鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課件

鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理論第一篇、鋼框架的基本概念第二篇、鋼框架的結(jié)構(gòu)布置第三篇、荷載第四篇、框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算第五篇、鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)第六篇、鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)第七篇、組合樓蓋布置與設(shè)計(jì)1.1、框架結(jié)構(gòu)沿縱橫方向由多榀框架構(gòu)成及承擔(dān)水平荷載的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，梁柱連接常采用剛接。一般在不超過30層時(shí)比較經(jīng)濟(jì)。第一篇鋼框架的基本概念1.2、鋼框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、抗震性能良好：由于鋼材延性好，既能削弱地震反應(yīng)，又使得鋼結(jié)構(gòu)具有抵抗強(qiáng)烈地震的變形能力；2、自重輕：可以顯著減輕結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的豎向荷載和地震作用；3、充分利用建筑空間：由于柱截面較小，可增加建筑使用面積2～4％；4、施工周期短，建造速度快；1.1、鋼框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)存在的問題：1、耐火性能差：鋼結(jié)構(gòu)中的梁、柱、支撐及作承重用的壓型鋼板等要求用噴涂防火涂料。2、吸取震害經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)完善鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：由于地震的隨機(jī)性和實(shí)際工程的復(fù)雜性，很難避免節(jié)點(diǎn)的開裂、支撐的壓曲等震害。1.2、鋼框架結(jié)構(gòu)體系的適用高度

及建筑高寬比

1.2.1、“高鋼規(guī)程”的規(guī)定1、適用高度“高鋼規(guī)定”對(duì)非抗震設(shè)防和設(shè)防烈度為6度至9度的乙類和丙類高層建筑，按照所采用的結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系，規(guī)定了下表適用高度。2、建筑高寬比限值1.2.2、“抗震規(guī)范”（GB50011－2001）的規(guī)定1、適用高度高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)各種類型的最大適用高度應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定。對(duì)平面和豎向不規(guī)則或建造于Ⅳ類場(chǎng)地的鋼結(jié)構(gòu)，其高度應(yīng)適當(dāng)降低。第二篇鋼框架的結(jié)構(gòu)布置2.1、按照承重方案的不同劃分為三種:

橫向承重縱向承重縱橫向雙向承重2.2、柱網(wǎng)布置方形柱網(wǎng)和矩形柱網(wǎng)是多高層框架結(jié)構(gòu)常用的基本柱網(wǎng)，其柱距宜采用6～9m。當(dāng)柱網(wǎng)確定后，梁格即可自然地按柱網(wǎng)分格來布置?？蚣艿闹髁簯?yīng)按框架方向布置于框架柱間并與柱剛接。一般需在主梁間按樓板受載要求設(shè)置次梁，其間距可為3～4m。第三篇荷載3.1、荷載分類：豎向荷載按《建筑構(gòu)件荷載規(guī)范》(GB50009-2001)有關(guān)條文取值。風(fēng)荷載地震作用3.1.1、風(fēng)荷載風(fēng)荷載體形系數(shù)——基本風(fēng)壓，由空曠平坦地面，離地10m統(tǒng)計(jì)的重現(xiàn)期為50年(或100年）的10分鐘平均最大風(fēng)速計(jì)算所得。風(fēng)壓高度變化系數(shù)——Z高度處的風(fēng)振系數(shù)3.1.2、地震作用結(jié)構(gòu)所承受的“地震力”實(shí)際上是由于地震地面運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)作用，屬于間接作用，稱為“地震作用”。“三水準(zhǔn)”設(shè)計(jì)原則：小震不壞，中震可修，大震不倒?！皟呻A段”設(shè)計(jì)方法：第一階段設(shè)計(jì)——多遇地震作用下的彈性分析，主要驗(yàn)算構(gòu)件的承載力、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)的層間位移第二階段設(shè)計(jì)——罕遇地震作用下的彈塑性變形驗(yàn)算，主要驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)構(gòu)、層間位移和層間位移延性比。3.2、荷載效應(yīng)組合承載力極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)組合分為1、無地震作用時(shí)的荷載效應(yīng)組合2、有地震作用時(shí)的荷載效應(yīng)組合注：9度設(shè)防烈度時(shí)，以及建筑高度H>60m時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)荷載和地震作用的組合。結(jié)構(gòu)側(cè)移驗(yàn)算時(shí)的荷載效應(yīng)組合有1、風(fēng)荷載作用時(shí)：S=SWk2、水平地震作用時(shí)：S=SWhk第四篇框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算梁柱內(nèi)力自上而下逐層增加框架結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，除框架柱的軸向壓力自上而下逐層增加外，而框架梁和框架柱的剪力及彎矩自上而下基本上無顯著變化。在水平荷載作用下，框架柱和框架梁的內(nèi)力M、V、N的分布，不僅對(duì)柱是自上而下逐層增加，對(duì)框架梁也是如此，上小下大，而且第二層邊跨的框架梁梁端內(nèi)力常為最大。上述框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律，可作為構(gòu)件截面估算參考，也可作為下部建筑有效層高有否影響的估計(jì)。在水平荷載作用下，框架節(jié)點(diǎn)因腹板較薄，節(jié)點(diǎn)域?qū)a(chǎn)生較大的剪切變形（圖1-17），從而使框架側(cè)移增大10%至20%（“高鋼規(guī)程”規(guī)定，應(yīng)計(jì)入其影響）；對(duì)內(nèi)力的影響在10%以內(nèi)（可不計(jì)其影響）。

4.2.2、鋼框架結(jié)構(gòu)側(cè)移要求框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的變形由總體剪切變形和總體彎曲變形兩部分組成?！犊拐鹨?guī)范》：多高層鋼框架的彈性層間位移角限值：（第一階段抗震設(shè)計(jì)）1/300《高鋼規(guī)》：在風(fēng)荷載作用下，頂層質(zhì)心位置的側(cè)移不宜超過建筑高度的1/500，質(zhì)心層間側(cè)移不宜超過樓層高度的1/400?？蚣軛U件用其軸線表示；桿件之間用節(jié)點(diǎn)表示；桿件長(zhǎng)度用節(jié)點(diǎn)之間的距離表示；計(jì)算跨度取框架之間軸線距離；柱的計(jì)算高度可以取層高，底層柱一般取到基礎(chǔ)頂面的距離；跨度相差不超過10%時(shí)，按等跨計(jì)算內(nèi)力;屋面斜梁坡度不超過1/8時(shí),按水平梁計(jì)算。1、分層法計(jì)算假定：框架的側(cè)移和側(cè)移力矩忽略不計(jì)；每層梁荷載對(duì)其它層梁和柱的影響忽略不計(jì)。計(jì)算要點(diǎn)：除底層柱外，其它柱的側(cè)移剛度乘以0.9，傳遞系數(shù)為1/3;適用條件：分層法適用于節(jié)點(diǎn)梁柱線剛度比2、彎矩二次分配法是一種計(jì)算豎向荷載作用下框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的一種近似方法；假定節(jié)點(diǎn)的不平衡彎矩值對(duì)于該節(jié)點(diǎn)相交的各桿件的遠(yuǎn)端有影響,對(duì)其余各桿件的影響忽略不計(jì)；先對(duì)各節(jié)點(diǎn)的不平衡彎矩進(jìn)行第一次分配,并向遠(yuǎn)端傳遞(傳遞系數(shù)為1/2)；在將傳遞彎矩產(chǎn)生的新的不平衡彎矩進(jìn)行第二次分配，整個(gè)彎矩分配和傳遞結(jié)束。4.3.2、水平荷載作用下的近似計(jì)算鋼框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算有兩種近似計(jì)算方法:

·反彎點(diǎn)法

·修正反彎點(diǎn)法(D值法)1、反彎點(diǎn)法使用條件：結(jié)構(gòu)比較均勻,層數(shù)不多,梁的線剛度ib比柱的線剛度ic大較多時(shí)?；炯俣ǎ?1)在剪力分配時(shí),認(rèn)為梁的線剛度與柱的線剛度之比為無限大,兩端無轉(zhuǎn)角;(2)確定各柱的反彎點(diǎn)位置時(shí),認(rèn)為除底層外其余各層柱上下兩端的轉(zhuǎn)角相同;(3)不考慮柱的軸向變形,同一層各節(jié)點(diǎn)的水平位移相等。同層柱的剪力分配柱的側(cè)移剛度:第i層的總剪力:

柱中反彎點(diǎn)的位置：對(duì)于底層柱，反彎點(diǎn)的位置位于柱距柱底2/3h處。除底層柱外，其它柱反彎點(diǎn)的位置位于柱的中點(diǎn)；框架梁柱內(nèi)力計(jì)算柱的內(nèi)力根據(jù)柱間剪力和反彎點(diǎn)的位置確定，梁端彎矩由平衡條件求出。(1)柱端彎矩:(2)梁端彎矩:(3)梁端剪力：(4)柱的軸力：2、改進(jìn)反彎點(diǎn)法（D值法）兩個(gè)方面的改進(jìn)

1、修正了框架柱的抗剪剛度在水平荷載作用下，框架不僅有側(cè)移，且各節(jié)點(diǎn)都有轉(zhuǎn)角。

2、調(diào)整了框架柱的反彎點(diǎn)高度不再是定值，而是與柱的上下端的剛度有關(guān)，反彎點(diǎn)偏向剛度小的一端。有了D值和反彎點(diǎn)的位置后，其他內(nèi)容的計(jì)算和“反彎點(diǎn)法”完全相同。4.4、結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定P－△效應(yīng)由于鋼框架的側(cè)向剛度較柔，在風(fēng)荷載或水平地震作用下將產(chǎn)生較大的水平位移，這使已作用于產(chǎn)生水平位移的結(jié)構(gòu)上的豎向荷載，對(duì)該結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件產(chǎn)生附加內(nèi)力，而且增大已有的結(jié)構(gòu)位移水平，因而降低結(jié)構(gòu)的承載力和結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。按反映二階效應(yīng)的方法驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。第五篇鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)5.1、構(gòu)件選型：5.2、鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)：構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算構(gòu)件穩(wěn)定承載力驗(yàn)算1、框架柱的選取多層鋼框架多為雙向設(shè)置，故柱截面的強(qiáng)弱軸方向宜按整個(gè)框架體系的剛度要求來確定。框架柱截面可采用H形、箱形、十字形、圓形等，見圖。對(duì)于多層鋼框架，柱輪廓外邊尺寸不超過800mm。常見的柱截面圖大紅2742、梁的選取框架梁或僅承受重力荷載的梁，其受力狀態(tài)為單向受彎。通常采用雙軸對(duì)稱的軋制或焊接H型鋼截面，對(duì)跨度較大或受荷較大，而高度又受到限制的部位，可采用抗彎和抗扭性能較好的箱形截面（雙腹板梁）。5.2、構(gòu)件的計(jì)算梁的承載力計(jì)算梁的整體穩(wěn)定框架柱的承載力計(jì)算框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度5.2.1、梁的承載力計(jì)算梁的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算：抗剪承載力計(jì)算：框架梁端部腹板受切割削弱時(shí)，按下公式計(jì)算梁端部的抗剪強(qiáng)度：5.2.2、梁的整體穩(wěn)定梁的整體穩(wěn)定性通常通過剛性鋪板加以保證，使其不控制設(shè)計(jì)。鋪板起阻止梁的失穩(wěn)作用應(yīng)滿足的兩個(gè)條件：一是鋪板在自身平面內(nèi)有相當(dāng)大的剛度；二是鋪板與梁有可靠的連接。當(dāng)鋪板不滿足是剛性條件時(shí)，按右式計(jì)算梁的穩(wěn)定：5.2.3、框架柱的承載力計(jì)算框架柱是指與梁剛接的柱，在軸向壓力和彎矩的共同作用下，兼有梁和柱的特點(diǎn)，以截面出現(xiàn)塑性鉸作為壓彎構(gòu)件的極限承載力。承載力計(jì)算：強(qiáng)軸平面內(nèi)穩(wěn)定：弱軸平面內(nèi)穩(wěn)定：截面抗震驗(yàn)算內(nèi)力基本組合設(shè)計(jì)值抗震承載力設(shè)計(jì)值承載力調(diào)整系數(shù)5.2.4、框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度設(shè)計(jì)框架柱時(shí)，多采用計(jì)算長(zhǎng)度法，把框架的穩(wěn)定簡(jiǎn)化為柱的穩(wěn)定來對(duì)待。對(duì)于純框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)沒有支撐、剪力墻、電梯井筒等支撐結(jié)構(gòu)，稱為有側(cè)移框架。有側(cè)移的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的電算近似公式：K1、K2分別為柱上端、下端的梁線剛度和與柱線剛度和的比值。5.3.1、柱的長(zhǎng)細(xì)比限值《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)對(duì)不超過12層的鋼框架柱的長(zhǎng)細(xì)比作了如下規(guī)定：

6～8度時(shí)9度時(shí)5.3.2、梁的板件寬厚比限制不超過12層鋼框架的梁板件的寬厚比限值抗震設(shè)防烈度7度8度9度工字形截面和箱形截面翼緣外伸部分11109箱形截面翼緣在兩腹板間的部分363230工字形截面和箱形截面腹板4039355.3.3、柱的板件寬厚比限值不超過12層鋼框架的柱板件的寬厚比限值抗震設(shè)防烈度7度8度9度工字形截面翼緣外伸部分131211箱形截面壁板403636工字形截面腹板524844注：以上兩表數(shù)值適用于Q235，當(dāng)材料為其它鋼材時(shí)，應(yīng)乘以第六篇鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)連接時(shí)保證鋼結(jié)構(gòu)安全的重要部位。多高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的受力狀況比較復(fù)雜，構(gòu)造要求相當(dāng)嚴(yán)格，故節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。鋼框架節(jié)點(diǎn)主要有：梁與柱的連接柱與柱的連接梁與梁的連接柱腳的設(shè)計(jì)6.1、概述6.1.1、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基本原則1、節(jié)點(diǎn)受力應(yīng)該力求簡(jiǎn)捷、明確；2、保證節(jié)點(diǎn)足夠的強(qiáng)度，后于構(gòu)件破壞；3、節(jié)點(diǎn)連接應(yīng)具有良好的延性，故設(shè)計(jì)中應(yīng)采用合理的細(xì)部構(gòu)造，不宜采用約束度大的和易產(chǎn)生層狀撕裂的連接形式；4、構(gòu)件拼接一般按等強(qiáng)度原則；5、盡量簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，以便于加工、安裝。6.1.2、連接形式1、焊接：A、焊接材料應(yīng)選取與母材機(jī)械性能匹配；B、焊縫布置盡量與構(gòu)件軸線對(duì)稱，力求受力均勻；C、焊縫、焊接接頭及坡口形式和尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)；D、厚度過大的構(gòu)件，施焊前應(yīng)預(yù)熱；E、根據(jù)焊縫部位的重要性，確定焊縫的質(zhì)量等級(jí)。包括：全熔透焊縫；部分熔透焊縫；2、高強(qiáng)度螺栓連接3、栓焊混合連接6.2、梁與柱的連接梁柱節(jié)點(diǎn)可分為：剛性連接、半剛性連接、鉸接連接。對(duì)于純框架，宜采用剛性連接。剛性連接：具有足夠的剛度，能使所連接的構(gòu)件間的夾角在達(dá)到承載能力之前，實(shí)際不變的接頭。梁柱的剛性連接梁柱剛性連接構(gòu)造形式有：1、全焊節(jié)點(diǎn)：梁的上下翼緣用坡口焊全熔透焊縫，腹板用角焊縫與柱翼緣相連接。2、栓焊混合節(jié)點(diǎn)：僅在梁的上下翼緣用全熔透焊縫，腹板用高強(qiáng)螺栓與柱翼緣上的剪力板相連。3全栓接節(jié)點(diǎn)：梁翼緣與腹板借助T形連接件用高強(qiáng)螺栓與柱翼緣相連。在抗震設(shè)計(jì)的連接節(jié)點(diǎn)中，要求計(jì)算連接的極限承載力，焊接和高強(qiáng)度螺栓連接的極限承載力應(yīng)滿足下式要求： （1）Mu≥1.2Mp （2）Vu≥1.3(2Mp/Ln)且Vu≥0.58HwTwFy節(jié)點(diǎn)域的屈服承載力節(jié)點(diǎn)域的穩(wěn)定性各公式系數(shù)含義見《抗震規(guī)范》強(qiáng)柱弱梁6.2.1、全焊節(jié)點(diǎn)6.2.2、全栓接節(jié)點(diǎn)6.2.3、栓焊混合節(jié)點(diǎn)6.2.4、十字形節(jié)點(diǎn)6.2.6、梁柱節(jié)點(diǎn)板域補(bǔ)強(qiáng)

6.3、柱與柱的連接6.3.1、框架柱最常見的工地拼接形式6.3.2、變截面柱的連接6.3.4、關(guān)于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件的要求改進(jìn)栓焊法中的焊接工藝。高鋼規(guī)程對(duì)梁柱剛接做法的規(guī)定削弱節(jié)點(diǎn)部位梁段的抗彎承載力RBS或“狗骨式”節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)部位的抗彎承載力外移梁的工地連接節(jié)點(diǎn)位置及塑性鉸位置6.4.1、梁與梁的拼接6.4.2、主次梁的連接6.4.3、主梁的側(cè)向隅撐6.4.4、梁不等高時(shí)的加勁肋與柱正交梁高不等時(shí)的加勁肋6.4.5、梁腹板開孔加強(qiáng)6.5、鋼柱腳的設(shè)計(jì)柱腳的作用是將柱下端的軸力、彎矩和剪力傳給基礎(chǔ)?？拐鹪O(shè)計(jì)的柱腳，柱的下部在強(qiáng)震時(shí)為塑性區(qū)段，在形成塑性鉸之前，不允許柱腳先屈服。柱腳分為：埋入式外包式外露式6.5.1、埋入式柱腳6.5.2、外包式柱腳6.5.3外露式柱腳第七篇樓蓋布置與設(shè)計(jì)7.1、概述：多高層結(jié)構(gòu)中，樓蓋結(jié)構(gòu)的方案選擇，要遵循滿足建筑設(shè)計(jì)要求、較小自重以及便于施工等一般性原則，還要有足夠的剛度。樓蓋結(jié)構(gòu)包括樓板和梁系，梁系通常由主梁和次梁組成。多高層鋼結(jié)構(gòu)中的樓板：壓型鋼板組合樓板——壓型鋼板作為混凝土的下部鋼筋與混凝土一起共同工作形成；非組合樓板——壓型鋼板僅用作永久性模板，不參與共同工作。7.2、組合樓板的優(yōu)點(diǎn)施工速度快，不再采用支模施工，常不再支設(shè)臨時(shí)豎向支柱，由壓型鋼板承擔(dān)施工荷載。便于鋪設(shè)板內(nèi)管線，并可在壓型鋼板凹槽內(nèi)埋置顛簸裝修用的吊頂掛鉤。用圓柱頭焊釘穿透壓型鋼板焊接在鋼梁上翼緣后，使施工時(shí)對(duì)鋼梁起側(cè)向支承作用。在使用階段壓型鋼板作為混凝土樓板的受拉鋼筋，也提高了樓板的剛度。采用圓形焊釘，傳遞壓型鋼板與混凝土疊合面之間的剪力。組合樓蓋圖大籃p4047.3