鋼結構特點及設計控制

1、鋼結構特點及設計控制第1頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四1。鋼結構的特點2。分析模型3。鋼結構的設計控制4?；旌辖Y構的設計控制5?？偨Y第2頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四1.1。一般鋼結構的特點結構方案的隨意性：結構沒有明顯的樓層概念，它只根據(jù)需要而設置鋼梁、支撐、樓板等。建模時，采用大量的特殊手段：如層間梁、修改節(jié)點高度、錯層梁、坡梁、斜柱、樓板開大洞，等等。建筑設計只滿足功能的需要：不考慮結構的要求，如層、層剛度、薄弱層、位移比、側移剛度，等等的概念。所以結構布置大多為空曠的、不規(guī)則的、剛度不均勻的空間結構。給分析帶來一定的難度。結構薄弱

2、點：由于結構存在較多的不規(guī)則、不連續(xù)性，多層鋼結構大多都會產(chǎn)生多處局部振動，造成多處薄弱部位。給結構設計帶來難度。第3頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四水平支撐加變截面柱第4頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四變截面梁柱第5頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四多層鋼結構工業(yè)廠房第6頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四空間塔圍結構第7頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四普通多層鋼結構第8頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四普通多層鋼結構第9頁，共69頁，2022年

3、，5月20日，13點50分，星期四特殊工業(yè)鋼結構第10頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四1.2。高層鋼結構的建模特點高層鋼結構往往帶有，型鋼構件、鋼管構件、鋼板剪力墻等等特殊的結構形式，設計時，應分別滿足相應的設計規(guī)范、規(guī)程。對一些特殊工程，還應作模型試驗。高層鋼結構的建模，與高層混凝土結構的要求基本上符合，盡量避免錯層、樓板不連續(xù)、平立面不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。高層鋼結構往往采用大量的支撐，超高層鋼結構大量采用支撐轉(zhuǎn)換層、剛性層。建模時應盡量避免越層支撐。在高層混凝土結構的頂部加有鋼塔時，建模要根據(jù)這類結構合理分析的需要。如：整體建模分析、分開建模分析等等。更要考慮等效質(zhì)

4、量、荷載的合理作用。應特別注意混合結構的建模方法。如剪立墻與鋼梁的連接。第11頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四高層鋼結構支撐為主要抗側力結構第12頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第13頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四2.1。鋼結構的局部振動結構分析應滿足相應的設計規(guī)范、規(guī)程。結構分析一般可以選擇：彈性樓板、P-效應、總剛模型計算結構的振型、振型數(shù)應取得足夠多滿足有效質(zhì)量系數(shù)，等等。結構的振型分析，可以觀察到結構的薄弱部位，應盡量減少結構的面外振動、局部振動。采用面外加強的方式，減少局部振動和薄弱部位。當梁的高差較?。?/p>

5、在梁高范圍內(nèi)）時，應簡化成同一標高，這樣可避免短柱的應力突變，造成設計超限。當結構為抗震控制，應盡量減少結構的剛度突變，減少薄弱層。第14頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四板厚為0，產(chǎn)生大量的空曠結構第15頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第16頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四振型數(shù)要多取第17頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第18頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第19頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第20頁，共69頁，2022年，5月20日，

6、13點50分，星期四第21頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第22頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第23頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第24頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第25頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第26頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四振型需要取到60個才能滿足要求第27頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四振型需要取到60個才能滿足要求第28頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四局部振動

7、的處理當局部振型靠前，說明在此處形成薄弱部位的可能性越大。當?shù)?振型就是局部振動時，可以肯定該部位是薄弱部位，在地震作用下，將首當其沖遭到破壞。局部振動產(chǎn)生的薄弱部位，往往是局部的剛度失卻。如：樓板開洞太多；只有平面內(nèi)支撐，沒有平面外支撐；或兩個方向的剛度差異太大造成。等等。改善結構的剛度，使之均衡，以避免局部振動。如：增加平面外的剛度等。建模的不當或計算模型的不合理，也會造成局部振動。通過增大振型數(shù)、保證有效質(zhì)量系數(shù)等，產(chǎn)生局部振動的結構雖然是可以分析的，但是在設計時，還是應該盡量避免。第29頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四2.2。鋼結構的非線性分析在鋼結構分析時，

8、應考慮P-效應，即簡化的幾何非線性。當結構受力特殊時，還應考慮材料非線性，即彈塑性分析。鋼結構由于其材料的一致性、各向同性性、均勻性等，其材料非線性性能是比較容易模擬的，分析結果的真實性較高。所以，一些特殊鋼結構工程（如：體育場館、重要的構筑物等）都應考慮彈塑性分析。非線性分析也可以找到結構的薄弱部位?？梢源_定結構在大震下的承載能力。是目前普遍采用的方法。第30頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四P-效應的計算選擇第31頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四軟件采用的計算方法軟件采用等效幾何剛度的有限元法 來考慮P-效應。P-效應是一種簡化的幾何非線性

9、計算方法。一般結構還是屬于小變形，所以P-效應是可以滿足設計需要的。當需要考慮材料非線性時，應采用彈塑性分析，即彈塑性靜力分析（PUSH）或彈塑性動力分析（EPDA）。以得到結構大震下的承載能力。第32頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第33頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四不考慮P-效應第34頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四不考慮P-效應第35頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四考慮P-效應第36頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四考慮P-效應第37頁，共69頁，2022年，

10、5月20日，13點50分，星期四2.3。鋼結構分析模型的簡化屋架的模型簡化。剛性桿或采用剛性樓板假定柱頂鉸接屋蓋計算模型簡化第38頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四平板網(wǎng)架的模型簡化。定義超大房間按剛性樓板假定分析網(wǎng)架荷載按集中力作用到四周第39頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四網(wǎng)殼的模型簡化。網(wǎng)殼荷載按集中力作用到四周超大房間按板厚為0考慮注意網(wǎng)殼傳給四周的水平推力第40頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四柱腳連接剛度的簡化。一般上面兩種柱腳連接，都按剛接處理。但是，實際情況卻有出入。因為高強螺栓不能完全約束柱腳的位移，計

11、算時按剛接處理，柱底約束偏剛，結構位移計算偏小，柱底內(nèi)力偏大、柱頂內(nèi)力偏小。箱形剛接柱腳連接H形剛接柱腳連接第41頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四梁腹板高強螺栓連接剛度的簡化。梁柱剛接的連接方式：翼緣焊接、腹板用高強螺栓連接。在計算時按剛接處理是合理的。柱梁鉸接的連接方式：腹板用高強螺栓連接。這種連接實際上腹板還是有承載能力的（約是剛接的40%），按鉸接處理梁的跨中彎矩將偏大，梁支座處截面（腹板）沒有進行強度驗算，存在隱患。梁柱剛接梁柱鉸接第42頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第43頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四主

12、次梁的連接同梁柱的鉸接類似，也有剛度模擬問題。嚴格地說，鋼結構的鉸接是一種半剛接，如何合理的模擬這種半剛接，是需要研究的課題。第44頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四3。鋼結構的設計控制在分析高層鋼結構時， P-效應一般總是要考慮的，其它的設計選擇應根據(jù)相應的規(guī)范、規(guī)程而定。梁柱節(jié)點域的變形問題：目前程序沒有考慮梁柱節(jié)點域的剪切變形，這也是一個復雜問題。如考慮節(jié)點域變形，而梁柱采用節(jié)點以外的長度，與不考慮節(jié)點變形，而梁柱采用形心長度。這兩種分析模型，對結構影響變化有多大，目前研究較少。節(jié)點剪切變形與節(jié)點域的加固程度有關，所以也不容易合理地估計。總之，只要對節(jié)點域加固，一

13、般可以不考慮節(jié)點域的剪切變形。偏心支撐：在高層鋼結構中設置偏心支撐，可以提高結構的整體延性，避免支撐附近構件內(nèi)力突變，通過耗能梁吸收地震作用，從而達到抗震的目的。第45頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四強柱弱梁的要求：根據(jù)抗震規(guī)范對鋼柱作“強柱弱梁”的驗算。但是可以有三個放松條件。所以用戶可以對驗算結果酌情參考、調(diào)整。長細比驗算：當結構設計是抗震設計控制，則長度系數(shù)可以取1.0。層間位移：抗震規(guī)范規(guī)定，當?shù)卣鹆ψ饔孟碌奈灰茟∮?/300，當為高層鋼結構時，可以放松到1/250。同時還應考慮舒適度的要求，控制頂點的加速度值。有側移無側移：1。當樓層最大桿間位移小于1/1

14、000時，可以按無側移設計；2。當樓層最大桿間位移大于1/1000但小于1/300時，柱長度系數(shù)可以按1.0設計；3。當樓層最大桿間位移大于1/300時，應按有側移設計。第46頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四結構有側移無側移的判定有側移、無側移實際上與荷載作用有關。荷載組合基本按以下四類：（1）恒+活；（2）恒+活+風；（3）恒+活+地震；（4）恒+活+風+地震。其中，2、3、4類組合有可能是有側移的，而第1類組合一般認為是無側移。從抗震規(guī)范第條（包含第條）中的要求，并參考相應的（第條）條文說明，在某種荷載組合作用下，可以通過結構的整體穩(wěn)定系數(shù)來判定，公式如下：結構整

15、體穩(wěn)定系數(shù)第47頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四P第i層以上的全部重力荷載設計值V由水平荷載在第i層產(chǎn)生的樓層剪力設計值由樓層剪力引起的第i層質(zhì)心處的一階彈性層間位移H第i層的樓層高度上述公式適用于剛性樓板假定情況。也可以推廣到一般情況。在不同的荷載組合作用下，水平荷載在第i層產(chǎn)生的樓層剪力是不同的，計算的樓層穩(wěn)定系數(shù)也各有差異。 當樓層穩(wěn)定系數(shù)不超過0.05時，則可以把該樓層看作是無側移的。 根據(jù)這種方法，軟件將進一步的改進?？梢詫γ恳唤M荷載組合時，判斷有無側移的情況，取用不同的長度系數(shù)。第48頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四考慮P-效應第

16、49頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四高層鋼結構參數(shù)選擇支撐體系結構可以選擇“框剪結構”第50頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四0.25Qo的調(diào)整第51頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第52頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四中心支撐和偏心支撐中心支撐可以提供較大的剛度，但是會造成柱內(nèi)力的突變，尤其高層鋼結構支撐軸力很大，柱將承擔很大的剪力。所以中心支撐多用于多層鋼結構。偏心支撐及其產(chǎn)生的耗能梁結構體系，可以提供較大的延性，在大震下耗能梁首先進入塑性，以吸收地震能量，從而減少震害。其多用于高層鋼結構

17、。第53頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四耗能梁的設置和設計耗能梁應設置在柱端部受力集中部位，另一端與偏心支撐相連。耗能梁可以理解為偏心支撐結構的“保險絲”，在大震作用下通過耗能梁的非彈性變形來消耗地震能量，而使偏心支撐不屈曲（保證其承載能力），以保證結構在大震下的穩(wěn)定性。為使偏心支撐能夠承擔耗能梁段的端部彎矩，支撐與梁應設計成剛接。耗能梁與偏心支撐結合的結構體系具有：（ 1）彈性階段的剛度接近中心支撐體系；（2）彈塑性階段的延性和消能能力接近于延性框架體系。偏心支撐結構體系的設計原則：強柱、強支撐、弱耗能梁。第54頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星

18、期四偏心支撐結構體系的種類梁、支撐連接處按剛接設計第55頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四4。混合結構的設計控制混合結構主要是指：（1）型鋼混凝土、鋼組合結構；（2）圓鋼管混凝土結構；（3）矩形鋼管混凝土結構；（4）鋼與混凝土組合梁結構。型鋼混凝土、鋼組合結構：型鋼混凝土結構中，常常伴有鋼結構，以保證構件連接的順暢。這種體系具有型鋼混凝土結構的剛度和鋼結構的延性。結構一般按區(qū)域布置，下部為型鋼混凝土結構，上部為鋼結構。上下部應按各自的結構性能要求來控制。當上部鋼結構占據(jù)較多層，結構整體分析宜按鋼結構，地震分析時，結構阻尼比宜按0.03（可以比純鋼結構略大些）。第56頁，

19、共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四圓鋼管混凝土結構：圓鋼管能有效約束其中的混凝土，使混凝土受到三向約束，混凝土的抗壓強度和變形能力顯著提高（矩形鋼管則不具備這個效能）。圓鋼管混凝土一般用在大軸壓力（或伴有大彎矩）的柱（大跨度柱）中，可以起到很好的效果。矩形鋼管混凝土結構：矩形鋼管對管內(nèi)混凝土的約束作用遠不如圓形鋼管，但是它與空的箱形鋼管比，承載力大大提高，而且容易與其它構件連接。鋼管混凝土結構可以按“鋼結構”來設計控制。材料的阻尼比可以比純鋼結構略大。第57頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四鋼與混凝土組合梁結構：組合梁結構在分析時，需要分施工階段和使

20、用階段。施工階段時，樓面只有鋼梁，并要承擔混凝土板的荷載；使用階段時，可以考慮混凝土板與鋼梁的共同工作?；旌辖Y構構件設計時，需遵循以下設計規(guī)程：型鋼混凝土結構設計，需遵循型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程JGJ 138-2001圓鋼管混凝土結構設計，需遵循鋼管混凝土結構設計與施工規(guī)程CECS 28:90矩形鋼管混凝土結構設計，需遵循矩形鋼管混凝土結構技術規(guī)程CECS 159:2004鋼與混凝土組合梁設計，需遵循鋼結構設計規(guī)范GB 50017-2003第58頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第59頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第60頁，共69頁，202

21、2年，5月20日，13點50分，星期四第61頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第62頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第63頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四第64頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四5?？偨Y設計技術要點（1）在軟件編制中按照建筑結構荷載規(guī)范、建筑抗震設計規(guī)范、鋼結構設計規(guī)范及高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程對鋼構件進行截面相應的截面強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定等的驗算。（2）按高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程計算地震力和地震參數(shù)，可對鋼柱進行0.25Qo的基底剪力調(diào)整。（3）在抗震規(guī)范的第八章中，對

22、鋼柱、鋼梁和鋼支撐以強制條文的方式，規(guī)定了桿件的寬厚比、高厚比和長細比，所以當遇到不滿足強制性條文的規(guī)定時，軟件將嚴格報錯，以提示用戶注意。第65頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四鋼結構的整體分析（1）鋼結構的整體分析與混凝土結構一樣，不但要滿足抗震規(guī)范的相應條文，如：最小基底剪力、薄弱層、層剛度比、位移比、周期比、最大位移角等等控制，還應該根據(jù)鋼結構變形較大的特點，考慮偶然偏心、雙向地震、二階變形效應，如：P-效應。對重要的結構還應考慮彈塑性變形分析，如：彈塑性動力時程分析、彈塑性靜力推覆分析。（2）當鋼結構是由空間桿件組成，帶有大量的空洞、交錯結構、空間斜交結構，空間弧形構件、支架、塔架、桁架、屋架等等，在分析時會產(chǎn)生大量的獨立的“彈性節(jié)點”，這就要求在建模、分析時注意：復雜構件連接應盡量選擇空間整體建模，如SPASCAD；整體分析時振型數(shù)應取得足夠的多，應以“有效質(zhì)量系數(shù)”大于90%為滿足依據(jù)。第66頁，共69頁，2022年，5月20日，13點50分，星期四（3）鋼的彈性模量比混凝土大的多，對鋼結構可以按“一次性加載”計算恒載。鋼結構允許變形大，分析應考慮P-效應?？紤]P-效應