第四章 多层钢结构设计.ppt

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1、第四章 多层钢结构设计,4.1 多层钢结构体系 4.2 多层钢结构的荷载效应和组合 4.3 多层钢结构的内力分析 4.4 钢与混凝土组合板和组合梁 4.5 多层钢结构的连接 4.6 多层钢结构设计实例,4.1 多层钢结构体系,多层钢结构一般采用框架类结构体系，也称多层钢框架结构； 多层钢结构一般由柱、梁、楼盖结构、支撑结构、墙板或墙架组成。 层数=10；高度=60m 受力特点：竖向力/侧向力,一、多层钢结构类型,多层钢结构类型,柱-支撑体系： 梁柱节点均为铰接，纵、横向沿柱高设置柱间支撑（抗侧力构件），适用于柱距不大但允许双向设置支撑的建筑物；设计安装简便，侧向刚度大，构件受力明确，耗钢量小；

2、 纯框架体系： 纵横两个方向均为刚接框架，适用于柱距较大但无法设置支撑的建筑物；节点构造较复杂，用钢量较大；,多层钢结构类型,框架-支撑体系： 纵向柱-支撑体系，横向为纯框架体系，一方面满足建筑功能要求，另一方面，简化设计、施工，减小用钢量。 框架-支撑组合体系 混合体系,二、多层钢结构布置原则,多层钢结构布置原则,柱网及梁系布置合理，纵、横向刚度均匀，构件传力明确、类型统一，节点构造简单，便于施工； 应采用平面刚性楼盖，保证空间整体刚度及空间协调工作； 横向框架为柱-支撑体系且采用平面刚性楼盖时，柱间支撑间距不大于4L； 钢柱及支撑沿竖向可以变截面，但应防止层间刚度突变； 柱-支撑体系刚度大

3、，用钢量省，条件允许时应优先选用；支撑布置应合理、均匀。,4.2 多层钢结构荷载效应和组合,荷载效应计算荷载效应组合,一、荷载效应计算,荷载效应计算,永久荷载：分项系数1.2 ；1.35 ；1.0 可变荷载：分项系数1.4 雪荷载 积灰荷载 楼面活荷载：=4.0kN/m2时，分项系数1.3 屋面活荷载 风荷载,荷载效应计算,偶然荷载：地震荷载 水平地震作用（内力组合中起主要作用） 多遇地震（应）：承载力及变形验算；振型分解反应谱法/弹性时程分析/底部剪力法 罕遇地震（宜）：弹塑性时程分析/静力弹塑性分析（pushover）,荷载效应计算,水平地震影响系数 振型数不少于3个，振型叠加采用平方和开

4、方（SRSS）或完全二次项（CQC） GE重力荷载代表值：GE=GK+0.5QS+0.5QA+kQL+GKT k=0/0.5/1.0,振型分解反应谱法典型公式,荷载效应计算,竖向地震作用（仅在计算多层框架内大跨度或大悬臂构件时考虑）,竖向地震作用系数v: 8度0.1/9度0.2,二、荷载效应组合,荷载效应组合,不考虑地震的组合,可变荷载控制：,永久荷载控制：,荷载效应组合,考虑地震的组合,4.3 多层钢结构的内力分析,一般规定 计算方法 多层钢结构的梁 多层钢结构的柱 多层钢结构的支撑,一、一般规定,一般规定,平面布置规则的多层框架，宜采用平面计算模型，平面不规则时，宜采用空间计算模型； 地震

5、作用效应分析时，结构及附属质量集中在各楼层，应按不同维护结构对自振周期折减（0.9/0.85/0.8），维护墙体只计质量不计刚度； 多层框架宜采用专门软件计算或手算；,一般规定,多层框架柱的计算长度H0=H 为计算长度系数， 根据上下端汇交的横梁与框架柱线刚度之比（k1=IB/L:IC/H，K2） 查表确定。 有侧移框架和无侧移框架,一般规定,风荷载作用下，=H/500/=h/400；多遇地震，=h/250； 框架梁与压型钢板组合楼板可靠连接时，框架梁截面中应计入混凝土楼板的作用，楼盖主梁I=2Is/其它I=1.5Is； 基本周期T1的估算（刚度沿高度分布均匀的钢框架）：,二、计算方法,计算方

6、法,精确方法： 矩阵位移法 有限元法 近似方法： 分层法（竖向荷载） 半刚架法、改进反弯点法（D值法）（水平荷载，框架） 悬臂铰接桁架（水平荷载，柱-支撑）,三、多层钢结构的梁,多层钢结构的梁,梁的截面形式 轧制或焊接H形钢 不对称H形钢 蜂窝梁截面,多层钢结构的梁,梁的设计 按受弯构件设计 应采用最不利截面的最不利组合内力进行梁截面验算，最不利截面一般在梁的两端、跨中或集中荷载作用点； 框架梁截面调整幅度较大（30%）时，应重新进行内力分析； 楼板为压型钢板组合楼板且与梁可靠连接，按钢-混凝土组合楼盖进行设计。,四、多层钢结构的柱,多层钢结构的柱,柱的截面形式 轧制或焊接H形钢 十字形截面

7、方钢管 圆钢管,多层钢结构的柱,钢柱的设计 钢柱为偏心受压构件； 钢柱应按两个主轴方向分别进行强度和稳定性验算； 对厚钢板（60,Q235；36，Q345）应考虑钢材沿厚度方向的性能，防止分层。,五、多层钢结构的支撑,多层钢结构的支撑,支撑的布置和形式 支撑布置原则：承受水平荷载，保证结构稳定性，避免过大的次应力和温度应力 平面布置：支撑应沿结构纵向和横向分别布置，最好沿结构主轴对称，如正方平面，支撑布置在房屋中央和四角；长方形平面，支撑布置在长边的两端和中部，沿横向多布，沿纵向少布。 沿高度布置：最好上下贯通，否则应至少搭接一层。 支撑形式：X形支撑/K形支撑/华伦氏支撑,多层钢结构的支撑,

8、支撑的计算： 一般按拉/压杆计算； 支撑承受水平剪力：实际水平荷载产生的层间剪力或 ；,多层钢结构的支撑,还要考虑竖向荷载引起的附加内力，受压交叉斜撑,交叉斜撑按拉杆设计时，不考虑附加内力，其连接应按荷载作用下的拉力和其临界压力设计。 支撑按内力设计时，端部的连接承载力宜按设计内力提高10%15%计算,4.4 钢与混凝土组合板和组合梁,钢与混凝土组合板 钢与混凝土组合梁,一、钢与混凝土组合板,压型钢板+钢筋混凝土,钢与混凝土组合板,设计原则 组合板的设计应考虑施工和使用两个阶段施工阶段：压型钢板为混凝土模板，应对其进行强度和变形验算；永久荷载（压型钢板及混凝土自重）+可变荷载（施工荷载及附加荷

9、载）使用阶段：在全部荷载作用下，对组合板或钢筋混凝土楼板（压型钢板仅用作模板，厚度hc）进行强度和变形验算,钢与混凝土组合板,压型钢板跨中变形v20mm时，确定混凝土自重时应考虑凹坑效应，厚度+0.7v或增设支撑 组合板有局部荷载时，有效宽度的确定抗弯计算：简支板 bem=bm+2lp(1-lp/l)；连续板 bem=bm+4lp(1-lp/l)/3抗剪计算： bem=bm+lp(1-lp/l)其中： bm=bp+2(hc+hf),钢与混凝土组合板,施工阶段计算压型钢板为混凝土模板，应对其进行强度和变形验算，可采用弹性分析方法，顺肋方向的正负弯矩和挠度均按单向板计算，不考虑垂直肋方向的正、负弯

10、矩。 使用阶段计算当hc=50-100mm时，可按以下规定设计：顺肋方向的正弯矩和挠度均按单向简支板计算，负弯矩按嵌固端考虑，不考虑垂直肋方向的正、负弯矩。,钢与混凝土组合板,组合板设计 施工阶段验算：压型钢板；强度和挠度及腹板局部屈曲承载力验算。 使用阶段设计：组合板；正截面抗弯承载力/抗冲剪承载力/斜截面抗剪承载力/负弯矩段的截面强度和裂缝宽度,钢与混凝土组合板,正截面抗弯承载力：塑性设计方法，假定截面受拉、受压区材料均达到强度设计值（折减0.8）Asffcmhcb时，塑性中和轴在压型钢板内，M=0.8(fcmhcby1+Ascfy2)；Asc=0.5(As-fcmhcb/f)；,钢与混凝

11、土组合板,抗冲剪承载力Vp=0.6ftcphc斜截面抗剪承载力Vc=0.07fcmbh0,钢与混凝土组合板,负弯矩段的截面强度和裂缝宽度按混凝土结构设计规范计算 组合板挠度分别按荷载短期效应组合和长期效应组合计算。,组合板构造要求,压型钢板净厚度=0.75mm，镀锌层厚度满足防腐要求； 浇注混凝土的槽（肋）宽=50mm；槽内设圆柱头焊钉连接件时压型钢板高=90mm，hc=50mm； 组合板端部必须内设圆柱头焊钉连接件，将压型钢板凹肋焊牢于钢梁上，圆柱头焊钉直径s=3m,13-16/s=3m-6m,16-19/s6m,19,钢与混凝土组合板,组合板在钢梁上支承长度=50mm 必要时组合板应配置钢

12、筋：附加抗拉钢筋/负弯矩区连续钢筋/集中荷载或孔洞周围分布钢筋/为改善防火的受拉钢筋 组合板负弯矩区裂缝宽度=0.3mm/0.2mm 抗裂钢筋/分布钢筋,二、组合梁设计,由钢梁及支承在其上的钢筋混凝土翼板构成 钢筋混凝土抗压/钢材抗拉/协同工作，充分发挥材料作用,组合梁设计,组合梁的分类 普通混凝土翼板组合梁 压型钢板组合梁 预制装配式混凝土板组合梁,组合梁设计,组合梁的优点 节约钢材，降低造价； 增大截面刚度，减小钢梁挠度； 减小结构高度及建筑物总高度； 增强结构整体性； 钢梁为组合板支撑，节约模板，缩短工期,组合梁设计,组合梁的缺点 耐火等级差； 需在钢梁上焊接连接件,4.5 多层钢结构的

13、连接,连接的一般规定 梁柱节点 柱的拼接节点 柱脚节点,一、连接的一般规定,连接的一般规定,焊接、高强螺栓连接或栓焊混合连接 栓焊混合连接仅可用于同一连接/不同部位 重要或复杂的节点，承载力提高10-15% 节点焊接的要求： 全熔透对接焊缝，一级/二级，等强 不同材料的焊接 焊接施工条件，空间/方位/位置，折减系数0.9,连接的一般规定,纯框架体系，梁柱节点及柱脚节点为刚接，柱支撑体系梁柱节点铰接，柱脚节点可为刚接 现场拼接应采用等强连接，拼接位置 8、9度抗震设防的多层框架，节点塑性区（L/10或2H)校核：承载力/刚度,二、梁柱节点,梁柱节点,铰接： 梁腹板与柱用高强螺栓连接 刚接： 梁腹板与柱用高强螺栓连接，梁翼缘与柱用高强螺栓或焊接连接； 半刚接：,梁柱节点,刚接连接 丁字形连接 通过宽翼缘T形钢连接 通过盖板和角钢连接 十字形柱截面水平盖板和竖向板连接 方钢管柱与梁的节点,三、柱的拼接节点,柱的拼接连接,拼接位置： 楼层半高；避开弯矩较大区域 焊缝传力 端部铣平传力 连接板传力 横向填板传力,四、柱脚节点,柱脚节点,铰接柱脚 刚接柱脚,