多、高层房屋结构的分析和设计计算课件.ppt

1、 2.2 多、高层房屋结构的分析和设计 p350361、P427439 一、一、荷载荷载1竖向荷载 楼面、屋顶活荷载以及雪荷载的标准值，按现行国家标准建筑结构荷载规范规定采用。规范中未给出一般高层办公楼、旅馆、公寓中所需要的酒吧间、屋顶花园等的最小屋顶活荷载标准值。遇这种情况，应按实际情况采用，但不得小于表4-9所列的数值。多、高层房屋结构的分析和设计计算 多层建筑应考虑活荷载的不利分布；高层建筑活荷载值的比重不大，可不考虑活荷载的不利分布。在计算构件效应时，楼面及屋面竖向荷载可仅考虑各跨满载的情况。多、高层房屋结构的分析和设计计算2 风荷载 (GB500092001)规定，一般建筑结构风荷载

2、的重现期为50年，高层建筑的重现期可适当提高，重现期可取100年，基本风压乘以系数1.1。邻近有高层建筑互相干扰时，风荷载的影响不容忽视的。邻近建筑的影响较复杂，试验资料也少。一般无论邻近有无高层建筑，高度超过200m的建筑物，风荷载应按风洞试验确定。多、高层房屋结构的分析和设计计算3地震荷载 国家标准建筑抗震设防分类标准(GB 50223)，根据建筑使用功能的重要性，分甲类、乙类、丙类和丁类四个抗震设防类别。甲类建筑：重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的；乙类建筑：地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的；丁类建筑：抗震属于次要性的；丙类建筑：甲类、乙类和丁类建筑除外的一般建筑。多、高层房

3、屋结构的分析和设计计算 抗震设计目标：小震不坏，中震可修，大震不倒。两阶段的抗震设计：多遇地震作用及罕遇地震作用设计。多遇地震相当于50年超越概率为63.2的地震，罕遇地震相当于50年超越概率为23的地震。多、高层房屋结构的分析和设计计算多遇地震作用的抗震计算要求：多遇地震作用的抗震计算要求：(a)通常应在结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用，各方向的水平地震作用应全部由该方向的抗侧力构件承担；(b)当有斜交抗侧力构件时，宜分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用；(c)质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应计算水平地震作用的扭转影响；(d)9度抗震设防的高层建筑钢结构，或者按8度和9度抗震设

4、防的大跨度和长悬臂构件，应计算竖向地震作用。多、高层房屋结构的分析和设计计算设计反应谱设计反应谱：弹性反应谱理论是现阶段抗震设计的基本理论，建筑抗震设计规范所采用的设计反应谱，是以水平地震影响系数曲线的形式表达的。地震影响系数曲线多、高层房屋结构的分析和设计计算地震反应谱地震反应谱为便于求地震作用，将单自由度体系的地震最大绝对加速度反应与其自振周期T的关系定义为地震加速度反应谱，或简称为地震反应谱。意义：可以理解为一个确定的地面运动，通过一组阻尼比相同但自振周期各不相同的单自由度体系，所引起的各体系最大加速度反应与相应体系自振周期间的关系曲线。影响因素：一个是体系的阻尼比，二是地震动。多、高层

5、房屋结构的分析和设计计算多、高层房屋结构的分析和设计计算总体：阻尼比的减少，地震影响系数提高.多、高层房屋结构的分析和设计计算罕遇12层12层阻尼比0.050.0350.02衰减指数r直线下降斜率调整系数1 阻尼调整系数2 7度0.1g max0.050.080.08Tg=0.4s（类场地，第二组)T=1.5s(Tg5Tg）地震影响系数0.0150.0270.03T=4s(5Tg6s）地震影响系数0.0120.0210.024T=00.1s 地震影响系数0.45 max 2 max0.023 0.050.036 0.090.036 0.11T=0.1sTg地震影响系数2 max 0.05 0.

6、09 0.11多、高层房屋结构的分析和设计计算多、高层房屋结构的分析和设计计算水平地震影响系数水平地震影响系数的计算：的计算：（4-38）（4-39）多、高层房屋结构的分析和设计计算（4-40）多、高层房屋结构的分析和设计计算(1)底部剪力法底部剪力法 采用底部剪力法计算水平地震作用，各楼层可按一个自由度计算。按下式计算各楼层的等效地震作用：多、高层房屋结构的分析和设计计算多、高层房屋结构的分析和设计计算 顶部突出物：顶部突出物：底部剪力法计算顶部突出物的地震作用，可按所在的高度作为一个质点，按其实际定量计算所得水平地震作用放大3倍后，设计该突出部分的结构。增大影响宜向下考虑12层，但不再往下

7、传递。多、高层房屋结构的分析和设计计算基本自振周期基本自振周期 T1：按主体结构弹性刚度所得钢结构的计算周期，由于非结构构件及计算简图与实际情况的差异，建议计算周期考虑非结构构件影响的修正系数T取0.9。对质量及刚度沿高度分布比较均匀的结构，基本自振周期可用下列公式近似计算：Un结构顶层假想侧移(m)。多、高层房屋结构的分析和设计计算初步计算时，结构的基本自振周期按经验公式估算：n建筑物层数(不包括地下部分及屋顶小塔楼)。多、高层房屋结构的分析和设计计算(2)振型分解反应谱法振型分解反应谱法 对不计扭转影响的结构，振型分解反应谱法可仅考虑平移作用下的地震效应组合，并应符合下列规定：(a)j振型

8、i层质点的水平地震作用标准值多、高层房屋结构的分析和设计计算(b)水平地震作用效应(弯矩、剪力、轴向力和变形)：突出屋面的小塔楼，应按每层一个质点进行地震作用计算和振型效应组合。当采用3个振型时，所得地震作用效应乘增大系数1.5；当采用6个振型时，所得地震作用效应不再增大。多、高层房屋结构的分析和设计计算多、高层房屋结构的分析和设计计算多、高层房屋结构的分析和设计计算多、高层房屋结构的分析和设计计算多、高层房屋结构的分析和设计计算多、高层房屋结构的分析和设计计算(3)竖向地震作用竖向地震作用 9度时的高层建筑，计算竖向地震作用时，可按下列要求确定竖向地震作用标准值：(a)总竖向地震作用标准值

9、多、高层房屋结构的分析和设计计算(b)楼层i的竖向地震作用标准值 多、高层房屋结构的分析和设计计算(4)时程分析法时程分析法 采用时程分析法计算结构的地震反应时地震波的选择应符合下列要求：1）采用不少于四条能反映当地场地特性的地震加速度波，包括一条本地区历史上发生地震时的实测记录波。2）地震波的持续时间不宜过短，宜取1020s或更长。或找与建筑物场地地质条件类似地区的强震记录，或采用根据当地地震危险性分析获得的人工模拟地震波，使地震波的频谱特性能反映当地场地土性质。3）输入地震波的峰值加速度，按下表采用。多、高层房屋结构的分析和设计计算多、高层房屋结构的分析和设计计算二、结构分析二、结构分析

10、1计算模型的建立 当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、不计扭转效应时，可采用平面结构计算模型；当结构平面或立面不规则、体型复杂、无法划分成平面抗侧力单元的结构，或为筒体结构时，应采用空间结构计算模型。多、高层房屋结构的分析和设计计算建立计算模型时应注意：建立计算模型时应注意：(1)假定楼面在其自身平面内为绝对刚性。对整体性较差，或开孔面积大，或有较长外伸段的楼面，或相邻层刚度有突变的楼面，宜采用楼板平面内的实际刚度，或对按刚性楼面假定计算所得结果进行调整。(2)高层钢结构梁柱的跨度与截面高度比一般都较小，应考虑剪切变形的影响；高层框架柱轴向变形的影响也不能忽视；梁的轴力小，且与楼板组成刚

11、性楼盖，可不考虑梁的轴向变形，但当梁同时作为腰桁架或帽桁架的弦杆或支撑桁架的杆件时，轴向变形不能忽略；钢框架节点域较薄，其剪切变形对框架侧移影响也应考虑。多、高层房屋结构的分析和设计计算 弹性分析时，压型钢板组合楼盖中梁的惯性矩对两侧有楼板的梁取1.5Ib，仅一侧有楼板时取1.2Ib，Ib为钢梁惯性矩。(4)抗震设计的高层建筑柱间支撑两端的构造应为刚性连接，但按铰接计算。偏心支撑的耗能梁段按单独单元计算。(5)现浇竖向连续钢筋混凝土剪力墙，宜计入墙的弯曲变形、剪切变形和轴向变形。当钢筋混凝土剪力墙具有比较规则的开孔时，可按带刚域的框架计算；当具有复杂开孔时，宜采用平面有限元法计算。(6)当进行

12、结构内力分析时，应计入重力荷载引起的竖向构件差异缩短所产生的影响。(3)进行结构弹性分析时，可考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同工作；进行弹塑性分析时，楼板已开裂，可不考虑楼板与梁的共同工作。多、高层房屋结构的分析和设计计算2静力分析方法静力分析方法 框架结构、框架支撑结构、框架剪力墙结构和框筒结构等，内力和位移可采用矩阵位移法计算。筒体结构可按位移相等原则转化为连续的竖向悬臂筒体，采用薄壁杆件理论、有限条法或其他有效方法进行计算。高度小于60m的建筑或在方案设计阶段估算截面时，可采用下列近似方法计算荷载效应：多、高层房屋结构的分析和设计计算 (1)竖向荷载作用下，框架内力可采用分层法进行简化

13、计算；水平荷载作用下，框架内力和位移可采用D值法进行简化计算。(2)平面布置规则的框架-支撑结构，在水平荷载作用下简化为平面抗侧力体系分析，将所有框架合并为总框架，将所有竖向支撑合并为总支撑，然后进行协同工作分析。多、高层房屋结构的分析和设计计算 总支撑可当作一根弯曲杆件，其等效惯性矩Ieq按下列公式计算：多、高层房屋结构的分析和设计计算 (3)平面布置规则的框架剪力墙结构，水平荷载作用下简化为平面抗侧力体系分析，将所有框架合并为总框架，所有剪力墙合并为总剪力墙，然后进行协同工作分析。(4)平面为矩形或其他规则形状的框筒结构，可采用等效角柱法、展开平面框架法或等效截面法，转化为平面框架进行近似

14、计算。多、高层房屋结构的分析和设计计算 用等效截面法计算外框筒构件截面尺寸时，外框筒可视为平行于荷载方向的两个等效槽形截面，其翼缘有效宽度可取为 b=min(L/3，B/2，H/10)L和B分别为筒体截面的长度和宽度，H为结构高度。等效截面法：等效截面法：框筒在水平荷载下的内力，可用材料力学公式作简化计算。多、高层房屋结构的分析和设计计算 (5)对规则但有偏心的结构进行近似分析时，先按无偏心结构进行分析，然后将内力乘以修正系数，修正系数应按下式计算(但扭矩计算的结果对构件的内力起有利作用时，应忽略扭矩的作用)。多、高层房屋结构的分析和设计计算3多、高层框架近似分析方法多、高层框架近似分析方法

15、(1)分层法分层法 竖向荷载作用下，多层框架的侧移较小，且各层荷载对其他层的水平构件的内力影响不大，把每层作为无侧移框架用力矩分配法进行计算。计算结果:水平构件的内力即为水平构件内力的近似值，垂直构件为自上而下各相邻两层同一垂直构件的内力叠加值。多、高层房屋结构的分析和设计计算分层法计算步骤：分层法计算步骤：(a)将框架以层为单元分解为若干无侧移框架，每单元包含该层所有的水平构件及与该层相连接的所有垂直构件。底层垂直构件与基础连接的特性保持不变，其他所有垂直构件的远端均设定为固定端。图中的框架被分解为以ABCD、EFGH和IJKL为横梁的三个无侧移框架单元。多、高层房屋结构的分析和设计计算 (

16、b)非底层无侧移框架单元的垂直构件并非固定端，因此将其抗弯刚度乘以0.9修正系数，并将其传递系数修正为13。(c)对无侧移框架作力矩分配法计算，所得水平构件内力即为水平构件内力的近似值。(d)自上而下将各相邻两层同一垂直构件的内力叠加，得各垂直构件的内力近似值。(e)节点弯矩严重不平衡时，可将不平衡弯矩再作一次分配，但不再传递。多、高层房屋结构的分析和设计计算(2)D值法值法 框架在水平荷载作用下的内力近似分析法。在仅受节点水平荷载作用下，若梁的抗弯刚度远大于柱的抗弯刚度，则认为柱两端的转角为零，柱段内至少存在一个反弯点。柱的转角位移方程为端部剪力为 1）反弯点法：）反弯点法：多、高层房屋结构

17、的分析和设计计算 设框架第i i层的总剪力为Vi，假定框架同一层所有柱的层间位移均相同，则有 式中，Vij、dij分别是位于i层的第j个柱的剪力和抗侧移刚度。柱的剪力为多、高层房屋结构的分析和设计计算(a)柱端弯矩计算公式：假定上层柱的反弯点位于柱高中点，底层柱的反弯点位于距底端23柱高处，则 式中 Mu，Md分别是柱上端和下端弯矩；(b)梁端弯矩计算公式：设梁端弯矩与其线刚度成正比，考虑各节点力矩平衡，则多、高层房屋结构的分析和设计计算(c)求梁的剪力：多、高层房屋结构的分析和设计计算2）D值法值法 对层数不多的框架，梁的线刚度通常大于柱的线刚度，当梁的线刚度不小于柱的线刚度的3倍时，反弯点

18、法能给出较好的精度。对一般的多、高层建筑，反弯点法的精度过低。在反弯点法中，考虑端部转角影响，对柱的抗侧移刚度及影响反弯点位置的一些因素进行修正，可提高反弯点法的精度。修正后柱的抗侧移刚度记为D，以区别与端部转角为零时柱的抗侧移刚度d的区别。多、高层房屋结构的分析和设计计算柱侧移刚度修正系数。与其两端连接的横梁的线刚度有关，可按相关表格选用。将反弯点位置表达为反弯点到柱下端的距离与柱高的比值，称为反弯点高度比。影响反弯点位置的因素很多，对反弯点位置的修正是在标准反弯点高度比的基础上进行的。标准反弯点高度比是指：层高、跨度和梁柱线刚度比都为常数的多层多跨框架在水平荷载作用下的反弯点高度比。多、高

19、层房屋结构的分析和设计计算反弯点高度比的修正系数的计算公式：多、高层房屋结构的分析和设计计算 D值法也称改进反弯点法，值法也称改进反弯点法，位于i层的第j柱的柱端弯矩计算公式改变为：多、高层房屋结构的分析和设计计算4稳定分析方法稳定分析方法 纯框架的整体稳定属于整体分析的问题，但目前用柱稳定的计算方式来实现的。GB50017规范给出了采用二阶分析的规定。二阶弹性分析的内力由一阶分析的结果乘放大系数。杆端弯矩M由下式计算多、高层房屋结构的分析和设计计算式中 Mb假定框架节点无侧移，按一阶弹性分析求得的各杆件端弯矩；Ms框架各节点实现侧移时，按一阶弹性分析求得的杆件端弯矩；2所计算楼层考虑二阶效应

20、的杆件侧移弯矩增大系数；N所计算楼层各柱轴压力设计值之和；H产生层间侧移u的所计算楼层及以上各层的水平力之和；u按一阶弹性分析求得的所计算楼层的层间侧移；h所计算楼层的高度。多、高层房屋结构的分析和设计计算 Nu(H h)0.1 时，21.1，不作二阶分析；当 21.33时，表明框架侧移刚度过低，需要改变尺寸来增大刚度。多、高层房屋结构的分析和设计计算 在采用二阶分析的同时，在每层柱顶附加下列假想水平力Hi，柱计算长度取其几何长度。式中 Qi第i楼层的总重力荷载设计值；ns框架总层数；y钢材强度影响系数，对Q235钢和Q345钢，分别取1.0和1.1。多、高层房屋结构的分析和设计计算 对框架支

21、撑体系，JGJ9998规定，当uh11000时，柱计算长度按无侧移确定。GB 50017规范对无侧移的框架的判别式为：式中 Sb支撑结构的层间侧移刚度(产生单位侧倾角的水平力)；Nbi，Nci第i层层间所有框架柱用无侧移框架和有侧移框架柱计算长度系数算得的轴压杆稳定承载力之和。多、高层房屋结构的分析和设计计算 支撑不满足判别式(466)时，考虑支撑结构增大侧移刚度的作用，用下式计算框架柱的轴压稳定系数 式中，0和1是同一柱分别作无侧移框架和有侧移框架分析时的稳定系数。多、高层房屋结构的分析和设计计算 JGJ 9998规程规定：高层建筑钢结构同时符合下列条件时，可不验算结构的整体稳定，但还要计算

22、框架柱的稳定。(a)结构各楼层柱子平均长细比和平均轴压比满足下式要求：式中 m楼层柱的平均长细比；Nm楼层柱的平均轴压力设计值；Npm楼层柱的平均全塑性轴压力；Npm=fyAm；fy钢材屈服强度；Am柱截面面积的平均值。该式限制了柱的轴压比N(Afy)，并且和柱的长细比相联系。轴压比和长细比大，柱抗弯刚度低。多、高层房屋结构的分析和设计计算 (b)结构按一阶线性弹性计算所得的各楼层层间相对侧移值，满足下列要求：Fh计算楼层以上全部水平作用之和；Fv计算楼层以上全部竖向作用之和。式(4-69)体现P-效应的限制，与Nu(H h)0.1大体相当。多、高层房屋结构的分析和设计计算5 地震作用分析方法

23、地震作用分析方法 根据“小震不坏，大震不倒”的抗震设计原则以及抗震设防三水准和二阶段的设计要求，高层建筑钢结构的抗震设计，采用两阶段设计法。第一阶段：第一阶段：多遇地震作用下的弹性分析，验算构件的承载力和稳定以及结构的层间侧移；第二阶段：第二阶段：罕遇地震下的弹塑性分析，验算结构的层间侧移和层间侧移延性比。多、高层房屋结构的分析和设计计算 结构越高其基本自振周期越长，结构高阶振型的影响也越大。底部剪力法只考虑结构的一阶振型，我国建筑抗震设计规范规定高度不超过40m的规则结构可用底部剪力法计算。高层民用建筑钢结构技术规程近似考虑了部分高振型的影响，将底部剪力法的适用高度放宽到60m。多、高层房屋

24、结构的分析和设计计算 振型分解反应谱法是一种动力分析方法，是第一阶段弹性分析的主要方法。时程分析法是完全的动力分析法，时程分析得到的只是一条具体地震波的结构反应，具有一定的“特殊性”。作为在第一阶段设计时，竖向特别不规则建筑和重要建筑的补充计算。多、高层房屋结构的分析和设计计算 高层建筑钢结构的第一阶段抗震设计，可针对不同情况，采用下列方法计算地震作用效应：(a)高度不超过40m，且平面和竖向较规则的以剪切型变形为主的建筑，采用建筑抗震设计规范规定的地震作用和底部剪力法计算；(b)高度不超过60m且平面和竖向较规则的建筑，以及高度超过60m的建筑预估截面时，也采用上述地震作用和底部剪力法计算；

25、(c)高度超过60m的建筑，采用振型分解反应谱法计算；(d)竖向特别不规则的建筑，采用时程分析法作补充计算。多、高层房屋结构的分析和设计计算(1)第一阶段抗震设计第一阶段抗震设计 框架支撑(剪力墙板)体系中，总框架所承担的地震剪力，不得小于结构底部总剪力的25。角柱和两个互相垂直的抗侧力构件共用的柱，考虑同时受双向地震作用的效应，应将一个方向的荷载产生的柱内力在上述调整的基础再提高30。验算多遇地震作用下，整体基础(筏形或箱形基础)对地基的作用时，可采用底部剪力法计算作用于地基的倾覆力矩，其折减系数宜取0.8；计算倾覆力矩对地基的作用时，不考虑基础侧面回填土的约束作用。多、高层房屋结构的分析和

26、设计计算(2)第二阶段抗震设计第二阶段抗震设计 第二阶段结构已进入弹塑性状态，应采用时程分析法计算结构的弹塑性地震反应；第二阶段设计的目的，是验算结构在大震时是否会倒塌。多、高层房屋结构的分析和设计计算 三、三、结构设计结构设计 1荷载组合荷载组合 按第一阶段设计时式中 w风荷载组合值系数，一般结构取0.0，风荷载起控制作用的高层建筑应取0.2；w风荷载分项系数；Eh，Ev分别为水平、竖直地震作用分项系数；SGE重力荷载代表值的效应，有吊车时，尚应包括悬吊物重力标准值的效应；SEhk水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；SEvk竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大

27、系数或调整系数；Swk风荷载标准值的效应；多、高层房屋结构的分析和设计计算多、高层房屋结构的分析和设计计算2构件验算构件验算(1)一般要求 在不计算地震作用的效应组合中应满足下列要求：1)构件承载力应满足多、高层房屋结构的分析和设计计算 2)在风荷载作用下，顶点质心位置的侧移不宜超过建筑高度的1500；质心层间侧移不宜超过楼层高度的1400。3)超高层钢结构必须考虑人体的舒适度。高层民用建筑钢结构技术规程对高层建筑钢结构在风荷载作用下的顺风向和横风向顶点最大加速度，作出了限值：aw、atr 顺风向和横风向的顶点最大加速度。多、高层房屋结构的分析和设计计算(a)顺风向顶点最大加速度 多、高层房屋

28、结构的分析和设计计算(b)横风向顶点最大加速度 多、高层房屋结构的分析和设计计算 圆筒形高层建筑有时会发生横风向的涡流共振现象，设计中用高层建筑顶部风速来控制：不能满足时，可采用增加刚度使自振周期减小来提高临界风速，或者进行横风向涡流脱落共振验算。多、高层房屋结构的分析和设计计算(2)抗震设计抗震设计 (a)第一阶段抗震设计中，结构构件承载力应满足：多、高层房屋结构的分析和设计计算 按建筑抗震设计规范的规定，多高层建筑钢结构的层间侧移标准值，不得超过结构层高的1300。(b)第二阶段抗震设计应满足的要求：结构层间侧移不得超过层高的170；结构层间侧移延性比(层间最大允许位移与其弹性位移之比)不

29、得大于表 4-21的规定。多、高层房屋结构的分析和设计计算多、高层钢结构设计中应注意的一些问题多、高层钢结构设计中应注意的一些问题 建筑结构 2005年6月 胡天兵 申林郁银泉(中国建筑标准设计研究院北京100044)多、高层房屋结构的分析和设计计算1.1.高层钢结构的计算分析与设计高层钢结构的计算分析与设计 1.1 结构计算与分析要注意的问题(1)结构设计参数的确定问题。采用分析软件计算时,一定要对控制参数逐一核对,因为针对某个实际工程,程序默认的控制参数缺省值有时是不正确的。例如风荷载体型系数、设计地震分组、结构的阻尼比等。以阻尼比为例,对钢筋混凝土结构和单层钢结构为0.05,不超过12

30、层的多层钢结构为0.035,12层以上的钢结构为0.02,当进行弹塑性时程分析时,均取0.05。(2)有些建筑物设计使用年限不同,这时结构的重要性系数是不同的,各种荷载的取值也有一定差异,对于设计使用年限为100 年的建筑物,还应进行工程场地地震安全性评价,这些变化都必须考虑到。多、高层房屋结构的分析和设计计算 (2)边、角柱地震作用效应放大问题。根据问题。根据建筑抗震设计规范的规定,进行结构的水平地震作用计算,只有在不进行扭转耦联计算时,才对边、角柱的地震作用效应乘以增大系数,其实就是对不作耦联计算采取的补充措施。现在很多人计算时既考虑扭转耦联,又对边、角柱的地震作用效应放大,这样做显然是不

31、经济的,而且存在设计概念上的错误。多、高层房屋结构的分析和设计计算(3)高层钢结构抗震设计的强柱弱梁问题。在分析过程中会发现,对钢框架-钢支撑体系,这一条要求往往很难满足。其实,这一规定的目的就是人为地控制结构的破坏机制,使结构在中震及大震时,塑性铰出现在梁上而不是柱子上,以保证结构具有较好的延性,实现中震可修、大震不倒的抗震设计目标。因此,可以按规范GB50011 2001 第8.2.5 条的要求对强柱弱梁进行判断,同时进行弹塑性时程分析补充计算,如果分析的结果显示塑性铰出现在梁上而非柱子上,就可以认为满足了强柱弱梁的要求。多、高层房屋结构的分析和设计计算多、高层房屋结构的分析和设计计算多、

32、高层房屋结构的分析和设计计算 不论是钢框架-钢支撑(或剪力墙)还是钢筋混凝土框架-剪力墙结构,都存在这一问题。目前的高层建筑,体型越来越复杂,采用斜柱的情况也特别多,而且一般与垂直构件相比倾角较小。国内外的大多数结构分析软件,仅把垂直构件作为柱子,而把斜柱当成斜杆,作为支撑进行设计,这对力学计算来说,没有大的影响。但在调整框架柱的剪力Q(钢筋混凝土结构为20%,钢结构为25%)时,就存在较大的问题。软件中的斜柱是作为抗侧力体系的支撑来考虑的,斜柱不参与剪力调整,仅将直柱承担的剪力调整。这样,增大了直柱和与之相连的梁的负担,是不经济的。另一方面,对斜柱来讲,不乘以内力调整系数,又不像直柱一样乘以

33、内力放大系数,尤其是底层,这必然会造成结构的不安全。工程实例表明,这一影响非常大,有时可使梁、柱地震内力相差50%,既浪费又不安全。设计人员应注意这一问题,同时希望结构设计软件能尽快考虑这一问题。(4)斜柱的地震剪力调整问题。多、高层房屋结构的分析和设计计算(5)超高层钢结构的钢柱轴压比宜接近。主要是解决钢构件差异弹性压缩问题,虽然每一层差别不大,但累计量往往还是不能忽略的。假设某建筑物高H=100m,钢柱采用Q345钢材,如果两个柱的底层轴压比相差0.4,且沿全高截面不变,则沿全高平均应力差约为3000.4/2=60N/mm2,两个柱子的弹性压缩差值约为H/E=10000060/206000

34、=29mm,已经不是可以忽略的量级了,虽然可以在加工和安装时考虑这一因素,但由于施工加载是逐步完成的,可能会产生较大的类似支座沉陷引起的附加内力。因此最好在设计时加以考虑,合理调整柱截面,使其轴压比尽量接近。多、高层房屋结构的分析和设计计算1.2 结构设计要注意的问题(1)如果未经计算分析,结构主构件的截面不能随意代换。在设计过程中或在钢结构加工过程中,由于现有型材规格与原设计往往有出入,或者是设计人员单纯为了提高“安全储备”,经常提出以大代小的要求,而且许多设计人员也认为,只要构件截面比原来的大,就更安全,都可以代换,无需验算。这么做,对代换构件本身来讲,有时可能没有问题,但考虑到对结构的周

35、边影响,则存在设计概念上的错误。在结构抗震设计中,特别强调的一点就是强柱弱梁的设计原则,如果将梁用更大的截面代换,尤其是进行大规模代换,就有可能变成弱柱强梁,使结构变得不安全。同时,把某个构件代换成较大截面,还会引起临近构件刚度比的变化,发生内力重分布,也可能使其它原本安全的构件变得不安全。规范规定的剪力墙墙段不能过长的要求也是这个道理。过长的墙段会使整体结构的刚度及内力的分布很不合理,也降低结构的延性,对结构抗震是非常不利的。多、高层房屋结构的分析和设计计算(2)柱、梁连接节点的设计。这是多高层钢结构设计中最重要的连接节点。有些观点认为连接应该与梁截面等强,这样做并没有安全问题,但会使构造和

36、加工制作很复杂,同时也不是必须的。柱梁连接应满足高层民用建筑钢结构技术规程的相关要求,在地震作用下,连接的焊缝或螺栓,既要在设计内力下满足承载力要求(第一阶段,小震),又要满足连接的Mu1.2Mp的要求(Mu为连接处的最小极限抵抗弯矩,Mp为截面的最大塑性抵抗弯矩),常称其为截面法设计(第二、三阶段,中震、大震)。在大震作用下,只要梁截面进入屈服状态,其塑性抵抗弯矩不会随着结构变形的增大而明显增加,因此连接处的弯矩就是塑性抵抗弯矩,不会超过连接处的极限抵抗弯矩而破坏,这就实现了中震可修、大震不倒的设计目标。震害分析表明,出现焊缝断裂现象,主要是焊缝质量问题产生的,当然,为了保证结构有足够的安全

37、度,适当加强节点的连接或有意削弱梁的某段截面,如采用狗骨式梁,也是有益的。多、高层房屋结构的分析和设计计算 当钢梁要承担一定的轴向力时,例如有钢支撑的框架,梁要平衡支撑力,因此会有较大的轴力,这时的节点设计就要考虑截面拉压与抗弯剪的复合受力状态,计算比较复杂。目前有些分析程序在梁的校核计算中不考虑轴力,有时可能很危险,设计人员一定要注意,这时对梁应按柱子的截面设计公式进行校核。至于大震作用下的截面法设计,简单的做法就是让各种单一受力状态都能满足截面法设计要求,这么做是偏于安全的。另外,柱-梁节点中,柱内在梁的翼缘处要设置隔板来保证梁的连续性,隔板至少应与梁翼缘等强。高层民用建筑钢结构技术规程(

38、JGJ9998)要求隔板与梁的翼缘等厚度,日本则规定隔板厚度应比梁翼缘厚度大24mm。但有时隔板与柱的连接焊缝的强度难以达到等强度传力的要求,因此在节点设计时一定要注意验算焊缝连接的强度。多、高层房屋结构的分析和设计计算(3)钢支撑的设计问题。钢支撑是高层钢结构的主要抗侧力体系,一般要做成拉压杆,而且对它的刚度要求更胜于强度。规程规定,拉压杆的长细比应小于90(235/fy)1/2,也就是对Q235是90,对Q345不足75,因此可以优先采用Q235钢材,既可有较大的长细比,又易于实现较高的延性要求;另外还可通过将支撑转向,使强轴在平面外,可使计算长度由原来轴线长度0.9倍减为0.7倍,同时可

39、在平面内设置防屈杆来进一步减小计算长度。如果支撑杆件采用高强螺栓连接,当进行大震的截面法设计时,螺栓抗剪系数建筑抗震设计规范规定是0.58高层民用钢结构技术规程是0.75,哈尔滨建筑大学的相关试验报告表明,一般这个系数大约是0.59,与日本的试验结果相同。因此取0.58是合适的,虽然螺杆处于复杂应力状态,但仍与理论公式fv=fy/3的结果相吻合,设计人员在设计时应注意这个问题。多、高层房屋结构的分析和设计计算(4)钢次梁简支在钢主梁上,连接节点的设计要考虑次梁端部次弯矩的影响。因为钢梁与混凝土梁不同,一般为H形截面,抗扭刚度可认为是零,次梁支座反力点可认为在主梁形心,反力R,即梁端剪力与到次梁

40、连接板焊缝形心或螺栓群形心的距离e 的乘积就是次弯矩M,它是一个只能由焊缝或螺栓承担的固定次弯矩,在连接设计时是必须考虑的。许多设计人员只考虑连接的抗剪,而未考虑次弯矩,也因此常常将连接节点设计得很不合理,产生很大的次弯矩,存在明显的安全隐患。举个例子说明,假设图2中,e=0.1m,R=30kN,a=0.1m。M=Re=3kNm,这个弯矩由螺栓承担,单个螺栓由弯矩作用产生的剪力为30kN,而由剪力产生的是15kN。由于这两个剪力是正交的,因此合力为33.5kN,这远大于不考虑“次弯矩”时的15kN。多、高层房屋结构的分析和设计计算2 2 钢结构设计的稳定问题钢结构设计的稳定问题2.1 梁端为刚

41、接的钢梁稳定问题。通常情况下,梁上有密铺楼板,因此上翼缘不存在稳定问题,跨中下翼缘一般也不存在稳定问题,但靠近支座处是梁的负弯矩区,下翼缘受压,可能存在稳定问题高层民用建筑钢结构技术规程8.5.4 条规定:抗震设防时,框架横梁下翼缘在距柱轴线1/81/10 梁跨处,应设置侧向支撑构件。2.2 柱子在楼层位置应有侧向钢梁保证其施工过程的稳定性。设计中可能会出现柱子有一个方向没有梁的连系,在使用阶段,由于有楼板的侧向约束,柱子的稳定是有保证的,但在施工阶段,楼板后做高层民用建筑钢结构技术规程建议相差不宜超过5层,而实际工程中这一差别往往超过10 层。这时应验算柱子的稳定,如果有问题,可以在没有梁的

42、方向设置一根次梁或临时支撑来保证其稳定。多、高层房屋结构的分析和设计计算2.3钢结构设计规范中对钢构件板件的宽厚比限值,是防止板件屈曲、保证构件全截面有效的构造保证,在某些工程中,如在转换层的位置,梁的腹板按这些要求设计,很难实现,且非常不经济。这时可以从防止腹板屈曲考虑,通过可靠的分析和论证,设置梁腹板的纵、横加劲肋来保证腹板不会屈曲。多、高层房屋结构的分析和设计计算3 3 其它问题其它问题3.1 钢结构的选材问题。由于对工程性质和环境缺乏了解或为了“节约”而选择不符合规范要求的低等级钢材,是不可行的,但如果选用了高级别的钢材,如本来用B级钢就满足规范要求,却要采用C级钢,或过高选用钢材的Z

43、向等级,造成经济上的浪费,也同样不可取。正确的做法是选用合适的钢材,做到既安全又经济。3.2 在钢框架-钢筋混凝土核心筒结构中,钢梁与钢筋混凝土核心筒宜铰接。一方面是核心筒的混凝土收缩与徐变以及地基沉陷与钢框架部分不一致,如果刚接,会产生较大的附加内力;另一方面刚接做法使剪力墙平面外受弯,对剪力墙受力不利,同时刚接做法构造复杂,施工也较为困难。多、高层房屋结构的分析和设计计算3.3 钢构件连接的传力要明确、可靠。钢构件连接的传力一般有焊缝传递、螺栓连接、刨光顶紧等几种,以线和面的传力形式为主,避免点式传力。图1(a)为钢梁直接搁置在钢管上,就是点式传力,这时一定要认真验算局压或改进节点构造,避

44、免不安全因素的出现,图1(b)就是改进后的构造。多、高层房屋结构的分析和设计计算图1 梁搁置在钢管柱上节点 多、高层房屋结构的分析和设计计算 3.4 型钢构件用于抗震结构,要注意板件宽厚比可能超过规范限值。一般的型钢构件是按非抗震要求来制造的,如果用于抗震结构,有时会不满足构造要求,尤其是Q345钢材,这一点在设计时一定要注意,具体要求可按建筑抗震设计规范的8.3.2 条执行。多、高层房屋结构的分析和设计计算3.5 钢材的设计强度、屈服强度与钢板厚度有关。钢板越厚,材料强度越低,最多可比标称值低20%以上,在设计时一定要加以考虑,尤其是采用国外通用分析软件,截面校验需要人工计算的情况更要注意。

45、3.6 梁的高强螺栓连接。经常出现需要等强连接的情况,高强螺栓数量可能要求很多,甚至排不下。这时,应首先分析一下,是必须按材料等强来连接,还是能承担设计内力,并在大震下按截面法进行连接的设计就满足要求。这种差别是很大的。通过安全性、经济性及工艺、安装等方面的综合分析,如果螺栓连接确有困难或不合适,可以考虑采用焊接方式。多、高层房屋结构的分析和设计计算3.7 焊缝的质量等级。建筑钢结构选择合适的焊缝质量等级是非常重要的,不恰当地提高焊缝的质量等级将提高工程造价且难以做到。在实际工程中,除大跨度重级工作制吊车梁的下翼缘对接,以及大跨度钢桥的受拉构件的对接要求一级焊缝外,一般都要求二级。对于角焊缝除了要求熔透的情况,其质量等级一般都用三级。但是设计要求全焊透的二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验。多、高层房屋结构的分析和设计计算