多高層鋼結(jié)構(gòu)PPT課件

第三章 多層及高層鋼結(jié)構(gòu) 3 1概述 一 多 高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用 1 建筑用鋼量國(guó)內(nèi) 全部鋼產(chǎn)量的20 25 國(guó)外 美國(guó) 日本 50 我國(guó)真正用于鋼結(jié)構(gòu)的鋼材僅為200 300萬(wàn)噸 年產(chǎn)量1億噸 2 典型的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑 第一臺(tái)北國(guó)際金融中心 101樓 101層高508米 臺(tái)北 第二 三吉隆坡佩納斯大廈 雙塔 95層高452米1996年建成 第四西爾斯大樓110層高443米美國(guó)芝加哥 第五上海金茂大廈88層高420米1998年落成 第六國(guó)際金融中心大廈 二期 高416米中國(guó)香港 第七中信廣場(chǎng)大廈中國(guó)廣州 第八信興廣場(chǎng)大廈中國(guó)深圳 第九帝國(guó)大廈高381米美國(guó)紐約 第十中央廣場(chǎng)大廈高374米中國(guó)香港 世貿(mào)中心 高417米和415米 110層 阿聯(lián)酋迪拜大廈 在建 據(jù)說(shuō)世界第一 95層高466米在建 上海環(huán)球金融中心 二 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 1 自重輕 強(qiáng)度高采用鋼結(jié)構(gòu)承重骨架 比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輕1 3以上 結(jié)構(gòu)自重輕 可以減少運(yùn)輸和吊裝費(fèi)用 基礎(chǔ)的負(fù)載也相應(yīng)減少 在地質(zhì)條件較差地區(qū) 可以降低基礎(chǔ)造價(jià) 2 抗震性能好鋼材的彈塑性性能好 地震作用下具有良好的延性 自重輕也顯著減少地震作用 一般可減少40 左右 主要表現(xiàn)在 具有良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益和力學(xué)性能 3 有效使用面積高構(gòu)件斷面小 所占面積小 同時(shí)還可適當(dāng)降低建筑層高 與同類鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)相比 可相應(yīng)增加建筑使用面積約4 4 建造速度快構(gòu)件制造工廠化 現(xiàn)場(chǎng)安裝 現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)面寬敞 可實(shí)施平行立體交叉作業(yè) 與同類鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)相比 一般可縮短建設(shè)周期約1 4 1 3 5 防火性能差無(wú)耐火防護(hù)的鋼構(gòu)件 其平均耐火時(shí)限約15min左右 明顯低于混凝土結(jié)構(gòu) 故有防火要求時(shí) 構(gòu)件表面必須用專門的防火涂料防護(hù) 以滿足防火規(guī)范的要求 特點(diǎn) 平面布置靈活 可為提供較大的室內(nèi)空間 結(jié)構(gòu)各部分剛度比較均勻 框架結(jié)構(gòu)有較大的延性 自振周期較長(zhǎng) 因而對(duì)地震作用不敏感 抗震性能好 但框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小 由于側(cè)向位移大 易引起非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞 因此不宜建的太高 純框架結(jié)構(gòu)體系在地震區(qū)一般不超過(guò)15層 三 多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)體系 1 框架結(jié)構(gòu) 2 框架 支撐體系 純框架側(cè)移不滿足時(shí) 可以采用帶支撐的框架 即在框架體系中 沿結(jié)構(gòu)的縱 橫兩個(gè)方向布置一定數(shù)量的支撐 沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接 形成一個(gè)支撐芯筒 豎向支撐桁架起剪力墻的作用 能獲得比純框架結(jié)構(gòu)大的多的抗側(cè)力剛度 可以明顯減小建筑物的層間位移 支撐的形式和布置 在水平力作用下 支撐頂部將產(chǎn)生很大的水平變位 此時(shí)可在頂層設(shè)置帽桁架及在中間某層設(shè)置腰桁架 帽桁架和腰桁架使外圍柱與核心抗剪結(jié)構(gòu)共同工作 可有效減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向變位 剛度也有很大提高 腰桁架的間距一般為12 15層 腰桁架越密整個(gè)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)體作用越強(qiáng) 這種結(jié)構(gòu)通常被稱為部分筒體結(jié)構(gòu)體系 當(dāng)僅設(shè)一道腰桁架時(shí) 最佳位置是在離建筑頂端0 455H高度 在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻可以組成框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系 這種結(jié)構(gòu)以剪力墻作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu) 既具有框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活 使用方便的特點(diǎn) 又有較大的剛度 可用于40至60層的高層鋼結(jié)構(gòu) 當(dāng)鋼筋混凝土墻沿服務(wù)性面積 如樓梯間 電梯間和衛(wèi)生間 周圍設(shè)置 就形成框架多筒體結(jié)構(gòu)體系 這種結(jié)構(gòu)體系在各個(gè)方向都具有較大的抗側(cè)力剛度 成為主要的抗側(cè)力構(gòu)件 承擔(dān)大部分水平荷載 鋼框架主要承受豎向荷載 3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系 剪力墻 剛度較大 地震時(shí)易發(fā)生應(yīng)力集中 導(dǎo)致墻體產(chǎn)生斜向大裂縫而脆性破壞 即在鋼筋混凝土墻體中按一定間距設(shè)置框架結(jié)構(gòu)豎縫 這樣墻體成了許多并列的壁柱 在風(fēng)載和小震下處于彈性階段 確保結(jié)構(gòu)的使用功能 在強(qiáng)震時(shí)進(jìn)入塑性階段 能吸收大量地震能量 各壁柱繼續(xù)保持其承載能力 以防止建筑物倒塌 以厚約8 lOmm的鋼板做成剪力墻 與鋼框架組合 起到剛性構(gòu)件的作用 將框架 剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)置于內(nèi)筒的四周形成封閉的核心筒體 而外圍鋼框架柱柱網(wǎng)較密 形成框架 核心筒體系 中心筒體既可采用鋼結(jié)構(gòu)亦可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 核心筒體承擔(dān)全部或大部分水平力及扭轉(zhuǎn)力 樓面多采用鋼梁 壓型鋼板與現(xiàn)澆混凝土組成的組合結(jié)構(gòu) 與內(nèi)外筒均有較好的連接 水平荷載將通過(guò)剛性樓面?zhèn)鬟f到核心筒 鋼與鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)的水平剛度取決于核心筒的高寬比 4 框架 核心筒結(jié)構(gòu)體系 5 筒體結(jié)構(gòu) 由內(nèi)外兩個(gè)筒體 筒中筒 或多個(gè)筒體結(jié)構(gòu) 束筒體系 組合而成 共同抵抗水平力 具有很好的空間作用 適用于90層左右的鋼結(jié)構(gòu)建筑 6 懸掛結(jié)構(gòu) 1 確定合理的結(jié)構(gòu)形式和節(jié)點(diǎn)的連接 形式 方法 2 選擇結(jié)構(gòu)和連接的材料并提出相應(yīng)的技術(shù)性能指標(biāo) 3 維護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇 從結(jié)構(gòu)上考慮 4 構(gòu)件的形式并初步估算截面尺寸 5 荷載匯集及荷載組合 6 地震作用計(jì)算 7 結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力計(jì)算 8 內(nèi)力組合及構(gòu)件截面驗(yàn)算 9 連接的設(shè)計(jì)計(jì)算 10 維護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 11 基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 12 其他 三 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟 3 2多高層鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算特點(diǎn) 一 結(jié)構(gòu)的荷載種類 豎向荷載 永久荷載 自重和使用荷載 水平荷載 風(fēng)荷載 地震作用 水平和豎向 二 荷載計(jì)算 1 風(fēng)荷載2 地震作用計(jì)算 三 計(jì)算的一般原則 1 多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移一般采用彈性方法計(jì)算 對(duì)有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu) 除進(jìn)行多遇地震作用下的彈性效應(yīng)計(jì)算外 還應(yīng)考慮在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)可能進(jìn)入彈塑性狀態(tài) 采用彈塑性方法進(jìn)行分析 2 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)通常采用現(xiàn)澆組合樓蓋 一般可假定樓面在自身平面內(nèi)為絕對(duì)剛性 但在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取保證樓面整體剛度的構(gòu)造措施 如加設(shè)梁抗剪件 非剛性樓面加整澆層等 對(duì)整體性較差 或樓面有大開(kāi)孔 有較長(zhǎng)外伸段或相鄰層剛度有突變的樓面 當(dāng)不能保證樓面的整體剛度時(shí) 宜采用樓板平面內(nèi)的實(shí)際剛度 3 由于樓板與鋼梁連接在一起 當(dāng)進(jìn)行多高層鋼結(jié)構(gòu)的彈性分析時(shí) 宜考慮現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板與鋼梁的共同工作 此時(shí)應(yīng)保證樓板與鋼梁間有可靠連接 當(dāng)進(jìn)行彈塑性分析對(duì) 樓板可能嚴(yán)重開(kāi)裂 因此 不宜考慮樓板與鋼梁的共同工作 4 多高層鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型應(yīng)視具體結(jié)構(gòu)形式和計(jì)算內(nèi)容規(guī)定 一般情況下可采用平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同計(jì)算模型 當(dāng)結(jié)構(gòu)布置規(guī)則 質(zhì)量及剛度沿高度分布均勻 不計(jì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí) 可采用平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 當(dāng)結(jié)構(gòu)平面或立面不規(guī)則 體型復(fù)雜 無(wú)法劃分成平面抗側(cè)力單元或?yàn)楹?jiǎn)單結(jié)構(gòu)時(shí) 應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 5 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件的跨高比較小 在計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移時(shí) 除考慮梁 柱的彎曲變形和柱的軸向變形外 尚應(yīng)考慮梁 柱的剪切變形 由于梁的軸力很小 一般不考慮梁的軸向變形 但當(dāng)梁同時(shí)作為腰桁架或帽桁架的弦桿時(shí) 應(yīng)計(jì)入軸力的影響 6 鋼框架一剪力墻體系中 現(xiàn)澆豎向連續(xù)鋼筋混凝土剪力墻的計(jì)算應(yīng)計(jì)入墻的彎曲變形 剪切變形和軸向變形 當(dāng)鋼筋混凝土剪力墻具有比較規(guī)則的開(kāi)孔時(shí) 可按帶剛域的框架計(jì)算 當(dāng)具有復(fù)雜開(kāi)孔時(shí) 宜采用平面有限元法計(jì)算 7 柱間支撐兩端應(yīng)為剛性連接 但可按兩端鉸接連接計(jì)算 其端部連接的剛度通過(guò)支撐構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度加以考慮 若采用偏心支撐 由于耗能梁段在大震時(shí)將首先屈服 計(jì)算時(shí)應(yīng)取為單獨(dú)單元 四 梁 柱的截面形式 一 PKPM系列 鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件STS 二 STAAD CHINA2000鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與繪圖軟件 三 ANSYS 四 芬蘭Xsteel中文版智能鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)系統(tǒng) 五 StruCad三維鋼結(jié)構(gòu)詳圖系統(tǒng) 六 SCIA鋼結(jié)構(gòu)CAE CAD CIM一體化軟件 七 PS2000門式剛架輕型房屋設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng) 八 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)軟件GFCAD 九 PDSOFTSteelWorks三維鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析計(jì)算軟件 十 同濟(jì)大學(xué)空間鋼結(jié)構(gòu)軟件3D3S 十一 多高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)M TSteel 十二 廣廈建筑鋼結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng) 五 內(nèi)力與位移計(jì)算 1 鋼結(jié)構(gòu)的靜 動(dòng)力分析一般應(yīng)借助計(jì)算機(jī)完成 2 人工計(jì)算內(nèi)力和位移 初步設(shè)計(jì)時(shí)截面的預(yù)估 1 地震作用 風(fēng)荷載作用下 采用D值法 2 豎向荷載作用下 采用分層法 或彎矩二次分配法 3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí) 應(yīng)注意的問(wèn)題 1 節(jié)點(diǎn)板域剪切變形的影響 節(jié)點(diǎn)域剪切變形對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)水平位移影響一般可達(dá)10 20 2 P 效應(yīng)影響 豎向荷載作用下 因水平位移而產(chǎn)生的內(nèi)力與位移增大的現(xiàn)象 即P 效應(yīng) a 一階彈性分析 第一階段設(shè)計(jì)采用線彈性計(jì)算方法 豎向荷載作用下與水平荷載作用下的內(nèi)力和位移是彼此獨(dú)立的 兩者的內(nèi)力與位移可以直接相加 b 二階彈性分析 非線性分析 50層左右的高層鋼結(jié)構(gòu)P 效應(yīng)產(chǎn)生的二階內(nèi)力和位移可達(dá)15 以上 地震作用下 抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定 當(dāng)結(jié)構(gòu)地震作用下的重力附加彎矩大于初始彎矩的10 時(shí) 應(yīng)計(jì)入重力二階效應(yīng) 六 位移限制 1 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下 頂點(diǎn)質(zhì)心位置的側(cè)移不宜超過(guò)建筑高度的1 600 質(zhì)心層間側(cè)移不宜超過(guò)樓層高度1 400 結(jié)構(gòu)平面端部構(gòu)件最大側(cè)移不得超過(guò)質(zhì)心側(cè)移的1 2倍 2 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的第一階段抗震設(shè)計(jì) 其層間側(cè)移標(biāo)準(zhǔn)值不得超過(guò)結(jié)構(gòu)層高的1 250 3 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的第二階段抗震設(shè)計(jì) 其結(jié)構(gòu)層間側(cè)移不得超過(guò)層高的1 70 結(jié)構(gòu)層間側(cè)移延性比不大于下表的規(guī)定 3 3壓型鋼板組合樓 屋蓋 結(jié)構(gòu) 一 在確定樓蓋結(jié)構(gòu)方案時(shí) 應(yīng)考慮以下要求 保證樓蓋有足夠的平面整體剛度 減輕結(jié)構(gòu)的自重及減小結(jié)構(gòu)層的高度 有利于現(xiàn)場(chǎng)安裝方便及快速施工 較好的防火 隔音性能 并使于管線的敷設(shè) 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的最常用的做法為在鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板 再燒注整體鋼筋混凝土板 形成組合樓板 鋼與混凝土組合樓 屋 蓋 二 組合樓板的設(shè)計(jì)要求 1 組合樓蓋常用的壓型鋼板一般由厚0 8一1 0mm的熱鍍鋅薄板成型 長(zhǎng)度為8 12m 各塊壓型鋼板之間應(yīng)用緊固件將其連成整體 安裝時(shí) 壓型鋼板表面的油污應(yīng)清除 避免長(zhǎng)期暴露而生銹 對(duì)處于較嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下的建筑 不宜采用壓型鋼板組合樓蓋體系 2 設(shè)計(jì)樓蓋結(jié)構(gòu)時(shí) 壓型鋼板可以有三種形式 壓型鋼板只作為永久性模板使用 壓型鋼板既是模板又作為底面受拉配筋 即組合樓板 壓型鋼板承受全部樓板活荷載 僅作為永久性模板使用時(shí) 壓型鋼板承受施工荷載和混凝土的重量 對(duì)同時(shí)兼作模板和受拉配筋的壓型鋼板組合樓板的設(shè)計(jì) 應(yīng)分階段驗(yàn)算 即施工階段和使用階段 三 組合梁的設(shè)計(jì)要求 組合梁由鋼筋混凝土翼板 抗剪連接件和鋼梁組成 1 組合梁翼板的有效寬度 2 組合梁的截面設(shè)計(jì) 組合梁截面高度一般為跨度的1 15 1 16 鋼梁截面高度不宜小于組合梁截面總高度的1 2 5 截面設(shè)計(jì)計(jì)算方法 彈性分析方法 塑性分析方法 3 組合梁連接件設(shè)計(jì) 1 形式 2 作用 3 4構(gòu)件及其連接設(shè)計(jì)特點(diǎn) 一 梁的設(shè)計(jì) 1 強(qiáng)度 2 整體穩(wěn)定 3 局部穩(wěn)定 4 剛度 二 柱的設(shè)計(jì) 1 強(qiáng)度和穩(wěn)定 2 板件寬厚比 3 長(zhǎng)細(xì)比 7度及7度以上設(shè)防 6度和非抗震設(shè)防 三 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 中心支撐內(nèi)力計(jì)算特點(diǎn) 垂直支撐作為豎向桁架的斜桿 主要承受水平荷載 風(fēng)荷載或多遇地震作用 引起的剪力 但由于高層建筑在水平荷載下變形較大 在重力和水平力下 還承受水平位移和重力荷載產(chǎn)生的附加彎曲效應(yīng) 水平位移主要由兩部分引起 即樓層安裝初始傾斜率和荷載作用下樓層的側(cè)移 故計(jì)算支撐的內(nèi)力時(shí) 還應(yīng)計(jì)入附加剪力的影響 框架柱在重力荷載作用下的彈性壓縮變形將在十字交叉支撐 人字形支撐和V形支撐的斜桿中引起附加壓應(yīng)力 故在計(jì)算此類形式的支撐截面時(shí) 應(yīng)計(jì)人附加壓應(yīng)力的影響 人字形支撐的受壓斜桿若受壓屈曲 將導(dǎo)致框架橫梁產(chǎn)生較大變形 并使整個(gè)體系的抗剪能力發(fā)生退化 因此 在進(jìn)行多遇地震作用下支撐的設(shè)計(jì)時(shí) 對(duì)人字形支撐和V形支撐斜桿的內(nèi)力應(yīng)乘以增大系數(shù)1 5 同時(shí) 十字交叉支撐和單斜桿式支撐的斜桿內(nèi)力 也應(yīng)乘以增大系數(shù)1 3 以提高斜撐的承