多层及高层房屋钢框架结构

多层及高层房屋结构钢框架4.1多高层房屋结构的组成4.1.1多高层房屋结构的类别特点：侧向荷载效应的影响突出：风荷载、地震作用分类：框架结构、框剪结构、筒体结构图4.1结构类型(a)框架结构柱(b)框剪结构支撑或剪力墙(c)束筒结构束筒(c)筒中筒结构框筒内筒框架结构特点：1.平面布置较灵活，刚度分布均匀2.侧向刚度小，延性较大，自振周期较长，对地震作用不敏感，一般在不超过30层框剪结构特点：1.支撑或剪力墙，双重设防2.不超过4060层筒体结构特点：框筒结构1.框架形成的筒体结构，内筒及其它竖向构件主要承受竖向荷载，外层框架主要承受侧向荷载2.刚性楼面结构作为框筒的横隔3.剪力滞后造成角柱的轴力过大，两个措施：控制框筒平面的长宽比加大框筒梁和柱的线刚度之比4.适用的建筑高度可超过90层筒中筒结构1.减缓框筒结构的剪力滞后效应2.密柱深梁或钢筋混凝土内筒侧向位移模式（图4.2）：适用高度JGJ99-98)依据地震设防烈度划分：抗剪结构框剪结构框架结构zu图4.2侧向位移模式表4.1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)抗震设防烈度结构种类结构体系非抗震设防6，789钢结构框架框架支撑(剪力墙板)各类筒体1102603601102203009020026050140180钢框架混凝土剪力墙钢框架混凝土核心筒22018010070有混凝土剪力墙的钢结构钢框筒混凝土核心筒22018015070非抗震设防的多层(12层)钢结构房屋形式：1.纯采用框架结构或斜撑(或剪力墙)体系2.斜撑体系梁和柱的连接都可做成铰支即柔性连接图4.5多层房屋的抗侧力结构支撑架刚架(a)(b)抗震设防的多高层钢结构房屋形式：1.中心支撑体系，不超过12层中心支撑类型(a)十字交叉斜杆(b)单斜杆(c)人字形斜杆(d)K形斜杆(e)跨层跨柱设置2.偏心支撑体系，超过12层偏心支撑框架(a)门架式(b)单斜杆式(c)人字形(d)V字形耗能梁段4.1.2结构布置提要光滑曲线构成的凸平面形式：风载体型系数小采用中心对称或双轴对称的平面形式：减小或避免在风荷载作用下的扭转振动平面尺寸关系表4.2L，l，l，B的限值平面的长宽比凹凸部分的长宽比大洞口宽度比L/BL/Bmaxl/bl/BmaxB/Bmax541.510.5LBBBmaxLlBmaxLbBmaxl图4.6表4.2中诸几何尺寸示意BbLblBmax平面不规则结构结构竖向布置基础1.宜设地下室2.抗震设防基础埋深宜一致,不宜采用局部地下室3.基础埋深，天然地基不宜小于H/15，桩基时不宜小于H/204.采用钢筋混凝土剪力墙或框剪结构型式5.设置钢骨(型钢)混凝土的过渡层，一般为23层4.2楼盖的布置方案和设计4.2.1楼盖布置原则和方案楼盖结构作用1.直接承受竖向荷载并将其传递给竖向构件;2.横隔作用方案选择要求1.建筑设计;2.较小自重;3.便于施工;4.足够的整体刚度楼盖结构组成：楼板和梁系1.楼板现浇钢筋混凝土楼板、预制楼板、压型钢板组合楼板2.梁系由主梁和次梁组成结构体系包含框架时，一般以框架梁为主梁，次梁以主梁为支承(a)横向框架布置方案(b)双向框架布置方案框架布置方案主梁次梁剪力墙4.2.2压型钢板组合楼盖的设计布置方式：组合楼板一般以板肋平行于主梁的方式布置于次梁上，不设次梁时以板肋垂直于主梁的方式布置于主梁上。钢梁上翼缘通长设置抗剪连接件(栓钉)传递水平剪力(a)板肋垂直于主梁(b)板肋平行于主梁压型钢板组合楼盖现浇钢筋混凝土板压型钢板主梁现浇钢筋混凝土板压型钢板次梁栓钉连接件栓钉连接件主梁水平剪力的传递形式1.依靠压型钢板的纵向波槽；2.依靠压型钢板上的压痕、小洞或冲成的不闭合的孔眼；3.依靠压型钢板上焊接的横向钢筋；4.设置于端部的锚固件，其中端部锚固件要求在任何情形下都应当设置。压型钢板与混凝土的连接(b)(a)(c)(d)4.2.2.1组合楼板的设计楼板分类：组合板和非组合板组合楼板的设计不仅要考虑使用荷载，亦要考虑施工阶段荷载作用。如果压型钢板的跨中挠度w0大于20mm时，确定混凝土自重应考虑挠曲效应，在全跨增加混凝土厚度0.7w0，或增设临时支撑。施工阶段1.验算压型钢板进行强度和变形验算2.永久荷载包括压型钢板、钢筋和混凝土的自重；可变荷载包括施工荷载和附加荷载。当有过量冲击、混凝土堆放、管线和泵的荷载时，应增加附加荷载。3.验算采用弹性方法，单向板xxxx轴使用阶段1.非组合板压型钢板仅作为模板使用，不考虑其承载作用，可按常规钢筋混凝土楼板设计。无须防火。2.组合板a.荷载：永久荷载和使用阶段的可变荷载b.验算内容：强度和变形c.变形验算的力学模型：单向弯曲简支板d.承载力验算的力学模型：按压型钢板上混凝土的厚薄而分别取双向弯曲板或单向弯曲板验算包括：正截面抗弯承载力、抗冲剪承载力和斜截面抗剪承载力4.2.2.2组合梁的设计翼板的计算厚度1.普通钢筋混凝土翼板取原厚度h02.带压型钢板的混凝土翼板取压型钢板顶面以上混凝土厚度hc翼板的有效宽度bce，按钢结构设计规范bce=b0+bc1+bc2式中b0为钢梁上翼缘宽度；bc1，bc2各取梁跨度l的1/6和翼缘板厚度hc的6倍中的较小值。bc1尚不应超过混凝土翼板实际外伸长度s1，bc2不应超过净距S0的1/2；对于中间梁，bc1=bc2组合梁混凝土翼板的有效宽度(a)Afbcehcfcm(塑性中和轴在混凝土受压翼板内)(b)Afbcehcfcm(塑性中和轴在钢梁截面内)正弯矩时组合梁横截面抗弯承载力计算图2.负弯矩作用时MMp+Asfsy(y3+/y4/2)负弯矩时组合梁横截面抗弯承载力计算图y3y4组合梁塑性中和轴钢梁塑性中和轴AsfffsyM组合梁的组合梁的受剪承载力验算全部剪力由钢梁腹板承受：Vhwtwfv组合梁栓钉连接件验算剪跨区：沿组合梁跨长，以支座点、弯矩极值点和零点为界线划分组合梁剪跨区段划分栓钉连接件总数nn=V/NvsV是剪跨区内混凝土与钢梁叠合面上的纵向剪力：1.正弯矩区剪跨段(图中剪跨段1，2和5)V=Af(塑性中和轴位于混凝土翼板内)V=bcehcfcm(塑性中和轴位于钢梁截面内)2.负弯矩区剪跨段(图中剪跨段3和4)V=Asfsy栓钉分布：1.一般均匀分布2.有较大集中力时，按各分剪力区段的剪力图面积分配，然后各自均匀分布集中力作用时栓钉连接件的布置抗剪连接键的设置受构造等原因的影响不能满足计算要求时，可采用部分抗剪连接设计法，按《钢结构设计规范》的规定计算。4.3柱和支撑的设计4.3.1框架柱设计概要柱截面形式:箱形、焊接工字形、H型钢、圆管等截面估计：按1.2N的轴心受压构件，34层作一次截面变化，厚度不宜超过100mm板件宽厚比，见下表长细比：多层(12层)框架柱在68度设防时不应大于120，9度设防时不应大于100。高层(12层)框架柱在设防烈度为6，7以及8和9度时，分别为120，80以及60板件宽厚比和构件长细比在钢材屈服点不是235N/mm2时，应乘以y235/f《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98)规定：计算在重力和风力或多遇地震荷载作用组合下的稳定性时，如果层间位移标准值不超过层高的1/250，则带支撑(或剪力墙)框架柱的计算长度系数可取为=1.0；层间位移标准值不超过层高的1/1000时，纯框架柱的计算长度系数亦可由吴侧移公式计算确定。GB50017对有支撑框架分为强支撑框架和弱支撑框架。4.3.2柱与梁的连接常见形式：刚性连接做法：1.完全焊接2.完全栓接3.栓焊混合(a)(b)(c)梁与柱的刚性连接改进形式完全焊接1.骨形连接（Dogbone）2.梁端部加腋3.悬臂梁段塑性铰所在截面塑性铰所在截面(a)骨形连接(b)加腋连接改进的节点构造柔性连接形式：1.连接角钢2.端板3.支托梁与柱的柔性连接半刚性连接：1.端板高强螺栓连接方式2.上、下角钢和高强螺栓方式(a)(b)(c)梁和柱的半刚性连接4.3.3水平支撑布置类型：横向水平支撑、纵向水平支撑作用：1.临时水平支撑：为建造和安装的安全而设置，在施工完毕后拆除；2.永久水平支撑：水平构件(如楼盖或屋盖构件)不能构成水平刚度大的隔板时设置形式：平面桁架水平支撑布置横向水平支撑纵向水平支撑横向垂直支撑纵向垂直支撑21214.3.4竖向支撑设计构成：通常为贯通整个建筑物高度的平面桁架形式，通过在两根柱构件间设置一系列斜腹杆构成分类：竖向中心支撑、竖向偏心支撑布置：可以在建筑物纵向的一部分柱间布置，也可以在横向或纵横两向布置；其在平面上的位置既可沿外墙布置，也可沿内墙布置4.3.4.1中心支撑形式：1.十字交叉斜杆(图a)，单斜杆(图b)，人字形斜杆(或V形斜杆，图c)或K形斜杆(图d)体系2.抗震设防的结构不得采用K形斜杆体系3.支撑体系都可以跨层跨柱设置中心支撑类型(a)十字交叉斜杆(b)单斜杆(c)人字形斜杆(d)K形斜杆(e)跨层跨柱设置长细比：1.非抗震设防结构：受拉的杆件长细比不应大于300，受拉、受压杆件的长细比不应大于1502.抗震设防结构：中心支撑杆件长细比限值类型6，7度8度9度按压杆设计150120120多层(12层)按拉杆设计200150150高层(12层)1209060板件宽厚比：1.6度抗震设防和非抗震设防：按《钢结构设计规范》(GB50017)2.抗震设防结构：中心支撑板件宽厚比限值多层(12层)高层(12层)板件名称7度8度9度6度7度8度9度翼缘外伸部分131199887工字形截面腹板33302725232321箱形截面腹板31282523212119圆管外径与壁厚比42404038截面形式：1.双轴对称截面2.单轴对称截面，采取防止绕对称轴屈曲的构造措施P-效应导致的附加效应：1.在重力和水平力下，承受水平荷载引起的剪力外，还承受水平位移和重力荷载产生的附加弯曲效应，楼层附加剪力为：1.2(4.25)iiiiuVGh人字形和V形支撑尚应考虑支撑跨梁传来的楼面垂直荷载。2.十字交叉支撑，人字形支撑和V形支撑的斜杆，应计入柱在重力下的弹性压缩变形在斜杆中引起的附加压应力：对十字交叉支撑的斜杆232(4.26)2cbrbrbrbrbrcbrblhAbAhlAlhA对于人字形和V形支撑的斜杆23(4.27)24cbrbrbrbrblbAhlI式中c斜杆端部连接固定后，该楼层以上各层增加的恒荷载和活荷载产生的柱压应力；lbr支撑斜杆长度；b，Ib，h分别为支撑跨梁的长度，绕水平主轴的惯性矩和楼层高度；Abr，Ac，Ab分别为计算楼层的支撑斜杆，支撑跨的柱和梁的截面面积。3.在多遇地震效应组合作用下，人字形支撑和V形支撑的斜杆内力应乘以增大系数1.5支撑斜杆按受压杆验算(4.28)brRENAf对于带有消能装置的中心支撑体系，支撑斜杆的承载力应为消能装置滑动或屈服时承载力的1.5倍。式中受循环荷载时的设计强度降低系数，=1/(1+0.35n)；RE支撑承载力抗震调整系数，按GB50011取0.8；n支撑斜杆的正则化长细比，n=(fy/E)1/2/。中心支撑节点构造中心支撑节点构造(a)(b)(c)(d)(e)(f)4.3.4.2偏心支撑形式：门架式(图a)，单斜杆式(图b)，人字形(图c)或V字形(图d)特征:1.支撑斜杆不交于梁柱节点2.耗能梁段：正常的荷载状态下，偏心支撑框架具有足够水平刚度；在遭遇强烈地震作用时，耗能梁段首先屈服吸收能量偏心支撑框架(a)门架式(b)单斜杆式(c)人字形(d)V字形耗能梁段长细比：不应大于120板件宽厚比：不应超过GB50017规定的轴心受压构件在弹性设计时的宽厚比限值耗能梁段的局部稳定性1.翼缘板自由外伸宽度b1与其厚度tf比：2.腹板计算高度h0与其厚