课件-多层钢结构设计.ppt

1、1第一节 多层钢结构体系优点、组成、类型第二节 需要考虑的主要灾害第三节 多层钢结构的设计思路第四节 多层钢结构的关键设计第五节 存在问题23组成 钢柱抗侧、承受竖向荷载 钢梁承受楼板荷载 节点传递荷载、控制侧移、抗侧 支撑抗侧类型 柱支撑体系 纯框架体系 框架支撑体系4柱支撑体系 梁柱铰接节点 纵向和横向均有柱间支撑 空间刚度及抗侧力均由支撑提供 适用于柱距不大、双向支撑不影响空间流动 设计、制作、安装简单 抗侧刚度大，用钢量小5柱支撑体系6纯框架体系纯框架体系 纵横两向均为刚接框架纵横两向均为刚接框架 其承载力及空间刚度由刚接框架提供其承载力及空间刚度由刚接框架提供 用于柱距较大，无法设置

2、支撑的建筑物用于柱距较大，无法设置支撑的建筑物 节点构造复杂，用钢量较多节点构造复杂，用钢量较多 空间利用大空间利用大7纯框架体系纯框架体系8框架支撑体系框架支撑体系 纵向为柱支撑体系，横向为纯框架体系纵向为柱支撑体系，横向为纯框架体系 利于空间流动，简化设计，降低用钢量利于空间流动，简化设计，降低用钢量 实际工程中多采用此种形式实际工程中多采用此种形式 多用于平面纵向较长，横向较短多用于平面纵向较长，横向较短9框架支撑体系框架支撑体系10布置原则布置原则（理解）（理解）柱网梁系布置合理；柱网梁系布置合理；节点形式简单、便于施工；节点形式简单、便于施工；采用平面刚性楼盖，楼盖主次梁平接构造；采

3、用平面刚性楼盖，楼盖主次梁平接构造；柱间支撑应不大于柱间支撑应不大于4 4L L（L L有支撑的柱间距）；有支撑的柱间距）；布置时应注意合理及均匀，避免及减少刚布置时应注意合理及均匀，避免及减少刚度中心的偏移。度中心的偏移。1112火灾钢结构的材料特性钢结构建筑均具有的普遍性地震-与一般荷载有何不同？构件抗侧：刚性节点、支撑（小震）材料延性：大变形、塑性（大震）设计界、学术界面临的最大矛盾！？解决方法：随机统计力学S-荷载效应R-构件控制截面抗力 -抗力抗震调整系数，1.013RERSRE1、荷载效应 恒载（永久荷载）建筑物自重，分项系数取1.2；楼盖上的永久设备荷载，分项系数取1.2；注意：

4、当恒载在荷载组合中为有利作用，分项系数取1.0。14 活载（可变荷载）雪荷载，分项系数取1.4；积灰荷载，分项系数取1.4；楼层活载，分项系数取1.4（Q4 1.3）；风荷载，风载标准值，分项系数取1.4；15001.2kZSZZSZwww 基本风压；风压高度变化系数；风载体型系数；风振系数 地震作用：结构本身质量对结构体产生地震作用，主要有两种：1）水平地震作用：内力组合中重要的作用2）竖向地震作用：大跨度或大悬臂构件161）水平地震作用：规则结构，采用平面计算模型；平面不规则，应采用空间计算模型；刚度中心与重心有较大偏差，应考虑扭转17荷载效应S（内力）组合 用活载计算荷载效应 不考虑地震

5、设计：按荷载规范折减，确定最不利组合；考虑地震设计，采用考虑地震作用荷载组合的重力荷载代表值进行计算。18 不考虑地震作用效应的基本组合19()()()()()GGkL LLLSSAAwwSC GC QC QC QC Q 恒楼层活雪灰风 考虑地震作用效应的基本组合 确定地震作用时的重力荷载代表值?20()0.5()0.5()()()EkSALKTGGQQKQG恒雪灰活吊车荷载考虑地震作用效应，其总效应21()()()()EGGEEhEhhkEvEhvkwwwwSC GC EC EC Q 重力荷载代表值水平地震作用竖向地震作用风2、内力计算一、一般规定二、柱支撑框架体系水平荷载下近似计算方法三、

6、多层钢结构的梁四、多层钢结构的柱五、多层钢结构的支撑22一、一般规定 平面的规则性：地震作用计算时，宜将重量集中于各楼层的计算模型，同时按不同的维护结构考虑其自振周期的折减系数 具体计算方法：竖向荷载作用下的内力效应可以近似的分层法计算；水平荷载作用下的内力效应可采用半刚架、改进反弯点法（D值法）等近似方法计算23一、一般规定 多层框架在风荷载作用下，顶点的横向水平位移（标准值）不宜大于 （H为框架柱总高），层间相对位移不宜大于 （h为层高），对无隔墙的多层框架，可以不验算其层间位移。按多遇地震进行抗震设计时，多层框架的层间侧移（标准值）不应大于层高的1/25024/500H/400h思考：（

7、1）为什么计算结构自振周期？（2）如何计算结构自振周期？（3）结构基本周期、结构自振周期与设计特征周期、场地卓越周期的区别？（4）结构自振周期是否会变化？（5）钢结构自振周期与混凝土结构有何不同？25二、柱支撑框架体系水平荷载下近似计算方法 先计算出在水平荷载作用下，支撑（承担剪力）的剪力分配系数。用水平荷载，乘以剪力分配系数，可求得每楼每层各柱间支撑所承担的剪力，并可求得支撑杆的内力。按结构力学的桁架计算方法，可以求得柱在水平荷载作用下的内力。26三、多层钢结构的梁1、截面形式27三、多层钢结构的梁2、梁的计算按梁最不利截面计算确定；构件验算后需要调整截面，调整后截面惯性矩与原假定的惯性矩相

8、差大于30时，宜对原框架计算内力亦进行相应的调整。对于楼板为钢铺板的框架梁，当不直接承受动力荷载时，可考虑按塑性设计要求验算截面。计算梁的挠度，可将梁上翼缘每侧15t（板厚）宽度的铺板计入梁的截面惯性矩。28四、多层钢结构的柱1、截面形式 轧制、焊接H型钢 十字焊接型钢：适用于有较高的刚度要求 方钢管、圆钢管：荷载、柱高较大；外观29四、多层钢结构的柱2、柱的计算 框架柱应按两个主轴方向分别进行强度及稳定的验算。若采用板材厚度超过60mm（Q235）或36mm（Q345）（重型钢结构），材料除要考虑力学的指标，还要考虑防止分层。30五、多层钢结构的支撑1、支撑的布置与形式原则：承受各方向的水平

9、荷载 保证结构的整体稳定及安装过程中的局部、整体稳定。多布置在框架的纵向与横向，并应与主轴对称31五、多层钢结构的支撑1、支撑的布置与形式32五、多层钢结构的支撑1、支撑的布置与形式 沿高度布置应从上到下贯通 主要形式：X形支撑、K形支撑、华伦式桁架33钢结构建筑由较为理想的材料构件组合而成 构件：稳定问题；节点：承载能力问题；（该问题与高层钢结构相同）34一、连接的一般规定 一般连接有三种：焊接、摩擦型高强螺栓和栓焊混合连接35一、连接的一般规定 一般连接有三种：对于栓焊混合连接，螺栓部分的承载力应考虑先栓后焊的温度影响乘以折减系数0.9。对于节点连接中将同一力传至同一连接件上时，不允许同时

10、采用两种方法连接（比如又栓又焊）36一、连接的一般规定 节点焊接应满足的下列要求：A、全熔透焊缝，其焊缝质量检验应符合一级或二级质量要求。要求与母材等强的焊接连接或拼接。框架节点塑性区段的焊接连接B、焊缝金属应与母材强度相匹配：Q235E43焊条或焊丝 Q345E50焊条或焊丝 不同强度材料焊接时，应按强度较低的钢材选用37一、连接的一般规定 节点焊接应满足的下列要求：C、应充分考虑施工净空和条件，对与高空施工条件困难的现场焊缝，其承载力应乘以折减系数0.9。对较重要的或受力较复杂的节点，当按所传内力（不是按与母材等强）进行连接设计时，宜使连接的承载力留有1015的裕度。38一、连接的一般规定

11、 多层框架结构体系中的梁柱节点及柱脚节点均应设计为刚接节点；柱支撑结构体系中的梁柱连接节点可设计为铰接节点柱脚应考虑安装时稳定而具有一定的刚接抗弯性能。39一、连接的一般规定 框架承重构件的现场拼接均应为等强拼接（用摩擦型高强螺栓连接或焊接连接）柱段高度h1一般按3层一段考虑，拼接点高度h2宜按主梁顶面以上1.01.3m考虑多层框架梁柱及支撑的安装单元划分40一、连接的一般规定 对8度及9度抗震设防区的多层框架，其梁柱节点及连接还要进行节点塑性区段的校核：梁端或柱端由构件端面算起1/10跨长或2倍截面高度范围A、节点连接的极限承载力不应小于所连接构件（梁、柱、支撑）截面塑性承载力的1.2倍（抗

12、弯承载力）及1.3倍（抗剪承载力）。B、塑性区段的构件板截面宽厚比及受弯构件侧向支撑点区段的长细比均应符合钢结构规范的要求。41二、梁柱节点 梁柱节点有铰接、半刚性连接或刚性连接42二、梁柱节点 梁柱节点有铰接、半刚性连接或刚性连接43441）梁要加工）梁要加工准确；准确；2）有仰焊）有仰焊451）T型加劲板型加劲板的高度要大于的高度要大于横梁高度横梁高度；2）与柱翼缘）与柱翼缘连接刚度稍大连接刚度稍大46肋板肋板下部板下部板二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式：梁与十字形截面柱连接 采用水平盖板和竖向板与梁连接 水平板传递弯矩，竖向板传递剪力 上水平板为楔形，与梁柱连接 下水平板与竖向板

13、先焊接在柱上起支托作用 截面对称，四个方向构造完全相同47二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式：方钢管柱与梁的节点连接 分为铰接、半刚性节点、刚接节点48梁柱节点试验49梁柱节点破坏特征5051u“强节点弱杆件”基本原则：在梁形成塑性铰前，梁柱连接的交界面处及节点域的抗弯能力必须大于框架的抗弯能力，防止在梁还未出现塑性铰时，交界面处或节点域发生脆性破坏塑性铰在梁上出现位置的强度应小于梁柱节点的强度常用设计法精确设计法52常用设计法梁端弯矩M(设计弯矩)全部由梁翼缘承担，梁端剪力V（设计剪力）全部由梁腹板承担精确设计法以梁翼缘和腹板按各自截面惯性矩分担作用于梁端的弯矩（设计弯矩），以梁翼缘承

14、担弯矩，并以腹板承担弯矩 和梁端全部剪力V（设计剪力）53从以上设计概念出发当栓焊混合连接时，梁翼缘与柱焊接，“常用设计法”比“精确设计法”偏于安全；当全焊连接时，梁腹板与柱连接，“常用设计法”偏于不安全。无论是“常用设计法”还是“精确设计法”，连接计算都是从梁端的设计内力出发，也就是说，这两种方法都不是“等强连接”，即，梁端弯矩和剪力不等于梁的全截面抗弯和抗剪承载力。54重要的两点：节点承载力问题：要使节点的承载力大于构件的承载力，就要以大于构件承载力的内力去设计它；显然，提高梁柱连接的交界面处及节点域的强度，也就相对降低了梁的强度；节点域稳定性问题：提高节点域的稳定性，将直接有利于结构的抗

15、侧（刚度、位移）和自振周期衰减。引申一个问题：材料的本构关系决定构件截面的刚度退化；构件的大变形决定了结构体系的刚度退化；前者是“材料非线性”，后者是“几何非线性”551）塑性铰位置外移狗骨头式562）强化节点573）扩大焊接孔及长槽型节点58节点域稳定3yvwccwccbbffthVthhM59节点域稳定60节点数值分析-ANSYS61节点抗震性能评价指标性问题 滞回性能间接得到耗能能力 抗侧刚度弹性极限 延性性能屈服位移和极限位移的比（延性比）以上各项需由一定数量的试验结果，统计规律性机理，提出力学关系，建立理论模型。以试验得到滞回曲线为主要结果62节点抗震性能滞回性能 力控制-力保持或递

16、增 位移控制-位移保持（但与疲劳不同）或递增 混合控制：在试件的屈服前力控制；屈服后以0.5,1.0,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 及12 倍的屈服位移进行位移控制；每级循环2次。当加载荷载降低到极限荷载85%时终止试验。63节点抗震性能评价指标性问题 滞回性能64节点抗震性能评价指标性问题 滞回曲线处理-求屈服位移、极限位移 通用屈服弯矩法；R.Park法及能量法三、柱的拼接 一般布置在反弯点区，避免大弯矩区 65四、柱脚 一般有两种：铰接、刚接 铰接：1）铰接框架脚66四、柱脚 铰接：2）完全铰接框架脚67四、柱脚 铰接：3）辊轴式铰支座6869四、柱脚 刚接：通用型70四、柱脚 刚接：格构式柱一般采用分离式柱脚，每个柱肢即是一个轴心受压的单独柱脚，柱肢压力由每个柱脚传给基础，弯矩由锚栓来传递，剪力由底板剪力块来传递。柱脚间由角钢构件连接711、梁、柱在室内的凸角问题；2、抗震设计中，截面考虑弹塑性，体系考虑弹性（水平荷载内力计算方法）；3、构件缺陷、连接缺陷等造成的体系随机缺陷对抗震性能的影响（包括：刚度退化、自振周期、破坏模式等）；4、随机动力模型，荷载激励模型，有限元本构方程，动力响应模型，静力恢复力通用模型，型钢双偏压相关曲线，构件平面内外稳定模型；5、防火保护、耐候防锈；6、建筑配套材料72