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1、2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系第三章多高层钢结构设计2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系内容提要3.1 轻钢结构概述轻钢结构概述3.2 轻型钢屋架设计轻型钢屋架设计3.3 钢管屋架设计钢管屋架设计2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系3.4 门式刚架结构设计3.5 金属拱形波纹屋盖2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.1多高层钢结构的特点与结构体系14.1.1 多高层钢结构的特点高层建筑发展的基本原因 a)经济的发展； b)城市人口增多； c)建设用地减少； d)地价上涨； e)建筑科技进步； f)轻质高强材料的应用。u高层建筑的发展简况城
2、市人口集中，用地紧张，以及商业竞争的激烈化，促使近代高层建筑的出现和发展。中国最早的高层建筑是一些寺、塔。2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.1多高层钢结构的特点与结构体系1国外高层建筑发展的3个阶段第一阶段，在19世纪中期之前，欧洲和美国一般只能建造6层左右的建筑。第二阶段，从19世纪中叶开始到20世纪50年代，世界上第一幢近代高层建筑是美国芝加哥的家庭保险公司大楼，11层，高55m，建于1884年。到19世纪末，高层建筑已突破100m大关。1931年在美国纽约曼哈顿建造的102层、高381m的著名的帝国大厦，它保持世界最高建筑记录达42年之久。第三阶段，从20世纪50年代到
3、现在，高层建筑已出现多种结构体系，如RC结构，S结构。2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系高层结构体系的发展过程高层结构体系的发展过程 始用年代始用年代 结构体系和特点结构体系和特点18851889190320世纪初世纪初二次大战后二次大战后20世纪世纪50年代年代20世纪六七十年世纪六七十年代代20世纪世纪80年代年代20世纪世纪80年代中年代中期期砖墙、铸铁柱、钢梁砖墙、铸铁柱、钢梁钢框柱钢框柱钢筋混凝土框架钢筋混凝土框架钢框架支撑钢框架支撑钢筋混凝土框架剪力墙、钢筋混凝土剪力墙、预制钢筋混凝土钢筋混凝土框架剪力墙、钢筋混凝土剪力墙、预制钢筋混凝土结构结构钢框架钢筋混凝土核芯筒
4、、钢骨钢筋混凝土结构钢框架钢筋混凝土核芯筒、钢骨钢筋混凝土结构框筒、筒中筒、束筒、悬挂结构、偏心支撑和带缝剪力墙板框架框筒、筒中筒、束筒、悬挂结构、偏心支撑和带缝剪力墙板框架巨型结构、应力蒙皮结构、隔震结构巨型结构、应力蒙皮结构、隔震结构被动耗能结构、主动控制结构、混合控制结构被动耗能结构、主动控制结构、混合控制结构2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.1多高层钢结构的特点与结构体系1我国多高层钢结构自20世纪80年代中期起步，随后在北京、上海、深圳、大连等地陆续建成大量多高层建筑钢结构。u多高层钢结构的特点自重轻抗震性能好有效使用面积高建造速度快防火、防腐性能差2024/9/1
5、6昆明理工大学 建工学院 土木系4.1多高层钢结构的特点与结构体系24.1.2. 多高层钢结构的结构体系1-框架体系2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.1多高层钢结构的特点与结构体系2-框架-剪力墙体系4.1.2. 多高层钢结构的结构体系22024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.1多高层钢结构的特点与结构体系2-框架-支撑结构体系4.1.2. 多高层钢结构的结构体系32024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.1多高层钢结构的特点与结构体系2-框架-筒体结构体系4.1.2. 多高层钢结构的结构体系42024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.1多高层
6、钢结构的特点与结构体系2-筒体结构体系西尔斯(Sears)大楼筒体变化图筒中筒结构4.1.2. 多高层钢结构的结构体系52024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.1多高层钢结构的特点与结构体系2-巨型框架体系4.1.2. 多高层钢结构的结构体系62024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系第四章 多高层钢结构设计4.2 多高层钢结构的计算特点多高层钢结构的计算特点2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点14.2.1 荷载1水平方向的风荷载和地震作用，对高层钢结构设计起着主要的控制作用2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高
7、层钢结构的计算特点21. 竖向荷载永久荷载（结构自重）可变荷载（楼面及屋面活荷载）注：相关荷载按建筑结构荷载规范（GB50009-2001)的有关条文取值。2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点32. 风荷载 -风压高度变化系数 -风荷载体型系数 -顺风向z高度处的风振系数注：相关系数按建筑结构荷载规范（GB50009-2001)和高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）的有关条文取值。式中， -任意高度处的风荷载标准值（kN/m2） -高层建筑基本风压（kN/m2）风荷载标准值 由下式计算基本风压基本风压：当地比较空旷平坦地：当地比较空旷平坦地面
8、上离地面上离地10m10m高统计所得的高统计所得的5050年年一遇一遇10min10min平均最大风速平均最大风速v v0 0为标为标准，按准，按v v0 02 2/1600/1600确定的风压值确定的风压值. .2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点43. 地震作用抗震设防烈度-按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度;-必须按国家规定的权限审批、颁发的文件（图件）确定;-设防范围6-9度抗震设防目标小震不坏、中震可修、大震不倒2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系阶阶阶阶 段段段段目目目目 标标标标烈烈烈烈 度度度度地震地震地
9、震地震作用作用作用作用性质性质性质性质受力状态受力状态受力状态受力状态验算内容验算内容验算内容验算内容第一第一第一第一阶段阶段阶段阶段小震不坏小震不坏小震不坏小震不坏（隐含中（隐含中（隐含中（隐含中震可修）震可修）震可修）震可修）多遇地震作多遇地震作多遇地震作多遇地震作用对应的烈用对应的烈用对应的烈用对应的烈度（小震）度（小震）度（小震）度（小震）可变可变可变可变作用作用作用作用弹性（部分弹性（部分弹性（部分弹性（部分弹塑性）弹塑性）弹塑性）弹塑性）构件的承载力和稳定构件的承载力和稳定构件的承载力和稳定构件的承载力和稳定结构的层间位移结构的层间位移结构的层间位移结构的层间位移第二第二第二第二阶
10、段阶段阶段阶段大震不倒大震不倒大震不倒大震不倒罕遇地震作罕遇地震作罕遇地震作罕遇地震作用对应的烈用对应的烈用对应的烈用对应的烈度（大震）度（大震）度（大震）度（大震）偶然偶然偶然偶然作用作用作用作用弹塑性弹塑性弹塑性弹塑性结构的层间位移及结构的层间位移及结构的层间位移及结构的层间位移及层间侧移延性比层间侧移延性比层间侧移延性比层间侧移延性比两阶段设计4.2 多高层钢结构的计算特点5 注：1）第一阶段为弹性分析，包括截面设计和变形计算；2）大部分建筑的第二阶段设计主要由概念设计和构造措施来保证。2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系三水准地震作用的标定4.2 多高层钢结构的计算特点6基
11、本假定基本假定n地震强度呈极值分布地震强度呈极值分布n烈度符合极值烈度符合极值III型型IImI0Isf(I)地震影响地震影响地震影响地震影响5050年超越概年超越概年超越概年超越概率率率率地震重现期地震重现期地震重现期地震重现期多遇地震对应的烈度多遇地震对应的烈度多遇地震对应的烈度多遇地震对应的烈度- -众值烈度众值烈度众值烈度众值烈度小震小震小震小震63.2%63.2%5050年年年年设防烈度设防烈度设防烈度设防烈度中震中震中震中震10%10%475475年年年年罕遇地震对应的烈度罕遇地震对应的烈度罕遇地震对应的烈度罕遇地震对应的烈度大震大震大震大震2-3%2-3%1642-2475164
12、2-2475年年年年Im=I0-1.55 Is80mH80m，7 7、8 8度度度度I I、II II类场地乙、丙类建筑类场地乙、丙类建筑类场地乙、丙类建筑类场地乙、丙类建筑H60mH60m，8 8度度度度IIIIII、IVIV类场地和类场地和类场地和类场地和9 9度乙、丙类建筑度乙、丙类建筑度乙、丙类建筑度乙、丙类建筑弹塑弹塑弹塑弹塑性性性性简化方法简化方法简化方法简化方法（略）（略）（略）（略）时程分析法时程分析法时程分析法时程分析法（略）（略）（略）（略）竖向竖向竖向竖向弹性弹性弹性弹性底部轴力法底部轴力法底部轴力法底部轴力法需考虑竖向地震作用的结构需考虑竖向地震作用的结构需考虑竖向地震
13、作用的结构需考虑竖向地震作用的结构2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点12计算模型集中质量模型n多高层房屋多高层房屋n无扭转无扭转n有扭转有扭转n单层厂房单层厂房n横向横向n纵向纵向2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点132）设计反应谱n地震影响系数曲线地震影响系数曲线图中，曲线下降段的衰减指数阻尼比1下降斜率调整系数2阻尼调整系数动力系数地震系数地震影响系数最大地震作用2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点14烈度烈度烈度烈度6 67 78 89 9多遇地震多遇地震多遇
14、地震多遇地震0.040.040.08(0.12)0.08(0.12) 0.16(0.24)0.16(0.24)0.320.32罕遇地震罕遇地震罕遇地震罕遇地震0.50(0.72)0.50(0.72) 0.90(1.20)0.90(1.20)1.401.40场地类别场地类别场地类别场地类别I III IIIIIIIIIVIV第一组第一组第一组第一组0.250.250.350.350.450.450.650.65第二组第二组第二组第二组0.300.300.400.400.550.550.750.75第三组第三组第三组第三组0.350.350.450.450.650.650.900.90特征周期 T
15、g（s）水平地震影响系数最大值max和Tg分别按下列表格取值2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点153）水平地震作用计算底部剪力法底部剪力法计算方法计算方法n底部剪力的计算底部剪力的计算n地震作用沿高度的分配地震作用沿高度的分配n顶部附加地震作用顶部附加地震作用 n突出屋面小建筑物突出屋面小建筑物Geq结构等效重力荷载代表值SDOF：Geq=G1MDOF： Geq=Sum ( Gi )* 或 Geq=Sum ( Gi )*HiFiFEkFnmHi2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点16振型分解反应谱法振型分解反
16、应谱法计算振型计算地震影响系数和振型参与系数计算振型地震作用计算振型地震效应振型组合a1ixg(t)ajianixi(t)2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点17时程分析法时程分析法竖向特别不规则的建筑高度较大的建筑采用时程分析法进行补充计算采用能反应当地场地特征的地震波不能少于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2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点184.2.2 结构计算1. 结构计算的一般原则结构计算可采用弹性方法计算。抗震设防结构尚应考虑罕遇
17、地震下的弹塑性计算；现浇组合楼盖可假设在其自身平面内绝对刚性；弹性分析时，宜考虑现浇楼盖与钢梁的共同工作，此时应保证楼板与钢梁间有可靠连接；弹塑性分析时，不宜考虑楼板与钢梁的共同工作；计算模型应视具体结构形式和计算内容确定，一般情况下可采用平面抗侧力结构的空间协同计算模型；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；2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点19高层建筑钢结构梁柱构件的跨高比较小，计算结构的内力和位移
18、时，除考虑梁、柱的弯曲变形和柱的轴向变形外，尚应计算梁、柱的剪切变形；钢框架剪力墙体系中，现浇剪力墙的计算按照钢筋混凝土结构设计，应记入墙的弯曲、剪切和轴向变形；柱间支撑两端应为刚性连接，但可按两端铰接连接计算，其端部连接的刚度通过支撑构件的计算长度加以考虑；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；钢框架支撑结构的斜杆可按端部铰接杆计算；框架部分按计算得到的地震剪力应乘以调整系数，达到不小于结构底部总地震剪力的25和框架部分地震剪力最大值倍两者中的较小者。中心支撑框架的斜杆轴线偏离梁柱轴线交点不超过支撑杆件的宽度时，仍可按中心支撑框架分析，但应计及由此产生的附加弯
19、距；人字形和V形支撑组合的内力设计值应乘以增大系数，可取。2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点202. 内力与位移计算 规范规定在进行内力及位移分析时可以采用较为精确的程序计算方法，规范规定在进行内力及位移分析时可以采用较为精确的程序计算方法，也可以采用近似的简化计算方法。也可以采用近似的简化计算方法。程序计算的基本方法矩阵位移法程序计算的基本方法矩阵位移法简化近似计算方法分层法、简化近似计算方法分层法、D D值法值法 采用近似计算方法计算高层钢结构的内力与位移时，尚应注意以下问题采用近似计算方法计算高层钢结构的内力与位移时，尚应注意以下问题 应考虑梁
20、柱节点域的剪切变形对侧移的影响；应考虑梁柱节点域的剪切变形对侧移的影响； 高层建筑钢结构的高层建筑钢结构的P-P-效应较强，一般应验算结构的整体稳定性。效应较强，一般应验算结构的整体稳定性。2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点21l l高层建筑钢结构的高层建筑钢结构的P-P-效应较强，一般应验算结构的整体稳定性。但同效应较强，一般应验算结构的整体稳定性。但同时符合下列条件时，可不验算结构的整体稳定。时符合下列条件时，可不验算结构的整体稳定。（1 1）结构各楼层柱的长细比和平均轴压比满足）结构各楼层柱的长细比和平均轴压比满足式中：m楼层柱的长细比；Nm楼
21、层柱的平均轴压力设计值；Npm楼层柱的平均全塑性轴压力；式中：fy钢材的屈服强度；Am柱截面面积的平均值；2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点22（2 2）结构按一阶线弹性计算所得的各楼层层间相对位移值满足）结构按一阶线弹性计算所得的各楼层层间相对位移值满足式中：u按一阶线弹性计算所得的层间位移；Fh计算楼层以上全部水平作用之和；对不符合以上两条件的高层建筑钢结构，需验算结构的整体稳定。Fv计算楼层以上全部竖向作用之和；2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点233. 承载力验算钢结构构件的承载能力应满足下列公式要
22、求：非抗震设计第一阶段抗震设计时式中：0结构重要性系数；S地震作用效应组合设计值；R结构构件承载力设计值；RE结构构件承载力的抗震调整系数；构件名称构件名称构件名称构件名称梁梁梁梁柱柱柱柱支撑支撑支撑支撑节点节点节点节点节点焊缝节点焊缝节点焊缝节点焊缝节点螺栓节点螺栓节点螺栓节点螺栓RERERERE0.800.800.850.850.900.900.900.901.01.01.01.0构件承载力抗震调整系数2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.2 多高层钢结构的计算特点244. 位移限制不考虑地震作用时，结构在风荷载作用下第一阶段抗震设计顶点侧移层间侧移层间侧移第二阶段抗震设计层
23、间侧移2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系第四章 多高层钢结构设计4.3 多层多跨框架设计多层多跨框架设计2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.3 多层多跨框架设计14.3.1 构件设计-框架梁设计梁的抗弯强度梁的抗剪强度梁的整体稳定梁的局部稳定-框架柱设计框架节点处实现强柱弱梁设计概念的计算要求2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.3 多层多跨框架设计2轴压比验算强度柱平面内、外稳定验算柱的局部稳定2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.3 多层多跨框架设计3中心支撑构件可用单斜杆、十字交叉斜杆、人字形或V形斜杆体系-中心支撑构件设计时应注
24、意1）在计算中心支撑斜杆内力时，地震力应乘以增大系数，单斜杆支撑和交叉支撑乘以，人字形支撑和V形支撑乘。2）在多遇地震作用组合下，支撑斜杆的抗压验算按下式进行：支撑斜杆宜采用双轴对称截面，当采用单轴对称截面时，宜防止出现绕截面对称屈曲。3）刚度：满足相关长细比的要求2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.3 多层多跨框架设计44.3.2 连接节点设计-节点设计的一般要求梁柱连接柱柱连接梁梁连接满足传力可靠、构造简单、具有抗震延性及施工方便的要求。非抗震设计，弹性受力阶段设计第一阶段抗震设计，弹性受力阶段设计第二阶段抗震设计，弹塑性受力阶段设计，按照结构抗震设计遵循的原则，节点的极限
25、承载力要高于构件本身的承载力。2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.3 多层多跨框架设计54.3.2 连接节点设计节点域稳定-节点计算节点域抗剪强度-节点设计的一般要求梁柱连接柱柱连接梁梁连接连接弹塑性设计2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系第四章 多高层钢结构设计4.4 组合楼盖设计组合楼盖设计2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.4 组合楼盖设计1-确定楼盖结构方案时，应考虑以下要求：-保证楼盖有足够的平面整体刚度-减轻结构的自重及减小结构层的高度-有利于现场安装方便及快速施工-钢结构常用楼盖做法-压型钢板组合楼板-预制楼板-叠合楼板-普通现浇楼板-
26、具有较好的防火、隔音性能，并便于管线的铺设2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.4 组合楼盖设计24.4.1 压型钢板的形式-闭口形槽口的压型钢板-开口形槽口的压型钢板，在其腹板翼缘上轧制凹凸形槽纹作为剪力连接件-开口形槽口的压型钢板，同时在它的翼缘上另焊横向钢筋，以增强抗剪切粘结能力4.4.2 组合板的极限状态-沿正截面弯曲破坏-沿混凝土与压型钢板界面纵向水平剪切破坏-沿斜截面剪切破坏-冲剪破坏2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.4 组合楼盖设计34.4.3 组合板的设计-施工阶段-使用阶段施工阶段的荷载内力计算截面承载力及挠度计算施工阶段的荷载内力计算截面承载
27、力及挠度计算（1）正截面抗弯承载力的计算 a)当 时，塑性中和轴在压型钢板顶面以上的混凝土内，组合板的抗弯承载力按下式计算2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.4 组合楼盖设计4（2）纵向抗剪计算b)当 时，塑性中和轴在压型钢板内，组合板的抗弯承载力按下式计算国内开口压型板的回归公式2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.4 组合楼盖设计5（3）斜截面抗剪承载力计算进口带齿或闭口型可采用美国Porter和Ekbery教授得出的回归公式：（4）抗冲剪计算（5）组合板的挠度（6）组合板的振动控制2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.4 组合楼盖设计64.4.
28、4 组合板的构造要求压型钢板的表面应有镀锌保护层压型钢板的净厚度不应小于；组合楼板截面的全高不应小于90mm，且压型钢板顶面至组合板顶面的高度不应小于50mm；组合板中的压型钢板在钢梁上的支承长度不应小于50mm，在钢筋混凝土梁或砌体上的支承长度不应小于75mm；组合板通过带头栓钉穿过压型钢板焊接于钢梁上或钢筋混凝土梁的预埋钢板上，栓钉的设置应符合下列构造要求：（1）跨度小于3米的组合板，栓钉直径宜为13mm或16mm；跨度36米的组合板，栓钉直径宜为16mm或19mm；跨度大于6米的组合板，栓钉直径宜为19mm；2024/9/16昆明理工大学 建工学院 土木系4.4 组合楼盖设计7（2）焊后栓钉长度应满足其高出压型钢板顶面30mm，且应设在支座处压型钢板的凹肋中穿透压型钢板焊牢在梁上。
