多层钢结构设计课件

1、1,多层钢结构设计,2,第一节 多层钢结构体系优点、组成、类型 第二节 需要考虑的主要灾害 第三节 多层钢结构的设计思路 第四节 多层钢结构的关键设计 第五节 存在问题,多层钢结构设计,3,第一节 多层钢结构体系,4,组成 钢柱抗侧、承受竖向荷载 钢梁承受楼板荷载 节点传递荷载、控制侧移、抗侧 支撑抗侧 类型 柱支撑体系 纯框架体系 框架支撑体系,第一节 多层钢结构体系,5,柱支撑体系 梁柱铰接节点 纵向和横向均有柱间支撑 空间刚度及抗侧力均由支撑提供 适用于柱距不大、双向支撑不影响空间流动 设计、制作、安装简单 抗侧刚度大，用钢量小,第一节 多层钢结构体系,6,柱支撑体系,第一节 多层钢结构体系,7,纯框架体系 纵横两向均为刚接框架 其承载力及空间刚度由刚接框架提供 用于柱距较大，无法设置支撑的建筑物 节点构造复杂，用钢量较多 空间利用大,第一节 多层钢结构体系,8,纯框架体系,第一节 多层钢结构体系,9,框架支撑体系 纵向为柱支撑体系，横向为纯框架体系 利于空间流动，简化设计，降低用钢量 实际工程中多采用此种形式 多用于平面纵向较长，横向较短,第一节 多层钢结构体系,10,框架支撑

2、体系,第一节 多层钢结构体系,11,布置原则（理解） 柱网梁系布置合理； 节点形式简单、便于施工； 采用平面刚性楼盖，楼盖主次梁平接构造； 柱间支撑应不大于4L（L有支撑的柱间距）； 布置时应注意合理及均匀，避免及减少刚度中心的偏移。,第一节 多层钢结构体系,12,第二节 需要考虑的主要灾害,火灾 钢结构的材料特性 钢结构建筑均具有的普遍性 地震-与一般荷载有何不同？ 构件抗侧：刚性节点、支撑（小震） 材料延性：大变形、塑性（大震） 设计界、学术界面临的最大矛盾！？ 解决方法：随机统计力学,13,S -荷载效应 R -构件控制截面抗力 -抗力抗震调整系数，1.0,第三节 多层钢结构的设计思路,14,1、荷载效应 恒载（永久荷载） 建筑物自重，分项系数取1.2； 楼盖上的永久设备荷载，分项系数取1.2； 注意：当恒载在荷载组合中为有利作用，分项系数取1.0。,第三节 多层钢结构的设计思路,15,活载（可变荷载） 雪荷载，分项系数取1.4； 积灰荷载，分项系数取1.4； 楼层活载，分项系数取1.4（Q4 1.3）； 风荷载，风载标准值，分项系数取1.4；,16, 地震作用：结构本身质量对结

3、构体产生地震作用，主要有两种： 1）水平地震作用：内力组合中重要的作用 2）竖向地震作用：大跨度或大悬臂构件,17,1）水平地震作用： 规则结构，采用平面计算模型； 平面不规则，应采用空间计算模型； 刚度中心与重心有较大偏差，应考虑扭转,第三节 多层钢结构的设计思路,18,荷载效应S（内力）组合 用活载计算荷载效应 不考虑地震设计：按荷载规范折减，确定最不利组合； 考虑地震设计，采用考虑地震作用荷载组合的重力荷载代表值进行计算。,第三节 多层钢结构的设计思路,19, 不考虑地震作用效应的基本组合,20, 考虑地震作用效应的基本组合 确定地震作用时的重力荷载代表值?,21,考虑地震作用效应，其总效应,第三节 多层钢结构的设计思路,22,2、内力计算 一、一般规定 二、柱支撑框架体系水平荷载下近似计算方法 三、多层钢结构的梁 四、多层钢结构的柱 五、多层钢结构的支撑,第三节 多层钢结构的设计思路,23,一、一般规定 平面的规则性： 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 具体计算方法： 竖向荷载作用下的内力效应可以近似的分层法计算； 水

4、平荷载作用下的内力效应可采用半刚架、改进反弯点法（D值法）等近似方法计算,第三节 多层钢结构的设计思路,24,一、一般规定 多层框架在风荷载作用下，顶点的横向水平位移（标准值）不宜大于 （H为框架柱总高），层间相对位移不宜大于 （h为层高），对无隔墙的多层框架，可以不验算其层间位移。 按多遇地震进行抗震设计时，多层框架的层间侧移（标准值）不应大于层高的1/250,第三节 多层钢结构的设计思路,25,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？,26,二、柱支撑框架体系水平荷载下近似计算方法 先计算出在水平荷载作用下，支撑（承担剪力）的剪力分配系数。 用水平荷载，乘以剪力分配系数，可求得每楼每层各柱间支撑所承担的剪力，并可求得支撑杆的内力。 按结构力学的桁架计算方法，可以求得柱在水平荷载作用下的内力。,第三节 多层钢结构的设计思路,27,三、多层钢结构的梁 1、截面形式,第三节 多层钢结构的设计思路,28,三、多层钢结构

5、的梁 2、梁的计算 按梁最不利截面计算确定； 构件验算后需要调整截面，调整后截面惯性矩与原假定的惯性矩相差大于30时，宜对原框架计算内力亦进行相应的调整。 对于楼板为钢铺板的框架梁，当不直接承受动力荷载时，可考虑按塑性设计要求验算截面。 计算梁的挠度，可将梁上翼缘每侧15t（板厚）宽度的铺板计入梁的截面惯性矩。,第三节 多层钢结构的设计思路,29,四、多层钢结构的柱 1、截面形式 轧制、焊接H型钢 十字焊接型钢：适用于有较高的刚度要求 方钢管、圆钢管：荷载、柱高较大；外观,第三节 多层钢结构的设计思路,30,四、多层钢结构的柱 2、柱的计算 框架柱应按两个主轴方向分别进行强度及稳定的验算。 若采用板材厚度超过60mm（Q235）或36mm（Q345）（重型钢结构），材料除要考虑力学的指标，还要考虑防止分层。,第三节 多层钢结构的设计思路,31,五、多层钢结构的支撑 1、支撑的布置与形式 原则： 承受各方向的水平荷载 保证结构的整体稳定及安装过程中的局部、整体稳定。 多布置在框架的纵向与横向，并应与主轴对称,第三节 多层钢结构的设计思路,32,五、多层钢结构的支撑 1、支撑的布置与形式,

6、第三节 多层钢结构的设计思路,33,五、多层钢结构的支撑 1、支撑的布置与形式 沿高度布置应从上到下贯通 主要形式：X形支撑、K形支撑、华伦式桁架,第三节 多层钢结构的设计思路,34,钢结构建筑由较为理想的材料构件组合而成 构件：稳定问题； 节点：承载能力问题；（该问题与高层钢结构相同）,第4节 多层钢结构的关键设计,35,一、连接的一般规定 一般连接有三种： 焊接、摩擦型高强螺栓和栓焊混合连接,第4节 多层钢结构的关键设计,36,一、连接的一般规定 一般连接有三种： 对于栓焊混合连接，螺栓部分的承载力应考虑先栓后焊的温度影响乘以折减系数0.9。 对于节点连接中将同一力传至同一连接件上时，不允许同时采用两种方法连接（比如又栓又焊）,第4节 多层钢结构的关键设计,37,一、连接的一般规定 节点焊接应满足的下列要求： A、全熔透焊缝，其焊缝质量检验应符合一级或二级质量要求。 要求与母材等强的焊接连接或拼接。 框架节点塑性区段的焊接连接 B、焊缝金属应与母材强度相匹配： Q235E43焊条或焊丝 Q345E50焊条或焊丝 不同强度材料焊接时，应按强度较低的钢材选用,第4节 多层钢结构的关键设

7、计,38,一、连接的一般规定 节点焊接应满足的下列要求： C、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。,第4节 多层钢结构的关键设计,39,一、连接的一般规定 多层框架结构体系中的梁柱节点及柱脚节点均应设计为刚接节点； 柱支撑结构体系中的梁柱连接节点可设计为铰接节点 柱脚应考虑安装时稳定而具有一定的刚接抗弯性能。,第4节 多层钢结构的关键设计,40,一、连接的一般规定 框架承重构件的现场拼接均应为等强拼接（用摩擦型高强螺栓连接或焊接连接） 柱段高度h1一般按3层一段考虑，拼接点高度h2宜按主梁顶面以上1.01.3m考虑 多层框架梁柱及支撑的安装单元划分,第4节 多层钢结构的关键设计,41,一、连接的一般规定 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倍截面高度范围 A、节点连接的极限承载力不应小于所连接构件（梁、柱、支撑）截面塑性承载力的1.2倍（

8、抗弯承载力）及1.3倍（抗剪承载力）。 B、塑性区段的构件板截面宽厚比及受弯构件侧向支撑点区段的长细比均应符合钢结构规范的要求。,第4节 多层钢结构的关键设计,42,二、梁柱节点 梁柱节点有铰接、半刚性连接或刚性连接,第4节 多层钢结构的关键设计,43,二、梁柱节点 梁柱节点有铰接、半刚性连接或刚性连接,第4节 多层钢结构的关键设计,44,二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式： 梁柱丁字形连接（全焊接）,第4节 多层钢结构的关键设计,1）梁要加工准确； 2）有仰焊,45,二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式： 梁柱宽翼缘T字形连接（全焊接）,第4节 多层钢结构的关键设计,1）T型加劲板的高度要大于横梁高度； 2）与柱翼缘连接刚度稍大,46,二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式： 梁柱通过盖板和角钢连接（栓焊连接）,第4节 多层钢结构的关键设计,肋板,下部板,47,二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式： 梁与十字形截面柱连接 采用水平盖板和竖向板与梁连接 水平板传递弯矩，竖向板传递剪力 上水平板为楔形，与梁柱连接 下水平板与竖向板先焊接在柱上起支托作用 截面对称，四个方向

9、构造完全相同,第4节 多层钢结构的关键设计,48,二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式： 方钢管柱与梁的节点连接 分为铰接、半刚性节点、刚接节点,第4节 多层钢结构的关键设计,49,梁柱节点试验,第4节 多层钢结构的关键设计,50,梁柱节点破坏特征,第4节 多层钢结构的关键设计,51,第4节 多层钢结构的关键设计,“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 常用设计法 精确设计法,52,常用设计法 梁端弯矩M(设计弯矩)全部由梁翼缘承担，梁端剪力V（设计剪力）全部由梁腹板承担 精确设计法 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）,第4节 多层钢结构的关键设计,53,从以上设计概念出发 当栓焊混合连接时，梁翼缘与柱焊接，“常用设计法”比“精确设计法”偏于安全； 当全焊连接时，梁腹板与柱连接，“常用设计法”偏于不安全。 无论是“常用设计法”还是“精确设计法”，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。,第4节 多层钢结构的关键设计,54,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。 引申一个问题： 材料的本构关系决定构件截面的刚度退化； 构件的大变形决定了结构体系的刚度退化； 前者是“材料非线性”，后者是“几何非线性”,第4节 多层钢结构的关键设计,55,1）塑性铰位置外移狗骨头式,第4节 多层钢结构的关键设计,56,2）强化节点,57,3）扩大焊接孔及长槽型节点,58,节点域稳定

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