鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及分析控制培訓(xùn)講義

邵弘鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及分析控制第一頁，共七十頁。1。鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)2。分析模型3。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計控制4?；旌辖Y(jié)構(gòu)的設(shè)計控制5?？偨Y(jié)第二頁，共七十頁。1.1。一般鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)方案的隨意性：結(jié)構(gòu)沒有明顯的樓層概念，它只根據(jù)需要而設(shè)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(diǎn)高度、錯層梁、坡梁、斜柱、樓板開大洞，等等。建筑設(shè)計只滿足功能的需要：不考慮結(jié)構(gòu)的要求，如層、層剛度、薄弱層、位移比、側(cè)移剛度，等等的概念。所以結(jié)構(gòu)布置大多為空曠的、不規(guī)則的、剛度不均勻的空間結(jié)構(gòu)。給分析帶來一定的難度。結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)：由于結(jié)構(gòu)存在較多的不規(guī)則、不連續(xù)性，多層鋼結(jié)構(gòu)大多都會產(chǎn)生多處局部振動，造成多處薄弱部位。給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來難度。第三頁，共七十頁。水平支撐加變截面柱第四頁，共七十頁。變截面梁柱第五頁，共七十頁。多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房第六頁，共七十頁。空間塔圍結(jié)構(gòu)第七頁，共七十頁。普通多層鋼結(jié)構(gòu)第八頁，共七十頁。普通多層鋼結(jié)構(gòu)第九頁，共七十頁。特殊工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)第十頁，共七十頁。1.2。高層鋼結(jié)構(gòu)的建模特點(diǎn)高層鋼結(jié)構(gòu)往往帶有，型鋼構(gòu)件、鋼管構(gòu)件、鋼板剪力墻等等特殊的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計時，應(yīng)分別滿足相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范、規(guī)程。對一些特殊工程，還應(yīng)作模型試驗(yàn)。高層鋼結(jié)構(gòu)的建模，與高層混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)往往采用大量的支撐，超高層鋼結(jié)構(gòu)大量采用支撐轉(zhuǎn)換層、剛性層。建模時應(yīng)盡量避免越層支撐。在高層混凝土結(jié)構(gòu)的頂部加有鋼塔時，建模要根據(jù)這類結(jié)構(gòu)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)量、荷載的合理作用。應(yīng)特別注意混合結(jié)構(gòu)的建模方法。如剪立墻與鋼梁的連接。第十一頁，共七十頁。高層鋼結(jié)構(gòu)——支撐為主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)第十二頁，共七十頁。第十三頁，共七十頁。2.1。鋼結(jié)構(gòu)的局部振動結(jié)構(gòu)分析應(yīng)滿足相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范、規(guī)程。結(jié)構(gòu)分析一般可以選擇：彈性樓板、P-Δ效應(yīng)、總剛模型計算結(jié)構(gòu)的振型、振型數(shù)應(yīng)取得足夠多滿足有效質(zhì)量系數(shù)，等等。結(jié)構(gòu)的振型分析，可以觀察到結(jié)構(gòu)的薄弱部位，應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)的面外振動、局部振動。采用面外加強(qiáng)的方式，減少局部振動和薄弱部位。當(dāng)梁的高差較?。ㄔ诹焊叻秶鷥?nèi)）時，應(yīng)簡化成同一標(biāo)高，這樣可避免短柱的應(yīng)力突變，造成設(shè)計超限。當(dāng)結(jié)構(gòu)為抗震控制，應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度突變，減少薄弱層。第十四頁，共七十頁。板厚為0，產(chǎn)生大量的空曠結(jié)構(gòu)第十五頁，共七十頁。第十六頁，共七十頁。振型數(shù)要多取第十七頁，共七十頁。第十八頁，共七十頁。第十九頁，共七十頁。第二十頁，共七十頁。第二十一頁，共七十頁。第二十二頁，共七十頁。第二十三頁，共七十頁。第二十四頁，共七十頁。第二十五頁，共七十頁。第二十六頁，共七十頁。振型需要取到60個才能滿足要求第二十七頁，共七十頁。振型需要取到60個才能滿足要求第二十八頁，共七十頁。局部振動的處理當(dāng)局部振型靠前，說明在此處形成薄弱部位的可能性越大。當(dāng)?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(dāng)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(jié)構(gòu)雖然是可以分析的，但是在設(shè)計時，還是應(yīng)該盡量避免。第二十九頁，共七十頁。2.2。鋼結(jié)構(gòu)的非線性分析在鋼結(jié)構(gòu)分析時，應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)，即簡化的幾何非線性。當(dāng)結(jié)構(gòu)受力特殊時，還應(yīng)考慮材料非線性，即彈塑性分析。鋼結(jié)構(gòu)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(jié)果的真實(shí)性較高。所以，一些特殊鋼結(jié)構(gòu)工程（如：體育場館、重要的構(gòu)筑物等）都應(yīng)考慮彈塑性分析。非線性分析也可以找到結(jié)構(gòu)的薄弱部位?？梢源_定結(jié)構(gòu)在大震下的承載能力。是目前普遍采用的方法。第三十頁，共七十頁。P-Δ效應(yīng)的計算選擇第三十一頁，共七十頁。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-Δ效應(yīng)。P-Δ效應(yīng)是一種簡化的幾何非線性計算方法。一般結(jié)構(gòu)還是屬于小變形，所以P-Δ效應(yīng)是可以滿足設(shè)計需要的。當(dāng)需要考慮材料非線性時，應(yīng)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(jié)構(gòu)大震下的承載能力。第三十二頁，共七十頁。第三十三頁，共七十頁。不考慮P-Δ效應(yīng)第三十四頁，共七十頁。不考慮P-Δ效應(yīng)第三十五頁，共七十頁。考慮P-Δ效應(yīng)第三十六頁，共七十頁。考慮P-Δ效應(yīng)第三十七頁，共七十頁。2.3。鋼結(jié)構(gòu)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三十八頁，共七十頁。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三十九頁，共七十頁。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四十頁，共七十頁。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(shí)際情況卻有出入。因?yàn)楦邚?qiáng)螺栓不能完全約束柱腳的位移，計算時按剛接處理，柱底約束偏剛，結(jié)構(gòu)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形剛接柱腳連接第四十一頁，共七十頁。梁腹板高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)螺栓連接。這種連接實(shí)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(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，存在隱患。梁柱剛接梁柱鉸接第四十二頁，共七十頁。第四十三頁，共七十頁。主次梁的連接同梁柱的鉸接類似，也有剛度模擬問題。嚴(yán)格地說，鋼結(jié)構(gòu)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。第四十四頁，共七十頁。3。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計控制在分析高層鋼結(jié)構(gòu)時，P-Δ效應(yīng)一般總是要考慮的，其它的設(shè)計選擇應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程而定。梁柱節(jié)點(diǎn)域的變形問題：目前程序沒有考慮梁柱節(jié)點(diǎn)域的剪切變形，這也是一個復(fù)雜問題。如考慮節(jié)點(diǎn)域變形，而梁柱采用節(jié)點(diǎn)以外的長度，與不考慮節(jié)點(diǎn)變形，而梁柱采用形心長度。這兩種分析模型，對結(jié)構(gòu)影響變化有多大，目前研究較少。節(jié)點(diǎn)剪切變形與節(jié)點(diǎn)域的加固程度有關(guān)，所以也不容易合理地估計?？傊灰獙?jié)點(diǎn)域加固，一般可以不考慮節(jié)點(diǎn)域的剪切變形。偏心支撐：在高層鋼結(jié)構(gòu)中設(shè)置偏心支撐，可以提高結(jié)構(gòu)的整體延性，避免支撐附近構(gòu)件內(nèi)力突變，通過耗能梁吸收地震作用，從而達(dá)到抗震的目的。第四十五頁，共七十頁。強(qiáng)柱弱梁的要求：根據(jù)《抗震規(guī)范》對鋼柱作“強(qiáng)柱弱梁”的驗(yàn)算。但是可以有三個放松條件。所以用戶可以對驗(yàn)算結(jié)果酌情參考、調(diào)整。長細(xì)比驗(yàn)算：當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計是抗震設(shè)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(dāng)?shù)卣鹆ψ饔孟碌奈灰茟?yīng)小于1/300，當(dāng)為高層鋼結(jié)構(gòu)時，可以放松到1/250。同時還應(yīng)考慮舒適度的要求，控制頂點(diǎn)的加速度值。。有側(cè)移無側(cè)移：1。當(dāng)樓層最大桿間位移小于1/1000時，可以按無側(cè)移設(shè)計；2。當(dāng)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(shè)計；3。當(dāng)樓層最大桿間位移大于1/300時，應(yīng)按有側(cè)移設(shè)計。第四十六頁，共七十頁。結(jié)構(gòu)有側(cè)移無側(cè)移的判定有側(cè)移、無側(cè)移實(shí)際上與荷載作用有關(guān)。荷載組合基本按以下四類：（1）恒+活；（2）恒+活+風(fēng)；（3）恒+活+地震；（4）恒+活+風(fēng)+地震。其中，2、3、4類組合有可能是有側(cè)移的，而第1類組合一般認(rèn)為是無側(cè)移。從抗震規(guī)范第8.2.3條（包含第3.6.3條）中的要求，并參考相應(yīng)的（第3.6.3條）條文說明，在某種荷載組合作用下，可以通過結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定系數(shù)來判定，公式如下：結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定系數(shù)第四十七頁，共七十頁。P──第i層以上的全部重力荷載設(shè)計值V──由水平荷載在第i層產(chǎn)生的樓層剪力設(shè)計值Δ──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(dāng)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(cè)移的。根據(jù)這種方法，軟件將進(jìn)一步的改進(jìn)?？梢詫γ恳唤M荷載組合時，判斷有無側(cè)移的情況，取用不同的長度系數(shù)。第四十八頁，共七十頁。考慮P-Δ效應(yīng)第四十九頁，共七十頁。高層鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇支撐體系結(jié)構(gòu)可以選擇“框剪結(jié)構(gòu)”第五十頁，共七十頁。0.25Qo的調(diào)整第五十一頁，共七十頁。第五十二頁，共七十頁。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(jié)構(gòu)支撐軸力很大，柱將承擔(dān)很大的剪力。所以中心支撐多用于多層鋼結(jié)構(gòu)。偏心支撐及其產(chǎn)生的耗能梁結(jié)構(gòu)體系，可以提供較大的延性，在大震下耗能梁首先進(jìn)入塑性，以吸收地震能量，從而減少震害。其多用于高層鋼結(jié)構(gòu)。第五十三頁，共七十頁。耗能梁的設(shè)置和設(shè)計耗能梁應(yīng)設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在大震下的穩(wěn)定性。為使偏心支撐能夠承擔(dān)耗能梁段的端部彎矩，支撐與梁應(yīng)設(shè)計成剛接。耗能梁與偏心支撐結(jié)合的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系的設(shè)計原則：強(qiáng)柱、強(qiáng)支撐、弱耗能梁。第五十四頁，共七十頁。偏心支撐結(jié)構(gòu)體系的種類梁、支撐連接處按剛接設(shè)計第五十五頁，共七十頁。4?；旌辖Y(jié)構(gòu)的設(shè)計控制混合結(jié)構(gòu)主要是指：（1）型鋼混凝土、鋼組合結(jié)構(gòu)；（2）圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；（3）矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；（4）鋼與混凝土組合梁結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土、鋼組合結(jié)構(gòu)：型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中，常常伴有鋼結(jié)構(gòu)，以保證構(gòu)件連接的順暢。這種體系具有型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的剛度和鋼結(jié)構(gòu)的延性。結(jié)構(gòu)一般按區(qū)域布置，下部為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，上部為鋼結(jié)構(gòu)。上下部應(yīng)按各自的結(jié)構(gòu)性能要求來控制。當(dāng)上部鋼結(jié)構(gòu)占據(jù)較多層，結(jié)構(gòu)整體分析宜按鋼結(jié)構(gòu)，地震分析時，結(jié)構(gòu)阻尼比宜按0.03（可以比純鋼結(jié)構(gòu)略大些）。第五十六頁，共七十頁。圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)：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(qiáng)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(jié)構(gòu)：矩形鋼管對管內(nèi)混凝土的約束作用遠(yuǎn)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(gòu)件連接。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可以按“鋼結(jié)構(gòu)”來設(shè)計控制。材料的阻尼比可以比純鋼結(jié)構(gòu)略大。第五十七頁，共七十頁。鋼與混凝土組合梁結(jié)構(gòu)：組合梁結(jié)構(gòu)在分析時，需要分施工階段和使用階段。施工階段時，樓面只有鋼梁，并要承擔(dān)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(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計時，需遵循以下設(shè)計規(guī)程：型鋼混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，需遵循《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ138-2001圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，需遵循《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》CECS28:90矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，需遵循《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS159:2004鋼與混凝土組合梁設(shè)計，需遵循《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003第五十八頁，共七十頁。第五十九頁，共七十頁。第六十頁，共七十頁。第六十一頁，共七十頁。第六十二頁，共七十頁。第六十三頁，共七十頁。第六十四頁，共七十頁。5?？偨Y(jié)——設(shè)計技術(shù)要點(diǎn)（1）在軟件編制中按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》及《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對鋼構(gòu)件進(jìn)行截面相應(yīng)的截面強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定等的驗(yàn)算。（2）按《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》計算地震力和地震參數(shù)，可對鋼柱進(jìn)行0.25Qo的基底剪力調(diào)整。（3）在抗震規(guī)范的第八章中，對鋼柱、鋼梁和鋼支撐以強(qiáng)制條文的方式，規(guī)定了桿件的寬厚比、高厚比和長細(xì)比，所以當(dāng)遇到不滿足強(qiáng)制性條文的規(guī)定時，軟件將嚴(yán)格報錯，以提示用戶注意。第六十五頁，共七十頁。鋼結(jié)構(gòu)的整體分析（1）鋼結(jié)構(gòu)的整體分析與混凝土結(jié)構(gòu)一樣，不但要滿足抗震規(guī)范的相應(yīng)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(yīng)該根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)變形較大的特點(diǎn)，考慮偶然偏心、雙向地震、二階變形效應(yīng)，如：P-Δ效應(yīng)。對重要的結(jié)構(gòu)還應(yīng)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(dāng)鋼結(jié)構(gòu)是由空間桿件組成，帶有大量的空洞、交錯結(jié)構(gòu)、空間斜交結(jié)構(gòu)，空間弧形構(gòu)件、支架、塔架、桁架、屋架等等，在分析時會產(chǎn)生大量的獨(dú)立的“彈性節(jié)點(diǎn)”，這就要求在建模、分析時注意：復(fù)雜構(gòu)件連接應(yīng)盡量選擇空間整體建模，如SPASCAD；整體分析時振型數(shù)應(yīng)取得足夠的多，應(yīng)以“有效質(zhì)量系數(shù)”大于90%為滿足依據(jù)。第六十六頁，共七十頁。（3）鋼的彈性模量比混凝土大的多，對鋼結(jié)構(gòu)可以按“一次性加載”計算恒載。鋼結(jié)構(gòu)允許變形大，分析應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)。考慮P-Δ效應(yīng)后，水平位移增大約5%～10%。一般當(dāng)桿間位移大于1/250時應(yīng)該考慮P-Δ效應(yīng)。（4）鋼柱的“有側(cè)移”、或“無側(cè)移”選擇，可以按以下原則考慮：（A）當(dāng)樓層最大桿間位移小于1/1000時，可以按無側(cè)移設(shè)計；（B）當(dāng)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(shè)計；（C）當(dāng)樓層最大桿間位移大于1/300時，應(yīng)按有側(cè)移設(shè)計。（5）目前軟件沒有考慮鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的剪切變形，可以通過加強(qiáng)鋼柱的節(jié)點(diǎn)域，如在節(jié)點(diǎn)中間夾焊綴板等方法，來提高節(jié)點(diǎn)域的剛度，減少節(jié)點(diǎn)域的剪切變形。這一點(diǎn)對H型鋼的柱節(jié)點(diǎn)尤其重要，在高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中也是要重點(diǎn)關(guān)注的。第六十七頁，共七十頁。鋼結(jié)構(gòu)的位移控制（1）抗震規(guī)范規(guī)定，當(dāng)?shù)卣鹆ψ饔孟碌奈灰茟?yīng)小于1/300，當(dāng)結(jié)構(gòu)為高層鋼結(jié)構(gòu)時，可以放松到1/250。同時