高層鋼結(jié)構(gòu)pp課件

多高層鋼結(jié)構(gòu)的分類及其穩(wěn)定性設(shè)計(jì)一、引言二、有側(cè)移框架和無(wú)側(cè)移框架的概念三、側(cè)向柔性結(jié)構(gòu)和側(cè)向剛性結(jié)構(gòu)四、強(qiáng)支撐框架和弱支撐框架、純框架五、強(qiáng)支撐框架的判定準(zhǔn)則六、鋼結(jié)構(gòu)分類的進(jìn)一步說(shuō)明一、引言在建筑物的設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員首先必須給建筑物進(jìn)行定類，比如：確定建筑物的安全等級(jí)（一、二、三級(jí)）;確定建筑物的類別（甲、乙、丙、丁類）；對(duì)建筑場(chǎng)地進(jìn)行劃分(I、II、III、IV類場(chǎng)地)；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要?jiǎng)澐挚拐鸬燃?jí)(一、二、三、四級(jí))；計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)要對(duì)地貌分類（A、B、C類）；各規(guī)范還根據(jù)建筑物的類型、層數(shù)、荷載類型等,有針對(duì)性地提出對(duì)設(shè)計(jì)很有價(jià)值、有時(shí)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的分類規(guī)定：比如規(guī)定了抗震設(shè)計(jì)時(shí)何時(shí)采用反應(yīng)譜基底剪力法、反應(yīng)譜振型分解法和時(shí)程分析法等等。

各種分類的目的是為了建立概念框架，并從而進(jìn)行合理而方便的設(shè)計(jì)。本文介紹與鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算有關(guān)的分類，并澄清一些概念。返回二、有側(cè)移框架和無(wú)側(cè)移框架的概念什么是有側(cè)移框架？所有的框架及框架－支撐（剪力墻〕結(jié)構(gòu)中的框架在水平風(fēng)力或地震力的作用下，都會(huì)產(chǎn)生側(cè)移，因此這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該不成為問(wèn)題。是什么導(dǎo)致本文提出這個(gè)問(wèn)題？

<<鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范>>GBJ17-88[1]第5.2.2條最末尾有這樣一個(gè)注：無(wú)側(cè)移框架系指框架中設(shè)有支撐架、剪力墻、電梯井等支撐結(jié)構(gòu)，且其抗側(cè)移剛度等于和大于框架本身抗側(cè)移剛度的5倍者；有側(cè)移結(jié)構(gòu)系指框架中未設(shè)上述支撐者，或支撐結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度小于框架本身抗側(cè)移剛度的5倍者。

(1)無(wú)側(cè)移框架是一個(gè)相對(duì)的概念，是在與支撐架、剪力墻的抗側(cè)剛度比較中獲得的，由此只有在雙重抗側(cè)力體系中的框架才會(huì)有無(wú)側(cè)移和有側(cè)移框架的區(qū)分；

(2)無(wú)側(cè)移框架可以按照不承受水平力進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1表示了兩個(gè)結(jié)構(gòu)，圖1a主框架如果剛度比小框架大得多，則小框架可以按照無(wú)側(cè)移框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有的水平力由大框架承受，包括作用在小框架上的水平力。圖1b框架在支撐架剛度很大時(shí)可以按照無(wú)側(cè)移進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有水平力由支撐架承受。

純框架如果無(wú)主框架和副框架之分，則純框架是有側(cè)移框架。圖1a圖1b

上述分類的方法不涉及到框架的穩(wěn)定性計(jì)算，而只是對(duì)框架進(jìn)行一個(gè)分類，了解建筑物各子結(jié)構(gòu)在承受水平力上的相對(duì)比例，在框架分擔(dān)的水平力小到一定程度時(shí)可以進(jìn)行簡(jiǎn)化的力學(xué)分析。

在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)代，有側(cè)移和無(wú)側(cè)移框架的區(qū)分沒(méi)有帶來(lái)計(jì)算上的好處，但對(duì)于初步設(shè)計(jì)，以及對(duì)所設(shè)計(jì)的框架進(jìn)行定性定類的了解，還是很有意義的。返回三、側(cè)向柔性結(jié)構(gòu)和側(cè)向剛性結(jié)構(gòu)

側(cè)向柔性結(jié)構(gòu)和側(cè)向剛性結(jié)構(gòu)這兩個(gè)概念在我國(guó)還沒(méi)有引進(jìn)，而在新的正在修訂中的<<鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范>>和已經(jīng)頒布的<<高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程>>（JGJ99－98）中已經(jīng)采用與這兩個(gè)概念有關(guān)的一些規(guī)定。側(cè)向剛性結(jié)構(gòu)和側(cè)向柔性結(jié)構(gòu)的定義如下[2]：

一個(gè)結(jié)構(gòu)如果滿足下式：則這個(gè)結(jié)構(gòu)為側(cè)向剛性結(jié)構(gòu)，式中分別為某一層的豎向荷載總和、層剪力、在層剪力作用下的層間側(cè)移和層高。不滿足上述條件的結(jié)構(gòu)為側(cè)向柔性結(jié)構(gòu)。因此（1）式左邊式子是結(jié)構(gòu)某層負(fù)剛度和正剛度的比值，如果該比值接近于1.0，則表明這一層的正剛度和負(fù)剛度已經(jīng)接近相互抵銷，該層的剩余的抗側(cè)剛度快要達(dá)到零了，該層不再具有承受水平荷載的能力，因此側(cè)向很柔，應(yīng)該劃入側(cè)向柔性結(jié)構(gòu)一類。因此根據(jù)(1)式左邊的參數(shù)來(lái)判斷結(jié)構(gòu)側(cè)向的“剛”和“柔”是最合適不過(guò)的了。

是重力荷載的二階效應(yīng)彎矩，而則是層剪力的一階彎矩的度量，因此（1）式左邊也是二階效應(yīng)相對(duì)于一階效應(yīng)的比值，比值越小，二階效應(yīng)就越可以忽略。

(1)式左邊的比值還近似地等于結(jié)構(gòu)豎向荷載和臨界荷載的比值，見文獻(xiàn)[10,11]。(1)式：

根據(jù)上述定義，一根不承受豎向力的細(xì)長(zhǎng)的懸臂柱屬于側(cè)向剛性結(jié)構(gòu)。對(duì)細(xì)長(zhǎng)懸臂柱的這個(gè)分類結(jié)果,令對(duì)穩(wěn)定理論了解不深的設(shè)計(jì)人員困惑不解。這里我們只能強(qiáng)調(diào)，這個(gè)柱子沒(méi)有二階效應(yīng)。不要將側(cè)向剛性和側(cè)向柔性的概念與側(cè)向位移驗(yàn)算等效起來(lái)，而是要與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算聯(lián)系起來(lái)。

為什么要引入這兩個(gè)概念？主要是為了便于設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有直觀的了解。一個(gè)側(cè)向剛性結(jié)構(gòu)可以：

（1）結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析可以只進(jìn)行一階分析，因?yàn)樗亩A效應(yīng)很??；

（2）由于二階效應(yīng)小，發(fā)生有側(cè)移失穩(wěn)的傾向很小，可以近似地按層高作為它的計(jì)算長(zhǎng)度，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。雖然對(duì)純框架，取有側(cè)移失穩(wěn)的計(jì)算長(zhǎng)度計(jì)算框架柱的穩(wěn)定性更為合理一些。

一個(gè)側(cè)向柔性結(jié)構(gòu)必須采用合適的方式考慮二階效應(yīng)的影響。有三種方法考慮二階效應(yīng)的影響：

(1)框架柱計(jì)算長(zhǎng)度法;

(2)框架內(nèi)力分析采用二階分析：假想水平力法等近似的方法和精確的二階分析方法。柱子穩(wěn)定性計(jì)算可以偏安全取層高為計(jì)算長(zhǎng)度或甚至采用無(wú)側(cè)移失穩(wěn)時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。

(3)放大系數(shù)法：將內(nèi)力和位移乘以如下的Dischinger系數(shù)[2]：

柱子計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)可以取層高。返回為什么不能保持GBJ17－88這一條的有關(guān)定義，采用這一條的名稱?

因?yàn)檫@一條的名稱與結(jié)構(gòu)力學(xué)分析對(duì)應(yīng)的有側(cè)移和無(wú)側(cè)移相混淆，而這一條的實(shí)質(zhì)是為了對(duì)框架結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模式作出判斷，并不是結(jié)構(gòu)實(shí)際是否發(fā)生側(cè)移。這是其一。

GBJ17－88第5.2.2條的注是否簡(jiǎn)單地改一下名稱，內(nèi)容不變行不行?這就要看這一條規(guī)定來(lái)的合理不合理了。這條的規(guī)定是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的重要的、基本的問(wèn)題。但是無(wú)法在國(guó)內(nèi)的資料上看到、查閱到這一規(guī)定的來(lái)源。我國(guó)GBJ17-88是參照歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)ECCS1977年出版的<<鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定手冊(cè)>>第八章中的一個(gè)注來(lái)規(guī)定的(文[12])。在今天再來(lái)看這個(gè)注，可以注意到，它并沒(méi)有談到穩(wěn)定計(jì)算問(wèn)題，倒是有這樣一句:”…….Sothattheframecanbesafelydesignedundertheeffectoftheverticalloadonly”。很明顯注的意思仍然是滿足五倍的條件時(shí)可以不考慮水平力的影響。注本身并沒(méi)有問(wèn)題，問(wèn)題出在這個(gè)注在這本手冊(cè)中的位置恰恰是講框架穩(wěn)定性計(jì)算的地方。因此可以認(rèn)為當(dāng)時(shí)撰寫這部分的學(xué)者認(rèn)為這個(gè)五倍的標(biāo)準(zhǔn)是用來(lái)決定框架的失穩(wěn)模式的。

對(duì)照前面“一”中按照EC3的現(xiàn)行的有關(guān)有側(cè)移框架和無(wú)側(cè)移框架的劃分：框架的抗側(cè)剛度不到支撐架抗側(cè)剛度的1/5時(shí)，分擔(dān)到的水平力不到20％，按Eurocode3，此框架可看作為無(wú)側(cè)移框架，不考慮水平力的作用進(jìn)行框架的設(shè)計(jì)。而按我國(guó)規(guī)范則此框架可以按無(wú)側(cè)移失穩(wěn)的模式計(jì)算框架柱的穩(wěn)定性。如此一比較可以發(fā)現(xiàn)，規(guī)范GBJ17－88規(guī)定的用途與Eurocode3規(guī)定的用處在目前是不同的。但英國(guó)規(guī)范BS5950:1990[6]有規(guī)定：在框架各層橫梁處施加該層豎向荷載0.5%的水平力，計(jì)算框架的側(cè)移，如果各層的層轉(zhuǎn)角（層間側(cè)移除以層高）不大于下列值時(shí)可以作為無(wú)側(cè)移框架對(duì)待：(1)框架有圍護(hù)而計(jì)算沒(méi)有考慮其影響時(shí)為1/2000,（2）當(dāng)框架無(wú)圍護(hù)或有圍護(hù)而在計(jì)算時(shí)考慮了圍護(hù)的影響時(shí)為1/4000。這個(gè)規(guī)定是根據(jù)側(cè)移確定的，但是是用于確定框架柱計(jì)算長(zhǎng)度的。根據(jù)這一規(guī)定計(jì)算(1)式左邊的值：

（或無(wú)圍護(hù)時(shí)0.05）因此英國(guó)規(guī)范的規(guī)定相當(dāng)于前面“二”中的“側(cè)向柔性結(jié)構(gòu)”和“側(cè)向剛性結(jié)構(gòu)”的定義，并不是框架是否有側(cè)移和無(wú)側(cè)移的定義，但英國(guó)規(guī)范的這條規(guī)定的原意是要對(duì)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模式作出判斷，從而選擇合理的框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。由此可見國(guó)際上對(duì)這個(gè)問(wèn)題在概念上有多么的含糊不清。按照Eurocode3沒(méi)有其他規(guī)定,只有“三”中側(cè)向柔性結(jié)構(gòu)和側(cè)向剛性結(jié)構(gòu)的區(qū)分，根據(jù)這一區(qū)分，如果這個(gè)結(jié)構(gòu)為側(cè)向柔性，則規(guī)定可以采用線性內(nèi)力分析配合計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法來(lái)計(jì)算穩(wěn)定性，沒(méi)有涉及采用有側(cè)移失穩(wěn)的計(jì)算長(zhǎng)度還是無(wú)側(cè)移失穩(wěn)的計(jì)算長(zhǎng)度。

根據(jù)作者對(duì)雙重抗側(cè)力體系穩(wěn)定性的研究[7,8]，對(duì)框架結(jié)構(gòu)引入如下的定義：

強(qiáng)支撐框架：當(dāng)框架－支撐結(jié)構(gòu)體系中，支撐的抗側(cè)剛度足夠大，使得框架以無(wú)側(cè)移的模式失穩(wěn)時(shí)，這個(gè)框架稱為強(qiáng)支撐框架；

弱支撐框架是支撐架的抗側(cè)剛度不足以使框架發(fā)生無(wú)側(cè)移失穩(wěn)的框架。

純框架是未設(shè)置任何支撐的框架結(jié)構(gòu)。

純框架結(jié)構(gòu)按照有側(cè)移失穩(wěn)的框架柱計(jì)算柱子的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)；

強(qiáng)支撐框架按照無(wú)側(cè)移失穩(wěn)的框架柱計(jì)算柱子的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)；五、強(qiáng)支撐框架的判定準(zhǔn)則

純框架結(jié)構(gòu)當(dāng)然發(fā)生有側(cè)移的失穩(wěn)模式；在純框架結(jié)構(gòu)中增設(shè)支撐將使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力得到提高，根據(jù)[7,8]的研究，臨界荷載的提高部分可以偏安全地按正比于支撐的抗側(cè)剛度計(jì)算，見圖3；設(shè)置支撐后，失穩(wěn)模式中包含了有側(cè)移模式的分量和無(wú)側(cè)移模式的分量，隨著支撐剛度的增加，有側(cè)移的分量越來(lái)越小。當(dāng)支撐的抗側(cè)剛度大到一定程度時(shí)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模式發(fā)生根本變化：失穩(wěn)模式中不包含任何的有側(cè)移的分量。圖3根據(jù)上述現(xiàn)象，我們可以得到如下的結(jié)論:即強(qiáng)支撐框架的判定準(zhǔn)則必須將支撐架的剛度與柱子無(wú)側(cè)移失穩(wěn)和有側(cè)移失穩(wěn)的承載力之差聯(lián)系起來(lái)，因?yàn)橹问钦麄€(gè)結(jié)構(gòu)的支撐，所以必須對(duì)所有柱子求和。是考慮結(jié)構(gòu)各種缺陷的影響系數(shù)，根據(jù)作者對(duì)支撐問(wèn)題的研究以及國(guó)外對(duì)同類問(wèn)題的研究[4]，可以取3。

這樣一來(lái)，如果某個(gè)柱子的兩個(gè)承載力相差不大，則對(duì)支撐的剛度就沒(méi)有多大的要求。上面是一般的結(jié)論。

但是支撐有兩種主要形式：剪切型支撐和彎曲型支撐。剪切型支撐主要出現(xiàn)在層數(shù)較少的建筑中，彎曲型支撐主要出現(xiàn)的高度較大的結(jié)構(gòu)中。

對(duì)剪切型支撐，基本不存在層與層之間的相互作用,對(duì)每一層支撐，強(qiáng)支撐框架的判定準(zhǔn)則如（3）式所示，式中系數(shù)可取3。每一層框架都滿足（3）式時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)才能夠歸入強(qiáng)支撐框架一類。對(duì)彎曲型支撐，存在著層與層的相互作用，問(wèn)題要復(fù)雜得多。經(jīng)過(guò)研究([8])可以采用如下的公式。要使這個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生無(wú)側(cè)移失穩(wěn)，則起支撐作用的懸臂柱的抗側(cè)剛度必須達(dá)到：這個(gè)式子又一次證實(shí)了文[3]提出的結(jié)論：結(jié)構(gòu)的承載力是支撐提供的，支撐抗側(cè)剛度有多大，臨界荷載有多大。(2)圖4b所示結(jié)構(gòu)，右邊是等截面的起支撐作用的懸臂柱，左邊是梁、柱截面沿高度均不變化、只在柱最頂部作用荷載的框架。為了使這個(gè)框架發(fā)生無(wú)側(cè)移失穩(wěn)，經(jīng)過(guò)研究與框架連接的右邊懸臂柱的抗側(cè)剛度為：式中帶下標(biāo)0的表示有側(cè)移失穩(wěn)的框架柱穩(wěn)定承載力，帶下標(biāo)1的表示無(wú)側(cè)移失穩(wěn)時(shí)框架柱的承載力。為框架柱軸力的負(fù)剛度系數(shù)，在1.0~1.216之間。因此還是這樣一個(gè)結(jié)論：臨界荷載的增加部分是由支撐提供的，支撐的剛度有多大，臨界荷載的增加有多大。圖4b當(dāng)懸臂柱的截面抗彎剛度達(dá)不到(5)式的要求時(shí)，框架柱的穩(wěn)定承載力按照下式計(jì)算:為簡(jiǎn)化公式，上式中支撐架（剪力墻）上的荷載可以去為零，偏于安全。返回六、鋼結(jié)構(gòu)分類的進(jìn)一步說(shuō)明(1)強(qiáng)支撐框架、弱支撐框架在整個(gè)分類體系中的地位和用途強(qiáng)支撐框架和弱支撐框架分類的目的是對(duì)框架的失穩(wěn)模式作出判斷，從而確定框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度。因此如果結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析采用了考慮二階效應(yīng)的二階分析方法，框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度按照層高計(jì)算或無(wú)側(cè)移失穩(wěn)模式計(jì)算，因此沒(méi)有必要采用強(qiáng)支撐框架和弱支撐框架的區(qū)分。只有在內(nèi)力分析采用線性分析的情況下，才需要在計(jì)算框架柱穩(wěn)定性、確定其計(jì)算長(zhǎng)度時(shí)引用強(qiáng)支撐框架和弱支撐框架的概念。因?yàn)槟壳暗脑O(shè)計(jì)方法中線性分析占絕大多數(shù)，這兩個(gè)概念還是很有用的。(2)無(wú)側(cè)移框架的穩(wěn)定計(jì)算及其支撐架本身的分類和穩(wěn)定計(jì)算還要說(shuō)明的是，雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系中，如果一個(gè)框架被劃分為無(wú)側(cè)移框架，則它不承受水平力。這個(gè)框架與支撐架當(dāng)然還是共同工作，產(chǎn)生相同的側(cè)移，只不過(guò)這個(gè)側(cè)移對(duì)框架的影響不加以考慮而已。框架上有重力荷載，這個(gè)重力荷載乘以實(shí)際產(chǎn)生的側(cè)移，也即二階效應(yīng)。二階效應(yīng)可等效為水平力，這個(gè)等效水平力也必須由支撐架承受。因此支撐架承受了整個(gè)建筑的二階效應(yīng)?；驌Q句話說(shuō)，這個(gè)框架的穩(wěn)定性是由支撐架來(lái)保證的，因此無(wú)側(cè)移框架的柱子計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)可以按照無(wú)側(cè)移失穩(wěn)的模式計(jì)算，也即按照強(qiáng)支撐框架計(jì)算。在雙重抗側(cè)力體系中，框架被劃分為無(wú)側(cè)移框架時(shí)，支撐架本身的劃分是：它是一個(gè)有側(cè)移的結(jié)構(gòu)。那么支撐架本身是強(qiáng)支撐的、弱支撐的、還是純框架？不能這樣提這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橹渭鼙旧聿辉俦恢危瑳r且支撐架絕大部分情況下不是框架。它是側(cè)向剛性結(jié)構(gòu)還是側(cè)向柔性結(jié)構(gòu)，要根據(jù)（1）式進(jìn)行判定，式中的豎向力和水平力都是整個(gè)建筑物上的總的荷載，即包括作用在無(wú)側(cè)移框架上的水平和豎向荷載。根據(jù)這個(gè)判斷結(jié)果選擇合理的穩(wěn)定性計(jì)算方法：(a)如果支撐架本身是一個(gè)剛度很大的側(cè)向剛性框架，則可以近似地取層高作為柱子計(jì)算長(zhǎng)度；如果支撐架本身是側(cè)向柔性框架，則當(dāng)采用線性的內(nèi)力分析時(shí)，按照有側(cè)移失穩(wěn)模式計(jì)算它的穩(wěn)定性，但柱子的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)要按照下面（7）式進(jìn)行放大（側(cè)向