多高层建筑钢结构设计PPT

第6章 多高层建筑钢结构设计,1,材料性能的演变导致结构体系形式的发展 新的结构分析方法使我们重新审视材料破坏准则 优化的材料破坏准则提出新的材料研制,2,3,设计的基本过程,确定建筑方案 确定结构方案 结构分析 结构验算 出结构设计图 加工详图 现场安装详图,4,从地震灾害讲起,中国汶川2008 台湾集集1999 美国北岭1994 日本阪神1995,5,地震（汶川）中房屋建筑的破坏,砌体结构 钢筋混凝土结构 砖木结构,钢结构抗震的优越性,钢结构重量轻 钢结构延性好 钢结构滞回特性好,钢结构重量轻,强度：,钢材强度：Q235Q420 混凝土强度：C20C60 钢材强度约是混凝土强度的8倍。,密度：,钢材密度：7850kg/m3 混凝土密度：2450kg/m3 钢材密度约是混凝土密度的3.2倍。,钢结构地震作用相对小,钢结构重量轻,钢结构延性好,应力,应变,伸长率20,混凝土应力应变关系,抗压强度对应应变： 0.2%,钢结构延性好,结构地震输入能量的消耗,结构滞回性能越好，结构地震反应越小。,钢结构滞回特性好,钢结构震害小,总体来说，在同等场地、烈度条件下，钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小,1985年墨西哥城8.1级地震中不同建筑的破坏情况,钢结构在地震区的应用,日本 台湾地区,第二节 多高层钢结构体系,功能 抵御可能遭遇的各种荷载或作用，保持结构的完整性，以满足建筑的使用要求,15,2.结构体系的受力性能,2.1 框架体系 由梁柱构成，节点至关重要,(a) 刚性连接 (b) 铰支连接 (c) 半刚性连接,16,梁柱刚性连接,应充分考虑施工净空和条件，对与高空施工条件困难的现场焊缝，其承载力应乘以折减系数0.9 对较重要的或受力较复杂的节点，当按所传内力（不是按与母材等强）进行连接设计时，宜使连接的承载力留有1015的裕度,17,2.1.2 刚接框架的变形特征,由结构的倾覆力矩造成柱拉压变形，导致结构弯曲 由结构剪力造成的梁柱受弯，导致结构剪切（主导）,弯曲,剪切,18,2.1.2 刚接框架的变形特征,由结构的倾覆力矩造成柱拉压变形，导致结构弯曲 由结构剪力造成的梁柱受弯，导致结构剪切（主导 柱的弯曲变形所引起位移1 节点转动引起框架的侧移2 （1+2）就是框架在水平力作用下的总剪力侧移 提高结构抗侧移能力，即需要提高梁、柱的抗弯能力和刚度，只有加大梁、柱的截面,19,2.2 框架-支撑体系,2.2.1 中心支撑框架结构 通过柱与支撑的轴向刚度以抵抗侧向荷载的悬臂竖向桁架 柱抵抗侧向荷载的倾覆力矩 支撑斜杆抵抗水平剪力 支撑系统的侧向变形以整体弯曲变形为主，另有小部分剪切变形,20,2.2.2 偏心支撑框架结构,在强度、刚度和能量耗散之间保持均衡 中心支撑受压屈曲使得结构的能量耗散性能较差 纯框架节点及梁可以发挥材料塑性，延性好 在中心支撑框架和纯框架之间寻求平衡 应注意两点： 1）支撑应足够强，以保证偏心梁段先于支撑屈曲而屈服； 2）在梁截面一定的条件下，偏心梁段的长度不能太大，应设计为剪切屈服梁，以使偏心支撑框架的抗侧力能力最大，且延性和耗能能力好,21,2.2.3 钢框架混凝土剪力墙（芯筒）结构,两种不同材料的结构是相对独立，但并联在一起共同工作，故称之为钢混凝土混合结构。 水平力主要由混凝土剪力墙（芯筒）承受，而建筑物重力主要由钢框架承受。 混合结构体系充分综合利用了钢结构强度高、延性（抗震性）好、跨度大、施工速度快和混凝土结构刚度大、成本低、防火性能好的优点,22,2.2.4 伸臂及带状桁架结构,竖向支撑系统的整体变形属弯曲性质，抗侧刚度与支撑系统的高宽比成反比 为提高结构的刚度，在建筑的顶部和中部每隔若干层加设刚度较大的伸臂桁架,23,2.2.5 错列桁架结构,24,2.3 筒体体系,密柱深梁 梁以剪切变形为主，或为剪弯变形 欧拉伯努利梁（初等梁理论，跨高比大） 只有弯曲变形，平截面假定 通过平衡方程计算剪力，非变形协调 铁木辛柯（Timoshenko）梁 考虑剪切变形、转动惯量及横向剪切变形（分层） 横向剪力Q将引起梁的附加挠度 垂直于中性面的截面变形后不再与中性面垂直，且发生翘曲 柱轴向变形 拉压-整体抗弯,25,2.3 筒体体系,与完全筒体差异在于“剪力滞后” a，框筒介质刚度非连续（有柱洞） b，横梁变形使剪力传递变向 框筒结构的角柱应力集中 全长加密角柱箍筋，增加角柱的抗剪能力 腹板框架承担绝大部分剪力而翼缘框架承担绝大部分弯矩 大轴力构件，会发生剪切脆性破坏 1）剪力滞后现象越严重，框筒结构的整体空间作用越弱； 2）剪力滞后的大小与梁的刚度、柱距、结构长宽比等有关。梁刚度越大、柱距越小、结构长宽比越小，剪力滞后越小 3）框筒结构的整体空间作用只有在结构高宽较大时才能发挥出来。,26,*剪力滞后,结构工程中一个普遍的力学现象（构件-高层） 力学本质，符合圣维南原理（三大方程） 在某一局部范围内，剪力作用有限，正应力分布不均匀，把这种正应力分布不均匀的现象叫剪切滞后 由于横梁变形使剪力传递存在滞后现象，使柱中正应力分布呈抛物线状，称为剪力滞后效应。 通常出现在T型、工型和闭合薄壁结构中 具有尺寸效应 忽略剪力滞效应的影响，就会低估箱梁腹板和翼板交接处的挠度和应力，从而导致不安全 广东省的佛陈大桥、乐从立交桥、江湾立交桥、顺德立交桥、文沙大桥,27,2.3.2束筒结构,避免剪力滞后效应 大框筒分割成若干个小框筒 西尔斯（Sears）大楼,28,2.3.3简中筒结构,增加了一个内筒而提高结构的抗侧刚度 1）内筒轮廓尺寸比外筒小，剪力滞后效应弱， 2）在顶层及中部设备层，沿内筒的四个面可设置伸臂桁架，以加强内外筒连接，使外框筒柱发挥更大的作用，弥补外框筒剪力滞后效应所带来的不利影响,29,2.3.4 巨型结构体系,将梁、柱、支撑的概念扩展到数个楼层和数个开间，则可构成巨型框架结构和巨型支撑结构,30,3结构布置的基本要求,平面布置要求 简单规则，越高越明显 竖向布置要求 最大使用高度 刚度连续 刚度要求的本质是使结构平面-高度刚度均匀，防止在刚度突变处破坏 高度要求的本质是减小顶点位移,31,第三节 多高层钢结构的设计,荷载与作用 多层钢结构建筑的设计要点 水平荷载或作用（地震主导）与竖向组合效应 弯矩二次分配法或分层法 反弯点法（D值法） 地震作用计算时，宜将重量集中于各楼层的计算模型，同时按不同的维护结构考虑其自振周期的折减系数（毕业答辩黄金十问之一）,32,*D值法（超黄金提问）,柱的抗侧移刚度不但与柱的线刚度和层高有关，而且还与梁的线刚度有关 另外，柱的反弯点高度也与梁柱线刚度比、上下层横梁的线刚度比，上下层层高的变化等因素有关 武藤清从而改进了早期“反弯点”法,33,第三节 多高层钢结构的设计,高层钢结构建筑的设计要点 高层钢结构属于柔性建筑，自振周期长，易与风载产生共振 水平荷载（风主导）的二阶效应 风荷载 作用时间长、频率高 要求高层钢结构处于弹性阶段，不允许出现较大变形，该要求属于正常使用极限,34,*思考：,（1）为什么计算结构自振周期？ （2）如何计算结构自振周期？ （3）结构基本周期、结构自振周期与设计特征周期、场地卓越周期的区别？ （4）结构自振周期是否会变化？ （5）钢结构自振周期与混凝土结构有何不同？,35,2 分析与设计方法,2.1 结构分析方法 基于有限元理论，将构件单元化，构件刚度矩阵 计算机程序求解线性方程组 现有高级通用有限元分析程序（ANSYS等）已可以自动寻址式划分单元 适用于弹塑性分析。（手算都是弹性问题） 问题： 建模过程复杂，参数选择难度大（本构） 复杂结构计算结果不易收敛（非线性发散，数据量瞬间几何级增长）,36,2.1 结构分析方法,结构设计原理基于内力计算结果 结构内力基于结构力学计算 结构力学基础是假定结构处于弹性 一旦结构进入塑性或部分塑性，刚度退化、强度非线性，结构力学无法计算。 引申一个问题： 材料的本构关系决定构件截面的刚度； 构件的大变形决定了结构体系的刚度； 前者是“材料非线性”，后者是“几何非线性”,37,2.2结构分析近似方法,竖向荷载（轴力由竖向荷载决定） 分层法 某一层框架梁上的竖向荷载对其他楼层的框架梁的影响不计。只影响节点所在单元中的所有杆件 在竖向荷载作用下，不考虑框架的侧移 弯矩分配法 不平衡弯矩只影响至与该节点相交的各杆件的远端 简化到一次分配、一次传递、再一次分配 水平荷载（轴力需要考虑倾覆力矩的影响） 反弯点：梁柱线刚度比大于3 D值法：修正反弯点 梁轴力，由于楼板的存在，一般可近似忽略,38,2.2结构分析近似方法,柱AB：P226,39,2.2.2 框架-支撑结构,（1）竖向荷载作用下的近似计算 忽略支撑对竖向荷载作用下框架内力的影响 Why？ （2）水平荷载作用下的近似计算,40,2.3 结构设计的基本要求,（1）结构承载力验算要求（why?<1.0)； （2）结构变形验算要求（目的） 构件容许挠度 侧移限值 最大层间侧移限值 （3）结构舒适度验算要求,41,*承载力调整系数<1.0,说明构件的设计内力的最不利组合不一定就是地震基本组合 地震作用属于偶然的短期作用，它在建筑的设计使用寿命内可能发生也可能不发生，因此，当地震发生时，结构的安全度可以低于非抗震时结构构件承载能力极限状态时的安全度,42,*承载力调整系数<1.0,结构构件的受力状态不同，其承载力抗震调整系数RE的大小也是不同的 延性较好的受力状态(如混凝土梁的受弯及混凝土柱的大偏压)的RE值较小-从另一方面来理解类似于结构构件的安全储备较高; 延性较差的受力状态(如混凝土梁的受剪及砌体抗震墙的受剪)的RE值较大-从另一方面来理解类似于结构构件的安全储备较低,43,第四节 节点设计,结构传递荷载的关键环节 应满足安全、耐久、经济的使用要求 “强节点弱杆件”基本原则： 在梁形成塑性铰前，梁柱连接的交界面处及节点域的抗弯能力必须大于框架的抗弯能力，防止在梁还未出现塑性铰时，交界面处或节点域发生脆性破坏 塑性铰在梁上出现位置的强度应小于梁柱节点的强度,44,3.1刚性连接节点的构造与受力,45,*主梁与柱的连接节点,弯矩M、剪力V和轴力N 主梁与柱连接的承载力 梁翼缘和腹板与柱的连接（焊缝和螺栓群）在弯矩、剪力作用下的强度； 柱腹板或翼缘板的抗压承载力 梁受压翼缘引起的压力作用下，柱的腹板或翼缘是否会由于屈曲而破坏； 节点板域的抗剪承载力 节点处柱翼缘和水平加劲肋或水平加劲隔板所包围的柱腹板部分,46,3.2 主梁与柱连接抗弯与抗剪承载力,简化设计法 弯矩由梁翼缘承担，而梁腹板只承担剪力 主梁翼缘的抗弯承载力大于主梁整个截面承载力的70% 弯矩M引起的粱上、下翼缘内的水平力H为,47,3.2 主梁与柱连接抗弯与抗剪承载力,全截面设计法 梁腹板除承担剪力外，还与梁翼缘一起承担弯矩 以梁翼缘和腹板按各自截面惯性矩分担作用于梁端的弯矩 （设计弯矩），以梁翼缘承担弯矩 ，并以腹板承担弯矩 和梁端全部剪力V（设计剪力）,48,从以上设计概念出发 当栓焊混合连接时，梁翼缘与柱焊接，“简化设计法”比“全截面设计法”偏于安全； 当全焊连接时，梁腹板与柱连接，“简化设计法”偏于不安全。 无论是“简化设计法”还是“全截面设计法”，连接计算都是从梁端的设计内力出发，也就是说，这两种方法都不是“等强连接”，即，梁端弯矩和剪力不等于梁的全截面抗弯和抗剪承载力。,49,重要的两点： 节点承载力问题：要使节点的承载力大于构件的承载力，就要以大于构件承载力的内力去设计它；显然，提高梁柱连接的交界面处及节点域的强度，也就相对降低了梁的强度； 节点域稳定性问题：提高节点域的稳定性，将直接有利于结构的抗侧（刚度、位移）和自振周期衰减。,50,3.3 柱腹板或翼缘板的承载力,对8度及9度抗震设防区的多层框架，其梁柱节点及连接还要进行节点塑性区段的校核： 梁端或柱端由构件端面算起1/10跨长或2倍截面高