多高層鋼結構PPT課件

第三章 多層及高層鋼結構 3 1概述 一 多 高層鋼結構建筑的應用 1 建筑用鋼量國內 全部鋼產(chǎn)量的20 25 國外 美國 日本 50 我國真正用于鋼結構的鋼材僅為200 300萬噸 年產(chǎn)量1億噸 2 典型的高層鋼結構建筑 第一臺北國際金融中心 101樓 101層高508米 臺北 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米美國芝加哥 第五上海金茂大廈88層高420米1998年落成 第六國際金融中心大廈 二期 高416米中國香港 第七中信廣場大廈中國廣州 第八信興廣場大廈中國深圳 第九帝國大廈高381米美國紐約 第十中央廣場大廈高374米中國香港 世貿中心 高417米和415米 110層 阿聯(lián)酋迪拜大廈 在建 據(jù)說世界第一 95層高466米在建 上海環(huán)球金融中心 二 高層建筑鋼結構的特點 1 自重輕 強度高采用鋼結構承重骨架 比鋼筋混凝土結構輕1 3以上 結構自重輕 可以減少運輸和吊裝費用 基礎的負載也相應減少 在地質條件較差地區(qū) 可以降低基礎造價 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)濟效益和力學性能 3 有效使用面積高構件斷面小 所占面積小 同時還可適當降低建筑層高 與同類鋼筋混凝土高層結構相比 可相應增加建筑使用面積約4 4 建造速度快構件制造工廠化 現(xiàn)場安裝 現(xiàn)場施工作業(yè)面寬敞 可實施平行立體交叉作業(yè) 與同類鋼筋混凝土高層結構相比 一般可縮短建設周期約1 4 1 3 5 防火性能差無耐火防護的鋼構件 其平均耐火時限約15min左右 明顯低于混凝土結構 故有防火要求時 構件表面必須用專門的防火涂料防護 以滿足防火規(guī)范的要求 特點 平面布置靈活 可為提供較大的室內空間 結構各部分剛度比較均勻 框架結構有較大的延性 自振周期較長 因而對地震作用不敏感 抗震性能好 但框架結構的側向剛度小 由于側向位移大 易引起非結構構件的破壞 因此不宜建的太高 純框架結構體系在地震區(qū)一般不超過15層 三 多高層建筑鋼結構體系 1 框架結構 2 框架 支撐體系 純框架側移不滿足時 可以采用帶支撐的框架 即在框架體系中 沿結構的縱 橫兩個方向布置一定數(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 能獲得比純框架結構大的多的抗側力剛度 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 此時可在頂層設置帽桁架及在中間某層設置腰桁架 帽桁架和腰桁架使外圍柱與核心抗剪結構共同工作 可有效減小結構的側向變位 剛度也有很大提高 腰桁架的間距一般為12 15層 腰桁架越密整個結構的簡體作用越強 這種結構通常被稱為部分筒體結構體系 當僅設一道腰桁架時 最佳位置是在離建筑頂端0 455H高度 在框架結構中布置一定數(shù)量的剪力墻可以組成框架剪力墻結構體系 這種結構以剪力墻作為抗側力結構 既具有框架結構平面布置靈活 使用方便的特點 又有較大的剛度 可用于40至60層的高層鋼結構 當鋼筋混凝土墻沿服務性面積 如樓梯間 電梯間和衛(wèi)生間 周圍設置 就形成框架多筒體結構體系 這種結構體系在各個方向都具有較大的抗側力剛度 成為主要的抗側力構件 承擔大部分水平荷載 鋼框架主要承受豎向荷載 3 框架剪力墻結構體系 剪力墻 剛度較大 地震時易發(fā)生應力集中 導致墻體產(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置框架結構豎縫 這樣墻體成了許多并列的壁柱 在風載和小震下處于彈性階段 確保結構的使用功能 在強震時進入塑性階段 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 起到剛性構件的作用 將框架 剪力墻結構體系中的剪力墻結構設置于內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構亦可采用鋼筋混凝土結構 核心筒體承擔全部或大部分水平力及扭轉力 樓面多采用鋼梁 壓型鋼板與現(xiàn)澆混凝土組成的組合結構 與內外筒均有較好的連接 水平荷載將通過剛性樓面?zhèn)鬟f到核心筒 鋼與鋼筋混凝土筒體結構的水平剛度取決于核心筒的高寬比 4 框架 核心筒結構體系 5 筒體結構 由內外兩個筒體 筒中筒 或多個筒體結構 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層左右的鋼結構建筑 6 懸掛結構 1 確定合理的結構形式和節(jié)點的連接 形式 方法 2 選擇結構和連接的材料并提出相應的技術性能指標 3 維護結構的選擇 從結構上考慮 4 構件的形式并初步估算截面尺寸 5 荷載匯集及荷載組合 6 地震作用計算 7 結構變形及內力計算 8 內力組合及構件截面驗算 9 連接的設計計算 10 維護結構的設計計算 11 基礎設計 12 其他 三 結構設計的一般步驟 3 2多高層鋼結構的計算特點 一 結構的荷載種類 豎向荷載 永久荷載 自重和使用荷載 水平荷載 風荷載 地震作用 水平和豎向 二 荷載計算 1 風荷載2 地震作用計算 三 計算的一般原則 1 多高層建筑鋼結構的內力與位移一般采用彈性方法計算 對有抗震設防要求的結構 除進行多遇地震作用下的彈性效應計算外 還應考慮在罕遇地震作用下結構可能進入彈塑性狀態(tài) 采用彈塑性方法進行分析 2 高層建筑鋼結構通常采用現(xiàn)澆組合樓蓋 一般可假定樓面在自身平面內為絕對剛性 但在設計中應采取保證樓面整體剛度的構造措施 如加設梁抗剪件 非剛性樓面加整澆層等 對整體性較差 或樓面有大開孔 有較長外伸段或相鄰層剛度有突變的樓面 當不能保證樓面的整體剛度時 宜采用樓板平面內的實際剛度 3 由于樓板與鋼梁連接在一起 當進行多高層鋼結構的彈性分析時 宜考慮現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板與鋼梁的共同工作 此時應保證樓板與鋼梁間有可靠連接 當進行彈塑性分析對 樓板可能嚴重開裂 因此 不宜考慮樓板與鋼梁的共同工作 4 多高層鋼結構的計算模型應視具體結構形式和計算內容規(guī)定 一般情況下可采用平面抗側力結構的空間協(xié)同計算模型 當結構布置規(guī)則 質量及剛度沿高度分布均勻 不計扭轉效應時 可采用平面結構計算模型 當結構平面或立面不規(guī)則 體型復雜 無法劃分成平面抗側力單元或為簡單結構時 應采用空間結構計算模型 5 高層建筑鋼結構梁柱構件的跨高比較小 在計算結構的內力和位移時 除考慮梁 柱的彎曲變形和柱的軸向變形外 尚應考慮梁 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 但當梁同時作為腰桁架或帽桁架的弦桿時 應計入軸力的影響 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算應計入墻的彎曲變形 剪切變形和軸向變形 當鋼筋混凝土剪力墻具有比較規(guī)則的開孔時 可按帶剛域的框架計算 當具有復雜開孔時 宜采用平面有限元法計算 7 柱間支撐兩端應為剛性連接 但可按兩端鉸接連接計算 其端部連接的剛度通過支撐構件的計算長度加以考慮 若采用偏心支撐 由于耗能梁段在大震時將首先屈服 計算時應取為單獨單元 四 梁 柱的截面形式 一 PKPM系列 鋼結構CAD軟件STS 二 STAAD CHINA2000鋼結構設計與繪圖軟件 三 ANSYS 四 芬蘭Xsteel中文版智能鋼結構詳圖設計系統(tǒng) 五 StruCad三維鋼結構詳圖系統(tǒng) 六 SCIA鋼結構CAE CAD CIM一體化軟件 七 PS2000門式剛架輕型房屋設計CAD系統(tǒng) 八 門式剛架輕型房屋鋼結構軟件GFCAD 九 PDSOFTSteelWorks三維鋼結構設計與分析計算軟件 十 同濟大學空間鋼結構軟件3D3S 十一 多高層鋼結構設計系統(tǒng)M TSteel 十二 廣廈建筑鋼結構CAD系統(tǒng) 五 內力與位移計算 1 鋼結構的靜 動力分析一般應借助計算機完成 2 人工計算內力和位移 初步設計時截面的預估 1 地震作用 風荷載作用下 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 結構內力分析時 應注意的問題 1 節(jié)點板域剪切變形的影響 節(jié)點域剪切變形對高層鋼結構水平位移影響一般可達10 20 2 P 效應影響 豎向荷載作用下 因水平位移而產(chǎn)生的內力與位移增大的現(xiàn)象 即P 效應 a 一階彈性分析 第一階段設計采用線彈性計算方法 豎向荷載作用下與水平荷載作用下的內力和位移是彼此獨立的 兩者的內力與位移可以直接相加 b 二階彈性分析 非線性分析 50層左右的高層鋼結構P 效應產(chǎn)生的二階內力和位移可達15 以上 地震作用下 抗震設計規(guī)范規(guī)定 當結構地震作用下的重力附加彎矩大于初始彎矩的10 時 應計入重力二階效應 六 位移限制 1 高層建筑鋼結構在風荷載作用下 頂點質心位置的側移不宜超過建筑高度的1 600 質心層間側移不宜超過樓層高度1 400 結構平面端部構件最大側移不得超過質心側移的1 2倍 2 高層建筑鋼結構的第一階段抗震設計 其層間側移標準值不得超過結構層高的1 250 3 高層建筑鋼結構的第二階段抗震設計 其結構層間側移不得超過層高的1 70 結構層間側移延性比不大于下表的規(guī)定 3 3壓型鋼板組合樓 屋蓋 結構 一 在確定樓蓋結構方案時 應考慮以下要求 保證樓蓋有足夠的平面整體剛度 減輕結構的自重及減小結構層的高度 有利于現(xiàn)場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 高層建筑鋼結構的最常用的做法為在鋼梁上鋪設壓型鋼板 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 組合樓板的設計要求 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 長度為8 12m 各塊壓型鋼板之間應用緊固件將其連成整體 安裝時 壓型鋼板表面的油污應清除 避免長期暴露而生銹 對處于較嚴重腐蝕環(huán)境下的建筑 不宜采用壓型鋼板組合樓蓋體系 2 設計樓蓋結構時 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 壓型鋼板承受施工荷載和混凝土的重量 對同時兼作模板和受拉配筋的壓型鋼板組合樓板的設計 應分階段驗算 即施工階段和使用階段 三 組合梁的設計要求 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 組合梁的截面設計 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 截面設計計算方法 彈性分析方法 塑性分析方法 3 組合梁連接件設計 1 形式 2 作用 3 4構件及其連接設計特點 一 梁的設計 1 強度 2 整體穩(wěn)定 3 局部穩(wěn)定 4 剛度 二 柱的設計 1 強度和穩(wěn)定 2 板件寬厚比 3 長細比 7度及7度以上設防 6度和非抗震設防 三 抗側力結構設計 1 中心支撐內力計算特點 垂直支撐作為豎向桁架的斜桿 主要承受水平荷載 風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 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移 故計算支撐的內力時 還應計入附加剪力的影響 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力 故在計算此類形式的支撐截面時 應計人附加壓應力的影響 人字形支撐的受壓斜桿若受壓屈曲 將導致框架橫梁產(chǎn)生較大變形 并使整個體系的抗剪能力發(fā)生退化 因此 在進行多遇地震作用下支撐的設計時 對人字形支撐和V形支撐斜桿的內力應乘以增大系數(shù)1 5 同時 十字交叉支撐和單斜桿式支撐的斜桿內力 也應乘以增大系數(shù)1 3 以提高斜撐的承