多高层建筑钢结构设计

多高层建筑钢结构设计小组成员：傅星宇马稳潘正宇王友明吴灵枢多高层建筑钢结构设计一、多高层钢结构的特点二、多高层框架钢结构体系三、多层钢结构房屋四、高层建筑钢结构抗侧力体系五、设计方法六、节点设计七、组合板设计八、钢与混凝土组合梁重点和难点1、多层钢框架结构体系的组成和设计方法2、组合梁、楼板、节点设计(1)自重轻:钢材材质均匀，强度高，因而结构构件截面小、自重轻，比钢筋混凝土结构可减轻自重1/3以上，从而减小地基基础的荷载和运输、吊装的费用。(2)抗震性能好:钢结构具有良好的延性和韧性，一般情况下，地震作用可减少40％左右。(3)增加建筑有效使用面积:钢结构构件截面小，可减结构占用空间面积，达到降低层高，增加使用面积的效果，比混凝土结构可增加建筑使用面积3％~4％。(4)建造速度快:钢结构构件，一般为T)--制作，现场安装，实施立体交叉作业，加快施工进度，比一般建设工期可缩短约1/4～1/3。(5)防火性能差:钢构件表面应做专门的防火涂料防护层。一、多高层建筑钢结构的特点1、结构的特点(1)荷载的特点:多、高层建筑随着高度的增加，结构上的控制荷载由竖向荷载变为水平荷载；地震区的地震作用比风荷载大得多。(2)内力特点:多、高层建筑，随着高度的增加，结构上的控制内力，由轴力起控制作用到弯矩起控制作用；结构的侧移随高度增加而迅速增加,故结构侧移成为重要的控制因素。(3)结构特点:随着高度增加，结构的抗侧力体系应改进和加强。2．设计特点二、结构体系常见类型：框架结构、框剪结构、筒体结构框架结构最早用于高层建筑柱距宜控制在6～9m范围内次梁间距一般以3～4m为宜纯框结构体系的特点:1.钢框架结构采用钢骨架和轻质围护结构自重轻,对地质条件要求低。2.结构构件标准,工厂化生产,现场安装,湿作业少施工占用场地少，速度快。3.用于住宅建筑可发挥钢结构延性好,塑性变形能力强抗震性好等优点,提高了住宅安全4.与传统钢混结构相比,能更好地满足大开间,灵活分隔的要求提高了建筑的使用面积率。5.结构各部分刚度分布比较均匀，构造简单框架结构的侧向刚度小，侧向位移大支撑框架体系结构体系的选择，不仅要从满足使用功能节约等考虑，更要取决于建筑的高度。建筑层数越多，高度越高，风力或地震力引起的侧向力就越大，建筑物必须有相应的刚度来抵抗侧向力。因此，随着建筑层数的不断增加，结构体系也就需要不断的发展。支撑框架体系又可分为框支结构和框剪框筒结构一.框支结构体系：在框架体系中，沿结构的纵横两个方向布置一定数量的支撑。在这种体系中，框架的布置原则和柱网尺寸，基本上与框架体系相同，支撑大多沿楼面中心部位服务面积的周围布置，沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接，形成一个支撑芯筒。二.框剪结构组成框架结构上设置适当的支撑或剪力墙亦可二者皆设置侧向位移模式在侧向荷载的作用下，纯框架结构：剪切变形模式抗剪结构：弯曲变形模式二者组合（框剪结构）：显著减少了纯框架结构的侧向位移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，可用于四十至六十层的高层钢结构；剪力墙数量应使框剪结构顶点位移满足规范限值。与剪力墙相连的梁端受力大，易产生塑性铰，可将梁刚度乘折减系数。用于地震区时，具有双重设防的优点框剪结构的特点钢筋混凝土结构:需采取构造措施钢板结构(8～9mm厚钢板)研究表明，在侧向刚度相同时，钢板剪力墙的框剪结构比框架结构用钢量少。剪力墙：框筒结构是筒体结构的一种结构布置（筒中筒）适用的建筑高度可超过90层（因横向刚度较大）结构特点：当钢筋混凝土墙沿服务性面积（如楼梯间、电梯间和卫生间）周围设置,就形成框架筒体结构体系这种结构体系在各个方向都具有较大的抗侧力刚度。结构受力1）内部设置剪力墙式的内筒，与钢框架竖向构件主要承受竖向荷载；2）外筒体采用密排框架柱和各层楼盖处的深梁刚接，形成一个悬臂筒，以承受侧向荷载；3）同时设置刚性楼面结构作为框筒的横隔。在框剪结构中，形成筒体的构面内存在的剪切变形，即为剪力滞后。为了避免严重的剪力滞后造成角柱的轴力过大，通常可采取两个措施：1）控制框筒平面的长宽比不宜过大2）加大框筒梁和柱的线刚度之比剪力滞后束筒结构由各筒体之间共用筒壁的一束筒状结构组成(减缓框筒结构的剪力滞后效应)可较灵活地组成平面形式钢筋混凝土筒体(常作为内筒出现)可将各筒体在不同的高度中止密柱深梁的钢结构筒体筒体结构种类结构体系非抗震设防抗震设防烈度钢结构框架-支撑（剪力墙板）各类筒体1102603601102203009020026050140180钢框架-混凝土剪力墙22018010070有混凝土剪力墙的钢结构220180150706,789框架钢框架-混凝土核心筒钢框筒-混凝土核心筒钢结构和有混凝土剪力墙的钢结构高层建筑的适用高度（m）芯筒体系亦称悬挂结构；打破了密柱深梁对建筑设计的桎梏；实现优势互补（充分发挥钢结构抗拉强度高和钢筋混凝土结构抗压性能好的优势）；通常设置一些称为帽桁架和腰桁架的水平桁架。支撑框筒结构或桁架筒体结构支撑系统覆盖了整个建筑物表面；是较框筒结构更为优越的抗侧力体系。抗侧力结构位置框筒结构布置时的注意事项框筒结构高宽比不宜小于4；（更好地发挥框筒的立体作用）内筒的边长不宜小于相应外框筒边长的1/3；框筒柱距一般为1.5～3.0m，且不宜大于层高；框筒的开洞面积不宜大于其总面积的50％；内外筒之间的进深一般控制在10～16m之间；内筒亦为框筒时，其柱距宜与外框筒柱距相同，且在每层楼盖处都设置钢梁将相应内外柱相连接；框筒结构布置时的注意事项（续）控制角柱截面积为非角柱的1.5～2.0倍；外框筒为矩形平面时，宜将其作成切角矩形；（以削减角柱应力）为提高内外筒的整体性能以及缓解剪力滞后，可设置帽桁架和腰桁架；腰桁架一般布置于设备层；帽桁架和腰桁架一般是由相互正交的两组桁架构成，等距满布于建筑物的横(纵)向。基础埋深的考虑敷设地下室；（补偿基础、增大结构抗侧倾能力）有抗震设防时，高层结构部分的基础埋深宜一致、不宜采用局部地下室；基础埋深：（从室外地坪或通长采光井底面到承台底部或基础底部的深度）1）采用天然地基时，不宜小于H／152）采用桩基时，不宜小于H／20H：室外地坪至屋顶檐口的高度当有可靠根据时，基础埋深可适当减小。室外地面标高至基础底面的距离高层建筑钢结构抗重力体系结构体系抗侧力体系竖向重力水平力抵抗抵抗高度大抗侧力体系结构体系的主要部分四、高层建筑钢结构之抗侧力体系抗侧力体系分类基本组成单元各类抗侧力体系水平变形特点实例做法应用范围一、抗侧力体系基本单元基本组成单元支撑桁架钢框架筒高层建筑钢结构（包括钢—砼组合结构）钢框架支撑桁架筒支撑桁架+框架密柱深梁钢砼剪力墙（密柱深梁）筒1-450×450外筒柱子2-450×450内柱3-带高强度螺栓的裙梁纽约市贸中心大厦外筒中心梁柱安装单元(支撑桁架+框架)筒(钢砼剪力墙)筒钢框架或钢筒支撑桁架钢框架筒支撑桁架钢框架筒钢框架体系基本单元的组合支撑桁架钢框架筒支撑桁架钢框架筒钢框架—支撑体系基本单元的组合支撑桁架钢框架筒支撑桁架钢框架筒钢框架—筒体系基本单元的组合支撑桁架钢框架筒支撑桁架钢框架筒大型支撑体系基本单元的组合支撑桁架钢框架筒支撑桁架钢框架筒支撑—筒体系基本单元的组合支撑桁架钢框架筒支撑桁架钢框架筒基本单元的组合筒束体系筒中筒体系抗侧力体系钢框架体系钢框架—支撑体系钢框架—筒体系大型支撑体系支撑—筒体系筒束体系筒中筒体系抗侧力体系钢框架体系钢框架—支撑体系钢框架—筒体系大型支撑体系支撑—筒体系筒束体系筒中筒体系二、钢框架体系1、做法把梁柱刚接成整体，形成空间杆系结构是最早出现、也是最基本的抗侧力体系2、特点A、平面布置比较灵活，可以获得大空间B、安装简单方便，造价相对较低C、应用于30层以内的高层建筑结构种类结构体系非抗震设防抗震设防烈度6、789钢结构钢框架1101109070框架-支撑（剪力墙板）260220200140各类筒体360300260180D、在水平力作用下，抗侧力刚度小，顶层位移大顶层水平位移层间水平位移由柱弯曲剪切变形引起层间水平位移由梁引起框架弯曲变形引起柱弯曲、剪切变形引起层间位移δicδic梁弯曲、剪切变形引起层间位移δigδig1/2hiθi1/2hiθi-1反弯点θiθi-1if边柱拉伸变形δif边柱压缩变形框架弯曲变形引起δif3、实例长富宫中心北京地上25层，地下2层,94m1987年建成2层以下和地下室为型钢砼结构,以上全部为钢框架结构结构钢材(日本钢材)柱及主梁:SM50A次梁及压型钢板:SS41高强度螺栓:F10T国名标准号钢号力学性能屈服点(MPa)抗拉强度(MPa)伸长率%冷弯试验试件厚度钢种日本JIS3106（1975）SM41245401~510241.0a低碳钢SM50323490~608221.5a低合金钢SM53363520~637191.5a低合金钢SM58460568~715201.5a低合金钢SS41245401~510261.5a低碳钢SS50284490~608192.0a低碳钢SS55401≥540172.0a低合金钢构件截面柱焊接箱型截面厚度42—19450╳450框架梁焊接H型截面宽度200—250梁高650翼缘板厚度32—19腹板厚度12次梁轧制H型钢楼板1.2mm压型钢板上浇混凝土楼板压型钢板支承于跨度小于3m的钢梁上三、钢框架—支撑体系1、做法把钢框架和支撑桁架共同组合，作为抗侧力体系2、特点A、平面布置比较灵活，不能获得大空间B、安装较为简单方便C、应用于30—60层的高层建筑D、抗侧力刚度比钢框架大结构种类结构体系非抗震设防抗震设防烈度6、789钢结构钢框架1101109070框架-支撑（剪力墙板）260220200140各类筒体360300260180剪切形抗弯钢架弯曲型(a)()()单榀支撑桁架的弯曲变形、剪切变形及组合变形撑系框架抗弯框架相互作用力(a)(b)撑系框架与无支撑框架间的相互作用(a)特性变形形状(b)由于相互作用产生的剪力变化框架楼板钢板独立支撑框架框架--支撑体系独立框架框架支撑体系的协同工作3、分类（两种分类方法）按支撑杆的设置方法轴交支撑支撑杆一端位于梁柱节点，另一端与另一支撑杆相交于框架梁或节点上偏交支撑支撑杆端点与梁柱节点之间（或）两支撑杆端点之间耗能梁段存在轴交支撑梁元单斜杆十字交叉斜杆柱元轴力杆元人字形杆元字形杆元字形杆元(a)(b)(c)(d)轴交支撑特点用于抗风或不太强的地震力当有强震作用时，会有如下严重后果A、地震反复作用下,两支撑杆会先后压屈,支撑抗侧力刚度降低C、往复的地震作用支撑斜杆会从受压的压屈状态受拉的拉伸状态支撑斜杆、节点、相邻构件中将产生很大附加应力结构受冲击作用D、地震反复作用下,两支撑杆会先后压屈后不能恢复（拉直）B、支撑的两侧柱子产生压缩变形和拉伸变形时，由于支撑的端点实际构造做法并非铰接，而导致支撑产生较大的附加内力及应力偏交支撑耗能梁段耗能梁段(a)(b)(c)(d)(e)偏心支撑类型（偏心支撑桁架）(a)门式架1；()门式架2；()单斜杆式；()人字形式；(e)字形式；偏交支撑特点用于地震烈度大的地区A、存在一小段耗能梁段B、地震作用时，耗能梁段先屈服，消耗地震能量，保护支撑杆耗能梁段的剪切屈服承载力支撑杆受压承载力a、耗能梁段的受弯承载力大于受剪承载力设计思路b、耗能梁段的设计剪力不超过剪力承载力的80%c、提高支撑杆的受压承载力，使其至少应为耗能梁段屈服时相应支撑轴力的1.6倍d、塑性铰应出现在梁而不是柱上按支撑桁架的设置位置框架—竖向支撑体系加劲的框架—竖向支撑体系框架—竖向支撑体系框架—竖向支撑体系每层设置支撑跨层设置支撑每层设置跨层设置杆件、节点数量多，费用高，传力路线长与上面相反，但杆件长加拿大国家银行大厦蒙特利尔地上31层，地下7层,127.08m1983年建成7层以下为钢砼结构,以上全部为钢框架—竖向支撑体系构件截面