高层建筑钢结构-第五章构件设计

2018年10月26日星期五,5 构件设计,5.1荷载效应组合及设计要求,5.2 钢梁的设计特点,5.3 钢柱的设计特点,5.4 中心支撑杆件,5.5 偏心支撑杆件,5.6 其它抗侧力构件,2018年10月26日星期五,弹性阶段,整体分析，计算构件内力,验算构件承载力和稳定性,验算层间变形和顶层变形,节点的计算与设计,弹塑性阶段,结构极限变形的验算,层间侧移延性比的验算,舒适度的验算,2018年10月26日星期五,5.1 荷载效应组合及设计要求,无地震作用时的组合,1) 荷载效应组合,有地震作用时的组合,2018年10月26日星期五,式中：S结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、轴力和剪力设计值；G重力荷载分项系数，一般情况采用1.2，当重力荷载效应对构件承载能力有利时，不应大于1.0；Q1、Q2、w分别为楼面活荷载、雪荷载和风荷载等荷载分项系数，一般取1.4；Eh、Ev水平、竖向地震作用分项系数，当仅计及单向地震作用时，取1.3，当同时计算水平和竖向地震作用时，Eh1.3(0.5)，Ev0.5(1.3)；SGk、SQ1k、SQ2k、Swk分别为由永久荷载、楼面活荷载、屋面雪荷载和风荷载等的标准值引起的构件内的荷载效应；,2018年10月26日星期五,式中：SGE由重力荷载代表值引起的效应，有吊车时，应包括悬吊物重力标准值的效应。重力荷载代表值按建筑抗震设计规范(GB50011-2010)的5.1.3条取用；SEhk、SEvk分别为水平或竖向地震作用标准值引起的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；w风荷载组合系数，无地震作用的组合中取1.0；有地震作用的组合中取0.2。,当验算结构的变形时，所有荷载分项系数均取1.0。,2018年10月26日星期五,非抗震验算时,2) 承载力极限状态验算,式中：0结构重要性系数，使用年限100年及以上1.1，50年1.0；S结构构件内力组合设计值；R结构构件承载力设计值；,抗震验算时,式中：RE构件的承载力抗震调整系数，柱、梁、支撑、节点板件、螺栓、焊缝强度计算时为0.75；柱、支撑稳定计算时为0.8。,2018年10月26日星期五,重力荷载作用下梁的挠度限值主梁l/400, 次梁l/250 风荷载下的位移限值顶点质心侧移H/500；层间质心侧移hi/400；结构平面端部构件最大侧移不得超过质心侧移的1.2倍。 第一阶段抗震验算的最大层间质心侧移限值hi/300，结构平面端部构件最大侧移，不得超过质心侧移的1.3倍。其它“钢混凝土”混合结构的限值见GB50011-2001的5.5.1条。,3) 正常使用极限状态验算,2018年10月26日星期五,舒适度（风振加速度）限值建筑物顶部最大加速度a限值为公寓建筑a0.20m/s2公共建筑a0.28m/s2,2018年10月26日星期五,4) 第二阶段抗震验算,层间侧移hi/50 (hi/70)混合结构的限值见GB50011-2010的5.5.5条；层间侧移延性比不应超过(高钢规),层间侧移延性比是指结构在罕遇地震下的最大层间侧移与该楼层进入弹塑性状态时层间侧移的比值。,2018年10月26日星期五,5.2 钢梁的设计特点(beams),1) 梁的强度,非抗震验算：抗弯强度抗剪强度梁端尚应验算抗震验算：上公式的设计强度应该除以抗震调整系数RE 。,2018年10月26日星期五,2) 梁的整体稳定,抗震验算要考虑抗震调整系数。 当梁端仅以腹板与柱(主梁)连接时，整体稳定系数上应乘以0.85的降低系数。 当为组合楼盖，或现浇钢筋混凝土板与钢梁翼缘有可靠连接时，可不验算钢梁的整体稳定性。,2018年10月26日星期五,抗震区侧向支撑的设置,目的保证梁上塑性铰能充分塑性转动而不发生整体失稳。 位置两端可能出现塑性铰处；梁的上下翼缘均应设置；相邻侧向支撑点间的侧向长细比应符合钢规塑性设计的有关规定，且满足下表。,钢梁的容许侧向长细比,2018年10月26日星期五,3) 梁板件的宽厚比限值,一般钢梁板件的宽厚比限值,2018年10月26日星期五,框架梁的板件宽厚比限值,2018年10月26日星期五,钢结构房屋抗震等级的规定,2018年10月26日星期五,兼作支撑横杆的梁和塑性设计时梁板件的宽厚比限值,2018年10月26日星期五,5.3 钢柱的设计特点(columns),（梁，柱，中心支撑，偏心支撑，剪力墙板）,轴压柱 框架柱,2018年10月26日星期五,两个工字钢组成的十字形截面也有大量应用 圆管截面多用于钢管混凝土柱,1) 轴压柱,截面形式,强度验算,稳定验算,刚度验算,局部稳定,2018年10月26日星期五,使用净截面面积,1) 轴压柱,截面形式,强度验算,稳定验算,刚度验算,局部稳定,2018年10月26日星期五,使用毛截面面积 计算稳定系数时，厚板多为c、d类,1) 轴压柱,截面形式,强度验算,稳定验算,刚度验算,局部稳定,2018年10月26日星期五,1) 轴压柱,截面形式,强度验算,稳定验算,刚度验算,由长细比控制 长细比不宜大于120，一般40-60,局部稳定,箱形 截面,2018年10月26日星期五,2) 框架柱（压弯柱 beam-columns）,承载力验算,强度验算,稳定验算,弯矩作用平面内：,弯矩作用平面外：,2018年10月26日星期五,支撑框架 无侧移无支撑框架 有侧移 弱支撑框架,框架的分类：,框架柱计算长度,2018年10月26日星期五,计算长度的确定方法：,基本假定,稳定方程,进行简化,表格公式,确定模型,2018年10月26日星期五,计算长度的确定方法：,基本假定,稳定方程,进行简化,表格公式,确定模型,a）材料弹性 b）只在节点承受竖向荷载 c）所有柱子同时失稳 d）柱子失稳时，相交于同一节点的横梁对柱提供约束弯矩，按柱线刚度之比分配给柱，只考虑与该柱相连的横梁 e）无侧移失稳，横梁两端转角大小相等方向相反；有侧移失稳，横梁两端转角大小相等方向相同,2018年10月26日星期五,计算长度的确定方法：,基本假定,稳定方程,进行简化,表格公式,确定模型,转角位移方程组,确定稳定承载力Pcr,与欧拉临界力公式相对比：,最后发现除了与失稳模式有关之外，还与柱上下端的梁柱线刚度比K1和K2有关，是关于它们的超越方程。,2018年10月26日星期五,计算长度的确定方法：,基本假定,稳定方程,进行简化,表格公式,确定模型,关于梁柱线刚度比K1和K2,2018年10月26日星期五,计算长度的确定方法：,基本假定,稳定方程,进行简化,表格公式,确定模型,无支撑框架：,柱脚刚性嵌固时柱脚铰接时,2018年10月26日星期五,计算长度的确定方法：,基本假定,稳定方程,进行简化,表格公式,确定模型,强支撑框架：,柱脚刚性嵌固时柱脚铰接时,2018年10月26日星期五,计算长度的确定方法：,基本假定,稳定方程,进行简化,表格公式,确定模型,弱支撑框架：,2018年10月26日星期五,计算长度的确定方法：,基本假定,稳定方程,进行简化,表格公式,确定模型,确定柱计算长度系数的方法小结：,钢结构设计规范 (GB50017-2003) 高层民用建筑钢结构技术规程 (JGJ99-98),2018年10月26日星期五,柱在框架平面外的计算长度：,与平面内计算方法相同,2018年10月26日星期五,有侧移双层框架图中数字为横梁或柱子的线刚度 分析各柱在框架平面内计算长度系数,例1,2018年10月26日星期五,柱C1,C3: 柱C2： 柱C4,C6： 柱C5：,无支撑纯框架 >1.0柱脚刚接 1.0-2.0柱脚铰接 >2.0 有支撑框架柱 <1.0,2018年10月26日星期五,图示铰接柱脚的双跨等截面柱框架确定边柱和中柱在框架平面内的计算长度,例2,2018年10月26日星期五,查有侧移框架计算长度系数的规范表格：,横梁线刚度与边柱线刚度比值,横梁,边柱,中柱,用近似公式计算,2018年10月26日星期五,2018年10月26日星期五,两个横梁线刚度之和与中柱线刚度比值：,两种方法计算结果一致,近似公式,2018年10月26日星期五,基础铰接的双跨框架已知：一阶分析的轴压力，弯矩，水平力，框架平面外有足够支撑不发生弯扭屈曲，钢材为Q235，截面与例2同。确定柱的承载力,例3,2018年10月26日星期五,解: (1)先计算边柱的承载力 边柱的截面特性：,弯矩作用平面内的稳定承载力:,长细比,2018年10月26日星期五,按b类截面查,按稳定确定边柱承载力,对于有侧移框架，等效弯矩系数,按强度确定边柱的承载力,2018年10月26日星期五,（2）再计算中柱的承载能力,中柱的截面特征：,按弯矩作用平面内的稳定来承载能力,长细比,仍按b类截面查表,2018年10月26日星期五,按强度确定边柱的承载能力,由,由,经比较可知，P之最小值为381.8KN，是由中柱的稳定承载力决定的。,2018年10月26日星期五,式中：Wpc、Wpb分别为节点处柱和梁的截面塑性模量；N为柱轴向压力设计值；Ac为柱截面面积；为超强系数，一级1.15、二级1.10、三级1.05,A.当柱所在楼层的受剪承载力比相邻上一层的受剪承载力高出25； B.柱轴向力设计值与柱全截面面积和钢材抗压强度设计值乘积的比值不超过0.4； C.作为轴心受压构件在2倍地震力的组合下稳定性得到保证时； D.与支撑相连接的节点。,3) 抗震时，纯框架的强柱弱梁要求,可不按上式验算,2018年10月26日星期五,4) 柱的构造要求,框架柱的长细比限值为一、二、三、四抗震等级时，长细比限值为60、80、100、120,Q235钢，其它应乘以,框架柱板件的宽厚比限值：,2018年10月26日星期五,5.4 中心支撑杆件,支撑杆承载力验算（按小震压杆设计，保证弹性承载力）,式中：N设计内力。循环荷载下的强度降低系数。正则化长细比。,2018年10月26日星期五,长细比限值（我国）120一、二、三级不得采用拉杆设计，四级采用拉杆设计时，长细比限值为180,Q235钢，其它应乘以,2018年10月26日星期五,支撑板件宽厚比限值,适用于Q235钢，其它钢号应乘以 (工形、箱形)或 (圆管) 杆件两个方向长细比均应满足此表,可以发现支撑板件宽厚比限值比柱子还要严格，原因？,2018年10月26日星期五,5.5 偏心支撑杆件,1) 支撑杆的承载力验算,式中： N支撑斜杆轴力设计值，取与支撑斜杆相连的消能梁段达到受剪承载力时支撑斜杆轴力；轴心受压构件的稳定系数，查钢结构规范附录C； 内力增大系数 一级不应小于1.4二级不应小于1.3三级不应小于1.2,如此规定支撑内力设计值的原因是什么？,2018年10月26日星期五,2) 偏心支撑的构造要求,长细比,板件宽厚比,可以发现偏心支撑板件宽厚比限值比很宽松，原因？,2018年10月26日星期五,3) 偏心支撑框架梁的构造要求,在消能梁段上要配置中间加劲肋； 在梁上与支撑翼缘对应的位置上应设置支承加劲肋；,2018年10月26日星期五,消能梁段中间加劲肋的配置要求,2018年10月26日星期五,消能梁段端部侧向支撑的布置,2018年10月26日星期五,2018年10月26日星期五,偏心支撑框架结构的框架部分可与纯框架结构的抗震构造要求一致。 当房屋高度不高于100m，且框架部分按计算分配的地震作用不大于结构底部总地震剪力的25%时，一、二、三级的抗震构造措施可按框架结构降低一级的相应要求采用。（本条对于中心支撑框架同样适用）,