第四篇多层钢结构设计

• 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
T1 0.1 u
二、计算方法
计算方法
• 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
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
M=<0.8fcmxccby； xcc=Asf/fcmb；y=h0- xcc/2 Asf>fcmhcb时，塑性中和轴在压型钢板内，
M=<0.8(fcmhcby1+Ascfy2)；
Asc=0.5(As-fcmhcb/f)；
钢与混凝土组合板
– 抗冲剪承载力 Vp=<0.6ftcphc
– 斜截面抗剪承载力 Vc=<0.07fcmbh0
多层钢结构的支撑
• 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
fy 1 或 V Af 85 235
；
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 c1 c 2 2 N Ab cos 2
• 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
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
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；
• 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；
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。
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，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
wk w0 z s z
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
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） Asf<fcmhcb时，塑性中和轴在压型钢板上翼缘以 上混凝土内，
竖向地震作用系数αv: 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
永久荷载控制： 0 ( G SGK ci Qi SQiK ) R
i 1 n
可变荷载控制： 0 ( G SGK Q1SQ1K ci Qi SQiK ) R
i 2
n
荷载效应组合
• 考虑地震的组合
0 (G SGE Eh SEhK Ev SEvK w wSwK ) R
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；
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
荷载效应计算
• 偶然荷载：Байду номын сангаас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
• 振型分解反应谱法典型公式
Fij 1.15 j j X jiGEi
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
一般规定
• 多层框架柱的计算长度H0=μH
– μ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，Δ<=H/500/δ<=h/400；多 遇地震，δ<=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）：
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 – 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
• 水平地震影响系数α • 振型数不少于3个，振型叠加采用平方和开 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