撑多层钢结构的支撑•支撑的计算：–一般按拉/压杆计算；–支撑承受水平剪力：实际水平荷载产生的层间剪力或；185235yfVAf多层钢结构的支撑•还要考虑竖向荷载引起的附加内力，受压交叉斜撑212cos2ccbNA•交叉斜撑按拉杆设计时，不考虑附加内力，其连接应按荷载作用下的拉力和其临界压力设计。•支撑按内力设计时，端部的连接承载力宜按设计内力提高10%~15%计算4.4钢与混凝土组合板和组合梁•钢与混凝土组合板•钢与混凝土组合梁一、钢与混凝土组合板压型钢板+钢筋混凝土钢与混凝土组合板•设计原则–组合板的设计应考虑施工和使用两个阶段施工阶段：压型钢板为混凝土模板，应对其进行强度和变形验算；永久荷载（压型钢板及混凝土自重）+可变荷载（施工荷载及附加荷载）使用阶段：在全部荷载作用下，对组合板或钢筋混凝土楼板（压型钢板仅用作模板，厚度hc）进行强度和变形验算钢与混凝土组合板–压型钢板跨中变形v20mm时，确定混凝土自重时应考虑凹坑效应，厚度+0.7v或增设支撑–组合板有局部荷载时，有效宽度的确定抗弯计算：简支板bem=bm+2lp(1-lp/l)；连续板bem=bm+[4lp(1-lp/l)]/3抗剪计算：bem=bm+lp(1-lp/l)其中：bm=bp+2(hc+hf)钢与混凝土组合板–施工阶段计算压型钢板为混凝土模板，应对其进行强度和变形验算，可采用弹性分析方法，顺肋方向的正负弯矩和挠度均按单向板计算，不考虑垂直肋方向的正、负弯矩。–使用阶段计算当hc=50-100mm时，可按以下规定设计：顺肋方向的正弯矩和挠度均按单向简支板计算，负弯矩按嵌固端考虑，不考虑垂直肋方向的正、负弯矩。钢与混凝土组合板•组合板设计–施工阶段验算：压型钢板；强度和挠度及腹板局部屈曲承载力验算。–使用阶段设计：组合板；正截面抗弯承载力/抗冲剪承载力/斜截面抗剪承载力/负弯矩段的截面强度和裂缝宽度钢与混凝土组合板–正截面抗弯承载力：塑性设计方法，假定截面受拉、受压区材料均达到强度设计值（折减0.8）Asffcmhcb时，塑性中和轴在压型钢板上翼缘以上混凝土内，M=0.8fcmxccby；xcc=Asf/fcmb；y=h0-xcc/2Asffcmhcb时，塑性中和轴在压型钢板内，M=0.8(fcmhcby1+Ascfy2)；Asc=0.5(As-fcmhcb/f)；钢与混凝土组合板–抗冲剪承载力Vp=0.6ftcphc–斜截面抗剪承载力Vc=0.07fcmbh0钢与混凝土组合板–负弯矩段的截面强度和裂缝宽度按《混凝土结构设计规范》计算–组合板挠度分别按荷载短期效应组合和长期效应组合计算。组合板构造要求–压型钢板净厚度=0.75mm，镀锌层厚度满足防腐要求；–浇注混凝土的槽（肋）宽=50mm；槽内设圆柱头焊钉连接件时压型钢板高=80mm；–组合板厚度=90mm，hc=50mm；–组合板端部必须内设圆柱头焊钉连接件，将压型钢板凹肋焊牢于钢梁上，圆柱头焊钉直径s=3m,13-16/s=3m-6m,16-19/s6m,19钢与混凝土组合板–组合板在钢梁上支承长度=50mm–必要时组合板应配置钢筋：附加抗拉钢筋/负弯矩区连续钢筋/集中荷载或孔洞周围分布钢筋/为改善防火的受拉钢筋…–组合板负弯矩区裂缝宽度=0.3mm/0.2mm–抗裂钢筋/分布钢筋二、组合梁设计•由钢梁及支承在其上的钢筋混凝土翼板构成•钢筋混凝土抗压/钢材抗拉/协同工作，充分发挥材料作用组合梁设计•组合梁的分类–普通混凝土翼板组合梁–压型钢板组合梁–预制装配式混凝土板组合梁组合梁设计•组合梁的优点–节约钢材，降低造价；–增大截面刚度，减小钢梁挠度；–减小结构高度及建筑物总高度；–增强结构整体性；–钢梁为组合板支撑，节约模板，缩短工期组合梁设计•组合梁的缺点–耐火等级差；–需在钢梁上焊接连接件4.5多层钢结构的连接•连接的一般规定•梁柱节点•柱的拼接节点•柱脚节点一、连接的一般规定连接的一般规定•焊接、高强螺栓连接或栓焊混合连接•栓焊混合连接仅可用于同一连接/不同部位•重要或复杂的节点，承载力提高10-15%•节点焊接的要求：–全熔透对接焊缝，一级/二级，等强–不同材料的焊接–焊接施工条件，空间/方位/位置，折减系数0.9连接的一般规定•纯框架体系，梁柱节点及柱脚节点为刚接，柱支撑体系梁柱节点铰接，柱脚节点可为刚接•现场拼接应采用等强连接，拼接位置•8、9度抗震设防的多层框架，节点塑性区（L/10或2H)校核：承载力/刚度二、梁柱节点梁柱节点•铰接：–梁腹板与柱用高强螺栓连接•刚接：–梁腹板与柱用高强螺栓连接，梁翼缘与柱用高强螺栓或焊接连接；•半刚接：梁柱节点•刚接连接–丁字形连接–通过宽翼缘T形钢连接–通过盖板和角钢连接–十字形柱截面水平盖板和竖向板连接–方钢管柱与梁的节点三、柱的拼接节点柱的拼接连接•拼接位置：–楼层半高；避开弯矩较大区域•焊缝传力•端部铣平传力•连接板传力•横向填板传力四、柱脚节点柱脚节点•铰接柱脚•刚接柱脚