高层建筑钢结构-第四章结构分析

1、2018年10月6日星期六,4 结构分析,4.1 一般原则和基本假定,计算总则,非抗震结构,抗震结构,对于某些高层,中震可修，通过构造要求保证,2018年10月6日星期六,组合梁的考虑方法,弹性分析时,弹塑性分析时,次构件的考虑方法,忽略次构件的影响 忽略非结构构件的影响 必要时考虑一定的受力蒙皮作用,2018年10月6日星期六,分析模型的使用原则,结构布置规则，不计入扭转时,具有多种抗侧体系，不计入扭转时,布置不规则结构,分析模型中需要考虑的因素,梁柱的弯曲变形、轴向变形、宜计入剪切变形 节点域的剪切变形 支撑的轴向变形,2018年10月6日星期六,支撑在整体分析中的要求,支撑两端常做成刚性连接 但可按两端铰接计算内力 偏心支撑中的耗能梁段分析时应取为单独单元,嵌入式墙板的分析原则,可按相同水平力作用下侧移相同的原则，将其折算成等效支撑或等效剪切板计算。,2018年10月6日星期六,4.2 分析模型,分析模型应视设计阶段而定：,初步设计阶段,中间和最终设计阶段,2018年10月6日星期六,1) 结构分析模型的发展,2018年10月6日星期六,框架结构平面简化模型竖向荷载作用下可采用分

2、层法计算内力（弯矩和轴力）,2) 简化模型,2018年10月6日星期六,水平荷载作用下可采用反弯点法或D值法求内力和位移,2018年10月6日星期六,剪力墙和均匀开洞剪力墙的简化模型,不开洞剪力墙可简化为悬臂柱 墙体均匀开洞时，可简化为带刚域的框架计算,2018年10月6日星期六,2018年10月6日星期六,平面布置规则的框架-支撑(剪力墙)结构，在水平荷载作用下的简化协同分析模型,2018年10月6日星期六,当抗侧力体系种类较多，且对称布置时，可采用平面抗侧力结构的协同分析模型。,2018年10月6日星期六,平面杆系模型,体系复杂，平面和竖向不规则的结构，宜采用三维空间分析模型，通常采用杆系模型进行有限元分析。,3) 精确分析模型,2018年10月6日星期六,空间杆系模型中的空间梁元和薄壁杆件单元模型,2018年10月6日星期六,基于塑性铰理论的梁单元模型,2018年10月6日星期六,沿截面和杆长的积分单元模型,2018年10月6日星期六,平面梁、柱单元的双分量杆件模型的骨架曲线,4) 弹塑性动力分析中单元的骨架曲线,配合塑性铰单元模型或积分单元模型，可以通过定义材料的应力应变关系为

3、双线性来实现。,2018年10月6日星期六,节点域的骨架曲线,2018年10月6日星期六,钢支撑杆件的滞回模型,2018年10月6日星期六,2018年10月6日星期六,支撑的maison模型,由于计算工具的进步，目前更习惯于将支撑沿长度划分为多个单元，当单元足够多时（大于4个），配合塑性铰单元模型或积分单元模型，可以模拟支撑失稳的特性。,2018年10月6日星期六,内藏钢板支撑剪力墙骨架曲线,有粘结时,无粘结时，把支撑设置成杆单元即可,2018年10月6日星期六,带竖缝混凝土剪力墙骨架曲线,2018年10月6日星期六,4.3 分析方法,1) 简化分析方法,钢框架结构（竖向荷载：分层法；水平荷载：D值法）略,2018年10月6日星期六,钢框架支撑结构和钢框架剪力墙结构,在水平荷载作用下可近似地简化为平面抗侧力体系。将所有框架合并为总框架将所有支撑合并为总支撑将所有剪力墙合并为总剪力墙,2018年10月6日星期六,进行简化分析时，总支撑可视为一根竖向弯曲杆件，其等效惯性矩Ieq为：,其中： 折减系数，对中心支撑可取0.80.9； Aij第j榀竖向支撑第i根柱的截面面积； aij第i根柱至第

4、j榀竖向支撑的柱截面形心轴的距离； n每一榀竖向支撑的柱子数； m水平荷载作用方向竖向支撑的榀数。,2018年10月6日星期六,2018年10月6日星期六,2) 精确方法,采用有限元方法的二阶弹塑性分析 多借助于大型有限元分析与设计程序：,以设计为主的程序：ETABS、SAP2000、Staad Pro、Midas、MTS、3D3S、STS、SETWE等； 以内力计算为主的程序：ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等。,2018年10月6日星期六,反应谱分析方法，由于所取振型有限，且只能适用于弹性动力分析，故对于特别不规则的建筑，尚应采用直接动力法时程分析法进行补充验算。当取三组加速度时程曲线输入时，计算结果宜取时程法的包络值和振型分解反应谱法的最大值。当取七组及以上的时程曲线时，计算结果可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。应按场地土类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，实际强震记录不得小于总数的2/3。弹性时程分析时，每条时程曲线所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法的8

5、0%。,3) 钢结构抗震时程分析的基本概念,2018年10月6日星期六,采用弹性时程分析的房屋高度范围,多遇地震下的弹性时程分析的房屋高度范围和罕遇地震下的弹塑性时程分析的房屋范围如下：,2018年10月6日星期六,采用弹塑性时程分析的房屋范围（或三维静力弹塑性pushover分析方法）,2018年10月6日星期六,时程分析时所用地震加速度时程曲线的最大加速度值(cm/s2),加速度单位cm/s2，也称gal。,2018年10月6日星期六,4.4 结构的整体稳定性与P-效应,1) 二阶效应(P-效应)的概念,结构在水平荷载作用下，产生侧移； 此时竖向荷载将对刚架产生一个附加的外弯矩P，将继续增大侧移和内力； 竖向荷载作用于继续增大的侧移，将产生更小一阶的外弯矩P1，继续增大侧移和内力； 如此叠加，直至平衡(或整体失稳)，称为P-效应(二阶效应)。,2018年10月6日星期六,2) 一阶分析与二阶分析,2018年10月6日星期六,二阶效应的影响,30层以下的钢结构，不显著，可忽略,3) 二阶分析的影响,50层的钢结构，二阶内力和位移可达15以上,超高层的钢结构，影响更大，必须考虑,如果不考虑，可能造成构件实际负担的内力超过设计承载力，引起结构倒塌。,2018年10月6日星期六,4) 整体稳定性的判断,当同时满足以下两个条件时，可不验算结构整体稳定,结构各楼层柱的平均长细比和平均轴压比满足：,其中： m楼层柱的平均长细比； Nm楼层柱的平均轴压力设计值； Npm楼层柱的平均全塑性轴压力， Npm=fyAm； Am楼层柱的平均截面面积。,2018年10月6日星期六,一阶分析计算得到的各层层间相对侧移满足：,其中： h、u楼层高度与质心处层间位移； Fh、Fv计算楼层以上全部水平荷载之和与全部竖向荷载之和。,2018年10月6日星期六,当不满足上述要求时，需要进行整体稳定性验算,对于u/h1/1000的有支撑结构，可按计算长度系数法验算； 对于无支撑结构及u/h1/1000的有支撑结构，应按能反映P-效应的方法验算结构整体稳定性。,

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