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1、,本章目录,基本要求,9.1 概述 9.2 高层钢结构的计算特点 9.3 压型钢板组合楼（屋)盖结构 9.4 构件及连接的设计特点,1了解多、高层钢结构的结构体系和特点及组合楼盖的设计。 2掌握高层钢结构的设计。,第9.1节 概述,1. 多、高层钢结构的特点 2. 高层建筑钢结构的结构体系,1 .了解多、高层钢结构的特点 2 .了解常用的高层建筑钢结构的结构体系,本节目录,基本要求,9.1.1 多、高层钢结构的特点,世界上第一幢高层钢结构是美国芝加哥的家庭保险公司大楼(10层，高55m)，建于1884年。20世纪开始，钢结构高层建筑在美国大量建成，最具代表性的有：l02层、高381m的纽约帝国
2、大厦(图9.1.1)110层、高411m的世界贸易中心目前世界上最高的钢结构建筑为110层、高443m的芝加哥西尔斯大厦(图9.1.2)。,图9.1.1,图9.1.2,我国现代高层建筑钢结构自80年代中期起步，第一幢高层建筑钢结构为43层、高165m的深圳发展中心大厦（图9.1.3）。此后，较具代表性有：44层、高144m的上海希尔顿饭店60层、高208m的北京京广中心81层、高325m的深圳地王大厦（图9.1.4）88层、高420.5m的金茂大厦1998年底，我国颁布高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ9998）。,图9.1.3,图9.1.4,图9.1.5 钢结构住宅,高层钢结构建筑的特点主要
3、表现在：(1)自重轻(2)抗震性能好(3)有效使用面积高 (4)建造速度快 (5)防火性能差,9.1.2 高层建筑钢结构的结构体系,常用的高层建筑钢结构的结构体系主要有：框架结构体系框架剪力墙结构体系框架支撑结构体系框架核心筒结构体系及筒体体系,(1)框架结构体系纯框架结构一般适用于层数30的高层钢结构，如图9.1.5。框架结构的平面布置灵活，可为建筑提供较大的室内空间，且结构各部分刚度比较均匀。框架结构有较大延性，自震周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好。但框架结构的侧向刚度小，由于侧向位移大，易引起非结构构件的破坏。,图9.1.5,(2)框架剪力墙结构体系在框架结构中布置一定数量的剪
4、力墙可以组成框架剪力墙结构体系，如图9.1.6。这种结构以剪力墙作为抗侧力结构，既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度，可用于4060层的高层钢结构。剪力墙按其材料和结构的形式可分为钢筋混凝土剪力墙、钢筋混凝土带缝剪力墙和钢板剪力墙等。,图9.1.6,(3)框架支撑结构体系框架支撑结构体系由沿竖向或横向布置的支撑桁架结构和框架构成，是高层建筑钢结构中应用最多的一种结构体系，一般适用于4060层的高层建筑。它的特点是框架与支撑系统协同工作，竖向支撑桁架起剪力墙的作用，承担大部分水平剪力。在罕遇地震中，若支撑系统破坏，尚可内力重分布由框架承担水平力，即所谓两道抗震设防。支撑应沿
5、房屋的两个方向布置，狭长形截面的建筑也可布置在短边。设计时可根据建筑物高度及水平力作用情况调整支撑的数量、刚度及形式。,支撑一般沿同一竖向柱距内连续布置，见图9.1.7(a)。这种布置方式层间刚度变化较均匀，适合地震区；当不考虑抗震时，若立面布置需要，亦可交错布置，图9.1.7(b)；在高度较大的建筑中，若支撑桁架的高宽比太大，为增加支撑桁架的宽度，亦可布置在几个跨间，图9.1.7(c)。,(4)框架核心筒结构体系若将框架剪力墙结构体系中的剪力墙结构设置于内筒的四周形成封闭的核心筒体，而外围钢框架柱柱网较密，就形成了框架核心筒体系，见图9.1.8。 这种结构形式近年来被大量采用，中心筒既可采用
6、钢结构亦可采用钢筋混凝土结构，核心筒体承担全部或大部分水平力及扭转力。楼面多采用钢梁、压型钢板与现浇混凝土组成的组合结构，与内外筒均有较好的连接，水平荷载将通过刚性楼面传递到核心筒。,图9.1.8,(5)筒体结构体系筒体结构是超高层建筑中受力性能较好的结构体系，适用于90层左右的高层钢结构建筑。筒体结构由内外两个筒体多个筒体结构组合而成，前者称筒中筒体系，见图9.1.9(a)，后者称束筒体系，见图9.1.9(b)。各个筒体共同抵抗水平力，具有很好的空间整体作用。,图9.1.9,第9.2节 高层钢结构的计算特点,1. 结构荷载 2. 结构设计,1.掌握高层钢结构的荷载及抗震设计 2.了解高层钢结
7、构的设计,本节目录,基本要求,9.2.1 结构荷载,高层钢结构多为超高层建筑，水平荷载较大是其设计的特点。水平荷载包括风荷载和地震荷载。,9.2.1.2 竖向荷载,竖向荷载主要是永久荷载(结构自重)和活荷载。这里，楼面和屋面活荷载以及雪荷载的标准值及其准永久性系数等，应按建筑结构荷载规范的有关条文取值。对某些未作具体规定的屋面或楼面活荷载如直升飞机平台荷载等，应根据高层建筑钢结构技术规程以及其他有关规定采用。,高层建筑中，活荷载值与永久荷载值相比不大，因而计算时，一般对楼面和屋面活荷载可不作最不利布置工况的选择，即按各跨满载简化计算。但当活荷载较大时，需将简化算得的框架梁的跨中弯矩计算值乘以1
8、.11.2的系数；梁端弯矩值乘以1.051.1的系数予以提高。,当施工中采用附墙塔、爬塔等对结构有影响的起重机械或其他设备时，在结构设计中应进行施工阶段验算。,9.2.1.2 风荷载,作用在高层建筑任意高度处的风荷载标准值 ，应按下式计算：,以上参数的取值，可按照建筑结构荷载规范或高层建筑钢结构技术规程的有关规定取用。,9.2.1.3 地震作用,(1)一般计算原则 采用两阶段设计法：第一阶段按多遇地震计算，第二阶段按罕遇地震计算,注意：当高层建筑主体结构顶部有突出的小体型建筑(如电梯机房等)时，应计入“鞭梢效应”。一般可根据小体型建筑作为独立体时的自振周期 与主体建筑的基本周期的比例，分别按下
9、列规定处理：（1）当 时，可假定主体建筑为等截面沿高度延伸至小体型建筑的顶部，以此计算风振系数。（2）当 时，其风振系数按风振理论进行计算。,第一阶段应考虑下列原则：通常情况下，应在结构的两个主轴方向分别计入水平地震作用，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；当有斜交抗侧力构件时，应分别计入各抗侧力构件方向的水平地震作用，质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应计入水平地震作用的扭转效应；按9度抗震设防的高层建筑钢结构，或者按8度和9度抗震设防的大跨度和长悬臂构件，应计入竖向地震作用。,(2)高层建筑钢结构的设计反应谱高层建筑钢结构的设计反应谱，取阻尼比为0.02，地震影响系数曲线
10、如图9.2.1所示。,值应根据近震、远震、场地类别及结构自振周期计算， 及特征用期 按表9.1和表9.2的规定采用。,系数 按下列公式确定：当 时，当 时，当 时，值不小于,当主要抗侧力构件为钢筋混凝土结构时，地震影响系数应按建筑抗震设计规范的有关规定采用。,(3)水平地震作用计算高层建筑钢结构的地震作用计算方法有：底部剪力法振型分解反应谱法时程分析法高层建筑钢结构应根据不同情况，分别采用不同的地震作用计算方法。,底部剪力法底部剪力法适用于高度不大于60m 且平面和竖向较规则的高层建筑。底部剪力法根据建筑物的总重力荷载计算结构底部的总剪力，然后按一定的比例分配到各楼层。得到各楼层的水平地震作用
11、后，即可按静力方法计算结构的内力。采用底部剪力法计算水平地震作用时，各楼层可仅按一个自由度计算，见图9.2.3。与结构的总水平地震作用等效的底部剪力标准值按照下式计算：,在质量沿高度分布基本均匀、刚度沿高度分布基本均匀或向上均匀减小的结构中，各层水平地震作用标准值按下式比例分配：顶部附加水平地震作用标准值为：,顶部附加地震作用系数；顶部附加水平地震作用；结构的基本自振周期；结构的基本自振周期，可按下列经验公式估算：或者，对于重量及刚度分布比较均匀的结构，可用下式近似计算： 结构顶层假想侧移（m)，即假想将结构各层的重力荷载作为楼层的集中水平力，按弹性静力方法计算得到的顶层侧移值。,计算周期修正
12、系数，可取 。,采用底部剪力法时，突出屋面小塔楼的地震作用效应宜乘以增大系数3。增大影响宜向下考虑12层，但不再往下传递。,振型分解反应谱法不符合底部剪力法适用条件的其他高层钢结构，宜采用振型分解反应谱法。对体型比较规则、简单，可不计扭转影响的结构，振型分解反应谱法仅考虑平移作用下的地震效应组合，沿主轴方向，结构第j振型第i质点的水平地震作用标准值，按下列公式计算：,在复杂体型或不能按平面结构假定进行计算时，应按空间协同工作或空间结构计算空间振型。,时程分析法竖向特别不规则的建筑及高度较大的建筑，宜采用时程分析法进行补充验算。采用时程分析法计算结构的地震反应时，应输入典型的地震波进行计算。场地
13、特征的地震加速度波不能少于4条，其中宜包括一条本地区历史上发生地震时的实测记录波。地震波的持续时间不宜过短，宜取1020s或更长。,9.2.2 结构设计,9.2.2.1 一般原则,(1)内力与位移一般采用弹性方法计算。对罕遇地震作用，采用弹塑性方法进行分析。(2)一般可假定楼面在自身平面内为绝对刚性。对于整体性较差、或楼面有大开孔、有较长外伸段或相邻层刚度有突变的面，宜采用楼板平面内的实际刚度（或者，按刚性楼面计算，但对所得结果进行调整）,(3)进行弹性分析时，宜考虑现浇钢筋混凝土楼板与钢梁的共同工作。当进行弹塑性分析时，由于楼板可能严重开裂，因此，不宜考虑楼板与钢梁的共同工作。在进行框架弹性
14、分析时，压型钢板组合楼盖中梁的惯性矩可取为：当两侧有楼板时，取1.5 ；当仅一侧有楼板时，取1.2 。 为钢梁的惯性矩。(4)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、无法划分成平面抗例力单元或为简体结构时，应采用空间结构计算模型。,(5)在计算结构的内力和位移时,一般不考虑梁的轴向变形，但应考虑梁、柱的剪切变形。当梁同时作为腰桁架或帽桁架的弦杆时，应计人轴力的影响。(6)钢框架剪力墙体系中,现浇竖向连续钢筋混凝土剪力墙的计算应计入墙的弯曲变形、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
15、计算；当具有复杂开孔时，宜采用平面有限元法计算。(7)柱间支撑两端应为刚性连接，但可按两端铰接连接计算。若采用偏心支撑，由于耗能梁段在大震时将首先屈服，计算时应取为单独单元。,9.2.2.2 内力与位移计算,高层建筑钢结构功能复杂、体型多样、受力复杂且杆件数量众多。因此，在进行结构的静、动力分析时，一般都应借助电子计算机来完成。若是在初设阶段进行截面的预估，也可参考有关资料和手册采用一些近似计算方法，如分层法、D值法、空间协同工作分析、等效角柱法、等效截面法以及展开平面框架法等。当进行高层钢结构的内力与位移分析时，尚应注意以下几个问题；,(1)高层建筑钢结构的梁、柱杆件一般采用H形和箱形，梁柱
16、连接节点城的剪切变形对内力的影响较小，计算时可以不考虑。,但是，此剪切变形对结构水平位移的影响较大，一般可达1020。因此，分析时应计入梁柱节点域剪切变形对高层建筑钢结构位移的影响。由于用精确方法计算比较困难，在工程设计中，可采用近似方法考虑其影响。即可将梁柱节点域当作一个单独的单元进行结构分析，也可按下列规定作近似计算：对于箱形截面柱框架，可将梁柱节点域当作刚域，刚域的尺寸取节点域尺寸的一半。,对工字形截面柱框架，可先按结构轴线尺寸进行分析，然后进行修正。,(2)高层建筑钢结构的P-效应较强，一般应验算结构的整体稳定性。但根据理论分折和实例计算，若将结构的层间位移限制在一定范围内，就能控制二阶效应对结构极限承载能力的影响。故钢结构设计规范规定，框架结构可采用一阶弹性分析，当满足下面的规定时，宜采用二阶弹性分析。,
