同济大学 高层建筑第7章 7.1钢结构-2

高层钢结构建筑设计,高层建筑结构设计,5、内力调整,一、钢框架支撑结构钢框架支撑结构的框架地震层剪力调整：,VFi0.25V0的楼层，不调整。,VFi 0.25V0的楼层，按下两式中的较小值调整Vfi。,2. 偏心支撑框架偏心支撑框架中，与消能梁段相连构件的内力设计值，应按下列要求调整： 支撑斜杆的轴力设计值，应取与支撑斜杆相连接的消能梁段达到受剪承载力时支撑斜杆轴力与增大系数的乘积其增大系数，一级不应小于1.4，二级不应小于1.3，三级不应小于1.2；位于消能梁段同一跨的框架梁内力设计值，应取消能梁段达到受剪承载力时框架梁内力与增大系数的乘积其增大系数，一级不应小于1.3，二级不应小于1.2，三级不应小于1.1；框架柱的内力设计值，应取消能梁段达到受剪承载力时柱内力与增大系数的乘积其增大系数，一级不应小于1.3，二级不应小于1.2，三级不应小于1.1。,6、钢框架构件验算,1、验算原则验算内容： 梁、柱构件的强度验算(承载力验算)；稳定验算；节点域抗剪验算。 抗震设计的钢框架强柱弱梁和节点域的验算。 构件强度和稳定验算时，采用组合的最不利内力值； 验算抗震框架构件的强度和稳定时，钢材的强度设计值要除以承载力抗震调整系数RE。 钢筋混凝土框架“强柱弱梁”的抗震设计原则也适用于钢框架。,2、钢框架的屈服机制某一层所有框架柱的上下端都屈服形成薄弱层的弱柱框架可能使结构倒塌；在实际工程中，除底层柱的柱脚外，很难实现其他柱都不屈服的机制。 研究结果： 钢框架柱在比较大的塑形转角时，仍能保持其承载力； 在往复荷载作用下，钢框架节点域板件即使多次达到其抗剪强度仍具有很好的耗能能力和仍能保持其承载力，不会发生脆性破坏与钢筋混凝土框架梁柱节点核心区混凝土的受力性能不同 钢框架的屈服耗能机制是以梁屈服耗能和节点域板件耗能为主，允许部分柱屈服，是混合塑性铰机制。 构件屈服的先后次序应是：节点域首先达到其抗剪强度然后梁屈服最后部分柱屈服不同于钢筋混凝土框架避免核心区剪切破坏的屈服机制。,梁的抗弯强度按下式验算：,主平面内受弯的实腹构件，其抗剪强度按下式验算：,框架梁端截面抗剪强度按下式验算：,4、强柱弱梁验算,为了使梁屈服先于柱屈服，节点左右梁端和上下柱端的全塑性承载力应符合下式要求：等截面梁： Wpc(fyc-N/Ac)Wpbfyb端部翼缘变截面梁： Wpc(fyc-N/Ac)(Wpb1fyb+Vpbs)Wpc、Wpb分别交汇于节点的柱、梁的塑性截面模量；Wpb1塑性铰所在梁的塑性截面模量；fyc、fyb分别为柱、梁的钢材屈服强度；N地震组合的柱轴力；Ac框架柱的截面面积；强柱系数，一级1.15；二级1.10；三级1.05；Vpb梁塑性铰剪力；s 塑性铰(可取梁端部变截面翼缘的最小处)至柱面的距离。,5、钢框架节点域验算,在小震作用下，框架梁柱节点域应满足抗剪强度要求； 在罕遇地震作用下，节点域达到抗剪强度、剪切变形耗能。 节点域的抗震验算包括三个方面： 承载力验算； 避免节点域板件局部失稳破坏的板件厚度验算； 抗剪强度验算。,节点域的承载力验算：,工字形截面柱： 箱形截面柱： 圆管截面柱：,式中： Mpb1 、Mpb2 分别为节点域两侧梁端截面全塑性受弯承力；Vp节点域板件的体积；fyv钢材的屈服抗剪强度，取钢材屈服强度的0.58倍；折减系数，一、二级取0.7，三、四级取0.6；hp1、hc1分别为梁翼缘厚度中心线之间的距离和柱翼缘翼缘厚度中心线之间的距离 ；tw柱在节点域的腹板厚度，箱形截面柱为一块腹板的厚度；,工字形截面柱和箱型截面柱板件厚度验算：,主要是为了避免节点域板件局部失稳破坏,小震作用下的抗剪强度验算：,6、中心支撑构件验算,1）、斜杆 中心支撑框架的支撑斜杆在地震作用下反复受拉压，一旦杆件受压屈曲，再次受压时承载力降低，即出现退化现象。长细比越大，退化现象越严重。 验算小震作用下中心支撑斜杆的受压承载力时，要考虑罕遇地震下受压承载力退化的影响,N支撑斜杆的轴压力设计值； Abr支撑斜杆的毛截面面积； 轴心受压杆件稳定系数； 受循环荷载时的强度降低系数； 、n分别为支撑斜杆的长细比和正则化长细比； E支撑斜杆钢材的弹性模量；f、fay分别为支撑斜杆钢材强度设计值和屈服强度； RE支撑斜杆稳定破坏承载力抗震调整系数，取0.8。,2）、人字支撑和V形支撑的框架梁 在支撑连接处应保持连续，并按不计入支撑支点作用的梁验算重力荷载和支撑屈曲时不平衡力作用下的承载力； 不平衡力应按受拉支撑的最小屈服承载力和受压支撑最大屈曲承载力的0.3倍计算。 注：顶层和出屋面房间的梁除外。如果人字形支撑或V形支撑的一根杆受压屈曲，另一根受拉斜杆的内力将大于受压屈曲斜杆的内力，这两个力的合力将使横梁产生大的竖向变形，人字形支撑使梁下塌，V形支撑使梁上鼓。 如果人字形或V形支撑的尖端处横梁铰接，就不能抵抗这种竖向变形，因此，横梁必须是连续的。 必要时，人字支撑和V形支撑可沿竖向交替设置或采用拉链柱。,7、偏心支撑框架构件承载力验算,1)、消能梁段的长度,消能梁段是偏心支撑框架塑性变形耗散能量的唯一构件； 消能梁段的耗能能力与梁段的长度和构造有关： 短梁段的非弹性变形为腹板达到剪切强度后产生的剪切变形； 长梁段的非弹性变形为翼缘拉压屈服产生的弯曲变形； 腹板剪切变形的滞回耗能稳定，滞回曲线饱满，优于弯曲屈服。 偏心支撑钢框架应尽可能采用短梁段； 弯曲屈服型长消能梁段可以用于梁的跨中，不能用于与柱连接的梁端。,短梁段长度：（全塑性承载力）,在地震水平剪力作用下，偏心支撑框架的支撑斜杆产生轴向力分量成为消能梁段的轴压力，轴压力较大时，不利于梁段的屈服后性能。因此轴力较大时，应减少消能梁段的长度。,式中： a消能梁段净长；Mlp、Vl分别为消能梁段的全塑性受弯承载力和受剪承载力。消能梁段轴力设计值与剪力设计值之比；N、V分别为消能梁段的轴力设计值和剪力设计值；A消能梁段的全截面面积；Aw消能梁段腹板的截面面积；,2)、消能梁段承载力验算,其中：V消能梁段的剪力设计值；f 消能梁段钢材抗压强度设计值；Vl=min0.58Awfay，Vl=2Mlp/aAw = ( h-2tf )tw Mlp = Wpf,消能梁段的受剪承载力要计入轴力的不利影响，取以下两式的较小值：,式中：系数，可取0.9；V、N分别为消能梁段的剪力设计值和轴力设计值；Vl、Vlc分别为消能梁段的受剪承载力和计入轴力影响的受剪承载力；Mlp消能梁段的全塑性受弯承载力；a、h、tw、tf分别为消能梁段的长度、截面高度、腹板厚度和翼缘厚度；A、Aw分别为消能梁段的截面面积和腹板截面面；Wp消能梁段的塑性截面模量； f、fay分别为消能梁段钢材的抗拉强度设计值和屈服强度；RE消能梁段承载力抗震调整系数，取0.85。,3)、偏心支撑框架其他构件计算, 内力调整 偏心支撑框架的抗震设防目标实现强柱、强梁、强支撑、弱消能梁段。 柱、梁和支撑的内力设计值取消能梁段达到受剪承载力时对应的内力并乘以增大系数：,支撑斜杆的轴力设计值：,位于消能梁段同一跨的框架梁的弯矩设计值：,柱的弯矩、轴力设计值：, 偏心支撑框架其他构件承载力验算偏心支撑的轴向承载力应符合下式要求：,式中： 由支撑长细比确定的轴心受压构件稳定系数；Abr支撑截面面积。,偏心支撑框架中，与消能梁段同一跨内的框架梁的强度和整体稳定，柱的强度和整体稳定等按钢结构规范的有关规定验算。,8、连接设计,钢构件连接的方法有焊接、高强度螺栓连接和栓焊混合连接。 焊接的传力充分，不会滑移，延性好。但焊接热应力对焊缝附近的钢板有不利影响。 高强度螺栓施工较方便，但全部采用高强螺栓连接的接头尺寸较大，钢材消耗多，价格较高，大震时螺栓连接可能会滑移。 民用建筑钢结构中，栓焊混合连接比较普遍。连接设计的原则强连接弱构件 构件破坏先于连接破坏； 连接的承载力设计值，不应小于相连构件的承载力设计值； 连接的极限承载力应大于相连构件的屈服承载力。,1)、框架梁柱刚性连接,抗震设计时，框架梁与柱的连接应为刚性连接。 我国民用建筑钢框架一般采用柱贯通型，较少采用梁贯通型 。 工程中常用的连接方式：梁与柱在施工现场直接连接；当梁高不大于700mm时，可采用柱带悬臂短梁与梁连接，梁与悬臂短梁拼接，柱带的悬臂短梁自柱中心线算起的外伸长度不大于1.6m。, 梁柱刚性连接的极限承载力验算：, 支撑与框架的连接及支撑拼接：,支撑连接和拼接：,梁的拼接：,柱的拼接：, 柱脚与基础的连接承载力：,柱脚与基础的连接承载力，应按下列公式验算：,抗震设计时，关于焊缝的极限承载力、高强螺栓连接的极限受剪承载力计算及连接的构造要求，参见抗震规范，不再赘述。构件连接的构造要求也不再赘述。,