某建筑結構教材高層鋼結構設計經(jīng)典講義

1、第五章 高層鋼結構設計5.1 高層鋼結構的體系和布置 5.2 高層鋼結構的荷載及效應組合5.3 高層鋼結構的內力與位移分析5.4 高層鋼結構的構件及節(jié)點設計5.1 高層鋼結構的體系和布置 人口增長，住房緊張，地價昂貴，導致高層和超高層建筑迅速發(fā)展。 50層-100層-？一、高層鋼結構的特點 高層鋼結構的特點 結構性能的特點（和鋼筋混凝土相比） 自重輕 抗震性能良好 能更充分地利用建筑空間 建造速度快 防火性能較差 耐久性差高層鋼結構的特點 結構荷載的特點 水平荷載是設計控制荷載； 風荷載和地震荷載性質不同： 風荷載為直接施加在建筑物表面的風壓，其值與建筑物的體形、高度及地形地貌有關，高層鋼結構

2、一般屬于柔性建筑，自振周期較長，可能由于風振產生動力作用，可引入風振系數(shù)后按靜載簡化計算，風荷載作用時間長、頻率高，要求結構在風荷載作用下處于彈性階段； 地震荷載是地震時地面運動迫使結構發(fā)生振動時產生并作用于自身的慣性力，與建筑物質量、自振特性和場地土條件有關，其動力反應影響較大，必須按動力效應分析計算，“大震不倒、小震不壞”；高層鋼結構的特點 結構設計的特點 設計中要求更加注意對變形的控制，如頂點側移層間側移等； 設計中要求采用更準確和完善的設計方法，如考慮p-效應的非線性分析方法、罕遇地震的彈塑性時程分析方法；高層鋼結構的特點 結構體系的特點 結構體系：抗重力系統(tǒng)+抗水平側力系統(tǒng)； 為確保

3、結構整體工作，需設置水平剛性樓板； 柱腳應與基礎可靠嵌固；二、高層鋼結構體系 高層鋼結構體系 框架結構體系（梁、柱剛接）： 包括各層樓蓋平面內梁格系統(tǒng)和豎直平面內梁、柱組成的平面剛接框架體系； 結構體系的整體性取決于梁、柱的剛度、強度以及節(jié)點剛接構造的可靠性； 層數(shù)、層高和柱距是結構設計應該考慮的主要因素； 對30層左右的樓房較為合適。高層鋼結構體系 框架結構體系 水平荷載是剛接框架結構設計的控制荷載，水平荷載作用下，結構的變形由彎曲變形和剪切變形兩部分組成，后者可占總水平位移的80%。 優(yōu)點是建筑平面布置靈活，適用于各類建筑；缺點是側向剛度較差，在風荷載或地震荷載作用下，層間側移較大。高層鋼

4、結構體系 框架-剪力墻結構體系 剪力墻是承受水平剪力、控制結構水平側移的行之有效的結構措施； 剪力墻包括鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻及剛度較大的支撐；高層鋼結構體系 框架-剪力墻結構體系 在水平荷載作用下，框架受彎，剪力墻受剪，共同承受水平荷載作用； 框架-剪力墻結構適用于40層左右的高層鋼結構，結構高于40層時，應采取加強和改進措施，如在樓高度適當位置加設水平層桁架；高層鋼結構體系 外筒式結構體系 將幾何尺寸較大的外圈柱網(wǎng)組成能夠承受水平荷載的筒體，由該外筒體承受水平荷載，筒體內框架梁柱承受豎向荷載； 外筒可做成框架式筒或桁架式外筒，框架式外筒采用密排的柱和各層樓蓋處的梁剛接而成的密間距矩形

5、網(wǎng)格，四周成圈，形成懸臂筒，適合高度為80層；桁架式外筒通過在框架式外筒的基礎上設置支撐構件，增大筒體剛度，適合高度為100層。 剪力滯后現(xiàn)象；高層鋼結構體系 筒中筒結構體系 除外筒外，在結構體系內設置剪力墻式的內筒（核心筒）進一步提高結構抗側剛度，即為筒中筒結構體系。 樓蓋把外筒和內筒聯(lián)合為整體，共同承擔水平和豎向荷載，筒中筒體系的適合高度為100層左右。高層鋼結構體系 筒束結構體系 將多個筒體排列成整體，共同承擔結構的水平和豎向荷載，就形成了筒束結構體系，可以改善剪力滯后現(xiàn)象，適用高度為110-120層，采用桁架式筒束結構時，高度可達140層。高層鋼結構體系 鋼-混凝土組合結構體系 鋼外框

6、架-鋼筋混凝土核心筒體系 鋼筋混凝土外框筒-鋼內框架體系高層鋼結構體系 鋼外框架-鋼筋混凝土核心筒體系 鋼筋混凝土核心筒承受全部側向荷載，鋼外框架僅承受豎向荷載 優(yōu)點：鋼外框架不承受水平荷載，節(jié)點構造簡單，跨度大，建筑布置方便靈活；缺點：核心筒布置不靈活，側向剛度不夠大； 適用高度20-40層高層鋼結構種類 鋼筋混凝土外框筒-鋼內框架體系 鋼筋混凝土外筒承受全部側向荷載，鋼內框架僅承受豎向荷載 優(yōu)點：鋼內框架不承受水平荷載，節(jié)點構造簡單，跨度大，建筑布置方便靈活；混凝土外筒隔熱性能好，節(jié)能降耗。同時，鋼筋混凝土外筒抗扭剛度較大，故對結構外形不要求完全對稱，平面布置較為靈活。 適用高度50-80

7、層三、高層鋼結構的布置高層鋼結構的布置 結構平面布置 建筑平面及體型宜簡單規(guī)則：力求抗側力中心與水平荷載中心重合，減小結構扭轉效應；建筑開間、進深應盡量統(tǒng)一，減少構件規(guī)格，便于制作和安裝。 平面不規(guī)則的結構包括：任意一層結構偏心率大于0.15；結構平面形狀有凹角，凹角部分兩個方向的長度都超過建筑物尺寸的25%；樓面不連續(xù)或有剛度突變，如開洞面積超過該層總面積的50%；抗側力構件不平行也不對稱于抗側力體系的主軸。高層鋼結構的布置 結構平面布置 高層建筑宜選用風壓較小的平面形狀，風荷載計算時應考慮相鄰建筑的影響，應避免風荷載引起的橫向振動。 高層建筑宜優(yōu)先采用方形、圓形、矩形及其他對稱平面。 高層

8、建筑鋼結構不宜設置抗震縫或伸縮縫。 高層建筑鋼結構在平面布置中宜設置中心結構核心，樓梯、電梯、管道等宜設置于結構核心中，不宜設置在結構角部或端部。高層鋼結構的布置 結構豎向布置 高層鋼結構豎向布置應力求結構剛度和質量均勻，規(guī)則。 豎向布置不規(guī)則的情況包括：樓層剛度小于相鄰上層剛度的70%，且連續(xù)三層總的剛度降低超過50%；相鄰樓層有效質量之比超過1.5，輕屋蓋除外；立面收進部分尺寸較大時；豎向抗側力構件不連續(xù)；任一樓層抗側力構件總抗剪承載力小于相鄰上層的80%。高層鋼結構的布置 結構布置的其他要求 高層鋼結構的樓板必須有足夠的承載力、剛度和整體性，保證樓板與鋼梁的可靠連接。 對轉換樓層、設備、

9、管道洞口較多的樓層或建筑物有較大天井時，應采用水平剛性支撐、水平桁架或其他措施對樓板進行加強，增大結構抗扭剛度。 設防烈度為7度或以上時，各種幕墻與主體結構的連接應采用柔性連接，避免增大主體結構剛度。 室外的鋼結構構件，應采取隔熱和防火措施，減少溫度應力的影響。四、高層鋼結構的材料選用 高層鋼結構的材料選用 高層鋼結構鋼材力學性能保證項目 基本保證項目：抗拉強度，屈服點，伸長率，冷彎試驗，沖擊韌性，板厚方向斷面收縮率 抗震結構鋼材附加規(guī)定：強屈比=1.2，明顯的屈服臺階，伸長率20%，可焊性高層鋼結構的材料選用 化學成分保證項目 除對鋼材的一般要求外，還應將碳、硫、磷等3項化學成分作為保證項目

10、。 鋼材的選用 宜用：q235b、c、d，q345b、c、d、e 不宜用：q235a，q345a，q390(15mnv)，15mnvq(橋)，16mnq5.2 高層鋼結構的荷載及效應組合 1豎向荷載：按荷載規(guī)范的有關條文選取 2風荷載 3地震作用二、風荷載風荷載 基本風壓乘以1.1或1.2 風壓高度變化系數(shù) 風荷載體型系數(shù)按規(guī)范取值，并應考慮相鄰建筑的影響， h0=h/2時,增大系數(shù)d=2h,1.0，中間值內插，必要時進行風洞試驗 沿高度為等截面時，順風向風振系數(shù)按規(guī)范規(guī)定取值，頂部有小體型的突出部分（如電梯井、瞭望塔）時，確定風振系數(shù)時應考慮鞭梢效應。 圓筒形高層建筑鋼結構在風荷載作用下，可

11、能發(fā)生橫風向的渦流共振現(xiàn)象。三、地震作用地震作用 三水準，兩階段： 小震不壞，中震可修，大震不倒； 多遇地震作用下的承載力和變形驗算-底部剪力法/振型分解反應譜法/時程分析法； 罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算-時程分析法/推倒分析方法。地震作用 第一階段抗震設計的原則： 沿結構兩個主軸方向分別考慮水平地震作用，各方向的水平地震作用全部由該方向的抗側力構件承擔； 有斜交抗側力構件時，宜分別沿各抗側力構件方向考慮水平地震作用； 應考慮結構偏心引起的扭轉效應；地震作用 第一階段抗震設計的原則： 對8度及以上、平面特別不規(guī)則的高層鋼結構，宜按雙向水平地震同時作用進行抗震分析； 9度設防的高層鋼結構及8

12、度及以上高層鋼結構中的大跨度和長懸臂構件應考慮豎向地震作用； 高層鋼結構體型過于復雜，不能按平面結構分析時，可進行三維空間分析，并考慮結構空間振型及其耦連作用。地震作用 振型分解反應譜法 第一階段抗震設計 地震影響系數(shù) 重力荷載代表值 參與組合振型數(shù) 組合方式 基本周期的估算地震作用 時程分析法 彈性時程分析法/彈塑性時程分析法； 地震波應反映當?shù)貓龅靥匦裕瑢崪y地震波或人工模擬地震波； 地震波持時不宜過短，10-20s； 加速度峰值根據(jù)設防烈度取值，比例調整法和綜合調整法； 地震作用 時程分析法 時間步長不宜超過地震波卓越周期的1/10及0.02s，可按步長減半計算后結構反應無明顯變化的原則確

13、定； 高層鋼結構阻尼比：第一階段0.02，第二階段0.05； 高層鋼結構彈塑性時程分析應考慮p-效應對結構側移的影響；地震作用 時程分析法 高層鋼結構彈塑性時程分析可采用桿系模型或層間模型。 采用桿系模型時，梁柱恢復力模型可采用二折線，不考慮剛度退化，鋼筋混凝土剪力墻、核心筒等采用二折線或三折線，考慮剛度退化，鋼支撐和耗能連梁應按構件特性確定其恢復力模型； 采用層間模型時，可采用靜力彈塑性分析確定結構恢復力模型的骨架曲線，靜力彈塑性分析的水平力分布應與地震力分布一致或接近。四、荷載效應組合荷載效應組合0112()nggkqq kciqiqikisssr 不考慮地震的組合： 考慮地震的組合 0(

14、)ggeehehkevevkwwwkssssr 5.3高層鋼結構的內力與位移分析 一、一般原則和基本假定一般原則和基本假定 高層鋼結構內力及位移一般按彈性方法計算，并考慮各種抗側力結構協(xié)同工作，罕遇地震作用下允許結構進入彈塑性狀態(tài)，應進行彈塑性分析； 通常采用現(xiàn)澆組合樓蓋，可假定其在自身平面內為絕對剛性，相應地，在設計中應采取構造措施保證樓板剛度；一般原則和基本假定 樓板與鋼梁連接，在彈性分析中，考慮二者共同工作，在彈塑性分析中，樓板可能開裂，不宜按共同工作考慮； 高層鋼結構計算模型應按具體結構形式采用平面或空間模型；一般原則和基本假定 在內力和位移計算中，應考慮梁柱彎曲變形和柱軸向變形，梁軸

15、力一般較小，可不考慮梁的軸向變形，高層鋼結構梁柱構件長度一般較小，應考慮梁柱的剪切變形； 梁柱節(jié)點域剪切變形對結構內力影響較小，但對結構側移影響較大，應根據(jù)節(jié)點域剛度對結構側移進行修正；一般原則和基本假定 一般情況下，柱間支撐按兩端鉸接考慮，偏心支撐中的耗能梁段應取為單獨單元； 現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻可按獨立豎向懸臂彎曲構件考慮，剪力墻開孔較規(guī)則時，按帶剛域的框架考慮，開孔較為復雜時，可采用平面有限元法分析； 沿結構平面兩個主軸方向分別計算水平地震效應時，共有鋼柱內力應按提高30%計算。二、內力與位移的計算方法 內力與位移的計算方法 平面或空間的有限單元法：桿單元、梁單元、板單元 近似計算方法：

16、框架結構/框架-剪力墻結構/框筒結構三、整體穩(wěn)定驗算整體穩(wěn)定驗算180ynn0.12hvfuhf不驗算整體穩(wěn)定性的條件：結構各樓層的柱子平均長細比和平均軸壓比滿足：按一階線彈性計算的各樓層層間相對位移值整體穩(wěn)定驗算 整體穩(wěn)定的驗算方法 有支撐且u/h=1/1000的有支撐結構，可采用能反映p-效應的二階分析方法驗算；四、位移限值和舒適感驗算位移限值和舒適感驗算 位移限值 不考慮地震作用：1/500； 1/400 多遇地震作用：1/250 罕遇地震作用：1/70 舒適度驗算 高層鋼結構在水平脈動風作用下，其水平運動加速度應滿足居住舒適度的要求； 頂點加速度限值：公寓 0.2m/s2; 公共建筑

17、0.3m/s2; 順風向及橫風向頂點加速度計算公式5.4高層鋼結構的構件及節(jié)點設計 梁 軸心受壓柱 框架柱 中心支撐 偏心支撐梁 梁的抗彎強度； 梁的穩(wěn)定性； 梁的側向支撐點（塑性鉸區(qū)域）； 梁的局部穩(wěn)定性（一般區(qū)域和塑性鉸區(qū)域）； 多遇地震下的承載力驗算時，托柱梁內力增大系數(shù)1.5 。軸心受壓柱 軸心受壓柱的穩(wěn)定性； =120。框架柱 偏心受壓柱的強度和穩(wěn)定性； 框架柱的計算長度： 柱與上、下端匯交的梁的線剛度之和的比值決定框架柱計算長度，如有兩端鉸接柱，計算長度應乘以放大系數(shù) 1/hfnn框架柱 強柱弱梁驗算； 局部穩(wěn)定（板件寬厚比）； 梁柱連接處應設置與梁上下翼緣相對的加勁肋； 設防烈度

18、7度及以上，=60-80；設防烈度6度或不抗震，=120； 多遇地震下的承載力驗算時，與抗震墻相連的框架柱內力增大系數(shù)1.5。中心支撐 中心支撐可采用單斜桿、十字交叉斜桿、人字形或v形斜桿體系； 兩組不同方向的單斜桿及十字交叉斜桿可按拉桿設計； 局部穩(wěn)定性：板件寬厚比； 計算中心支撐桿件內力時，地震力應乘以增大系數(shù)：單斜桿/十字交叉斜桿1.3，人字形或v形斜桿體系1.5；中心支撐 多遇地震效應組合下，支撐斜桿穩(wěn)定性驗算：為循環(huán)荷載作用下強度設計值降低系數(shù)。pdnfa偏心支撐 偏心支撐應至少在一端與梁連接，其連接點偏離梁柱節(jié)點或相對方向的另一支撐與梁連接的節(jié)點，從而在支撐與柱之間或支撐與支撐之間形成耗能梁段，耗能梁段一般比支撐斜桿的承載