高层钢结构第四章PPT课件
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对带支撑抗侧力体系结构，若仅在一个柱距内布置支撑形成 支撑桁架，则在水平荷载作用下一般可按悬臂铰接桁架来计算； 若连续在两个或两个以上柱间布置支撑形成支撑桁架（如图所 示），则结构属于高次超静定体系，宜采用电算求解内力，但 也可按悬臂铰接桁架来近似计算内力。
2.轴向变形
2 3
V0 H 3 EAB 2
uN
1
4
V0 H 3 EAB 2
11 30
V0 H 3 EAB 2
(顶点集中荷载） （均匀分布荷载） （倒三角分布荷载）
V 0 是水平外荷载在框架底面产生的总剪力。
对于高度不大于50m或高宽比H/B≥4的框架办公楼，柱轴向变形 引起的顶点位移越占框架梁柱弯曲变形引起的顶点侧移的 5%~11%。
1/500 1/400
－ 1/250
端部与质心处的水平位移比值
≤1.2
≤1.3
罕遇地震时的层间位移角
－
1/70
“抗震规范”对
最大层间位移角
－
钢结构规定
端部与平均水平位移比值
1/300 ≤1.3
罕遇地震时的层间位移角
1/50
“高层混凝土规 程”对混合结构 最大层间位移角
规定
H≤150m H≥150m 150<H<250m
4.1 结构分析方法及基本步骤
4. 空间体系 计算模型
高层建筑钢结构的计算模型，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。
相连的框架柱产生弯矩和剪力，忽略对其它各层梁、 柱的影响。
2.计算方法
框架在各层竖向荷载同时作用下的内力，可以分解为 一系列开口框架进行计算。除底层柱子外，其余各层 柱的线刚度乘以0.9的折减系数，弯矩传递系数取为 1/3。
4.2 钢框架计算方法
3.计算模型
i
i
i
i
i
i
i
i
0.9i 0.9i 0.9i 0.9i 0.9i 0.9i 0.9i 0.9i
两端固定 一端固定一端铰
刚度系数：4i(14i) 接 3i(0.754i)
传递系数： 1 / 2
0
一端固定一端弹簧铰
0.94i 1/3
4.2 钢框架计算方法
二、水平荷载计算——反弯法、D值法
1.基本假定
假定：框架梁的线刚度相对框架柱的线刚度为无限大 ib ic。3
忽略柱子轴向变形的情况下，节点的转角为零。 2.计算步骤
4.2 钢框架计算方法
3.侧移的限值
框架结构除了要保证梁的挠度不超过规定值外，尚
应验算结构的侧向位移。结构侧向位移的验算包括层间
位移和顶点位移，要求分别满足： u/ H [u/ H]
u/ h [u/ h]
规
范
风荷载作用下 水平地震作用下
“高钢规程”对 钢结构规定
顶点质心处水平位移角 质心处层间位移角
底部剪力法估算高层钢框架结构的构件截面时， 水平地震作用下倾覆力矩引起的柱轴力，体型较 规则的丙类建筑可折减，但乙类建筑不应折减。
4.1 结构分析方法及基本步骤
三维空间矩阵位移法
随着高层建筑的平面形状与体型日益复杂化，出现了大 底盘多塔楼、顶部连体等复杂的结构体系，结构平动与扭转 的耦联效应往往不能忽略，此时已经很难再将结构的抗侧力 构件沿某几个方向进行分解，平面协同法的应用受到很大的 限制。
高层钢结构设计
第四章 作用效应计算及组合
主讲教师： 范圣刚
第四章 高层钢结构作用效应 计算及组合
4.1 结构分析方法及基本步骤 4.2 钢框架计算方法 4.3 带抗侧力体系计算方法 4.4 钢框架二阶分析方法 4.5 作用效应组合
4.1 结构分析方法及基本步骤
一、结构分析方法
1. 变形与几何关系 一阶分析：不考虑变形对几何尺寸的影响。 二阶分析：考虑变形对几何尺寸的影响。 2. 材料本构关系 弹性分析：应力－应变线性关系，不考虑强化阶段。 弹塑性分析：应力－应变非线性关系，考虑强化阶段。 3. 荷载性质 静力分析。 动力分析。
1/800 1/500 1/800~1/500间线性插入
端部与平均水平位移比值
－
≤1.4
4.2 钢框架计算方法
四、内力及位移调整
1.节点的柔性——半刚性节点 2.节点域的剪切变形 3.计算方法的精确性——底部剪力法 4.P－△效应
PP
Δ
4.3 带抗侧力体系计算方法
一、带支撑抗侧力体系——悬臂铰接桁架
4.1 结构分析方法及基本步骤
等效角柱法、展开平面框架法或等效截面法 平面为矩形或其他规则形状的框筒结构
平面框架
等效截面 法计算外框筒的 构件截面尺寸时， 外框筒可视为平 行于荷载方向的 两个等效槽形截
面。
4.1 结构分析方法及基本步骤
其它近似方法
规则但有偏心的结构近似分析时，可先按无偏心 结构进行分析，然后将内力乘以修正系数；
4.1 结构分析方法及基本步骤
精确静力计算方法
框架结构
框架-支撑结构 矩阵位移法
框架剪力墙结构
框筒结构 薄壁杆件理论、有限条法等
筒体结构
竖向悬臂筒体
4.1 结构分析方法及基本步骤
近似静力计算方法
总支撑 总框架
分层法 竖向荷载
D值法
水平荷载
框架-支撑结构协同工作分析 （框架剪力墙结构）
在水平荷载作用下简化为平面抗侧力体系 分析时
在各层反弯 剪力分配 柱反弯点
点处切开
处的剪力
Vjk
hj 2
(hj 3
、2hj 3
)
柱端
弯矩
梁端 弯矩
Vb
Mbl
Mbr l
利用节点力 矩平衡条件源自文库
梁端 剪力
节点竖向力 平衡条件
柱轴 力
4.2 钢框架计算方法
三、水平位移计算
uN
Δuj
Δu1
框架结构水平荷载下的侧移由两部分组成：梁柱弯曲变形引起 的侧移和柱轴向变形引起的侧移。
4.2 钢框架计算方法
1.弯曲变形
顶点侧移：
uM
n
u j
j 1
层间侧移：uj
Vjk Djk
VFj
m
Djk
k1
框
架
对于规则框架，各层柱的抗侧刚度大致
结
相等，而层间剪力自上向下逐层增加，
构
因而层间侧移自上向下逐层增加，整个
结构的变形曲线类似悬臂构件剪切变形
引起的位移曲线，故称为“剪切型”。
4.2 钢框架计算方法
与平面协同法相比，三维空间矩阵位移法对结构的布置和 体型几乎没有限制，所以在目前实际高层建筑结构设计计算 中，绝大部分采用了三维空间矩阵位移法。
4.1 结构分析方法及基本步骤
二、结构分析基本步骤
分析方法
计算模型
结构计算
内力调整
4.2 钢框架计算方法
一、竖向荷载计算——分层法
1.基本假定 框架没有侧移； 每一层框架梁上的竖向荷载只对本层的梁及与本层梁
2.轴向变形
2 3
V0 H 3 EAB 2
uN
1
4
V0 H 3 EAB 2
11 30
V0 H 3 EAB 2
(顶点集中荷载） （均匀分布荷载） （倒三角分布荷载）
V 0 是水平外荷载在框架底面产生的总剪力。
对于高度不大于50m或高宽比H/B≥4的框架办公楼，柱轴向变形 引起的顶点位移越占框架梁柱弯曲变形引起的顶点侧移的 5%~11%。
1/500 1/400
－ 1/250
端部与质心处的水平位移比值
≤1.2
≤1.3
罕遇地震时的层间位移角
－
1/70
“抗震规范”对
最大层间位移角
－
钢结构规定
端部与平均水平位移比值
1/300 ≤1.3
罕遇地震时的层间位移角
1/50
“高层混凝土规 程”对混合结构 最大层间位移角
规定
H≤150m H≥150m 150<H<250m
4.1 结构分析方法及基本步骤
4. 空间体系 计算模型
高层建筑钢结构的计算模型，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。
相连的框架柱产生弯矩和剪力，忽略对其它各层梁、 柱的影响。
2.计算方法
框架在各层竖向荷载同时作用下的内力，可以分解为 一系列开口框架进行计算。除底层柱子外，其余各层 柱的线刚度乘以0.9的折减系数，弯矩传递系数取为 1/3。
4.2 钢框架计算方法
3.计算模型
i
i
i
i
i
i
i
i
0.9i 0.9i 0.9i 0.9i 0.9i 0.9i 0.9i 0.9i
两端固定 一端固定一端铰
刚度系数：4i(14i) 接 3i(0.754i)
传递系数： 1 / 2
0
一端固定一端弹簧铰
0.94i 1/3
4.2 钢框架计算方法
二、水平荷载计算——反弯法、D值法
1.基本假定
假定：框架梁的线刚度相对框架柱的线刚度为无限大 ib ic。3
忽略柱子轴向变形的情况下，节点的转角为零。 2.计算步骤
4.2 钢框架计算方法
3.侧移的限值
框架结构除了要保证梁的挠度不超过规定值外，尚
应验算结构的侧向位移。结构侧向位移的验算包括层间
位移和顶点位移，要求分别满足： u/ H [u/ H]
u/ h [u/ h]
规
范
风荷载作用下 水平地震作用下
“高钢规程”对 钢结构规定
顶点质心处水平位移角 质心处层间位移角
底部剪力法估算高层钢框架结构的构件截面时， 水平地震作用下倾覆力矩引起的柱轴力，体型较 规则的丙类建筑可折减，但乙类建筑不应折减。
4.1 结构分析方法及基本步骤
三维空间矩阵位移法
随着高层建筑的平面形状与体型日益复杂化，出现了大 底盘多塔楼、顶部连体等复杂的结构体系，结构平动与扭转 的耦联效应往往不能忽略，此时已经很难再将结构的抗侧力 构件沿某几个方向进行分解，平面协同法的应用受到很大的 限制。
高层钢结构设计
第四章 作用效应计算及组合
主讲教师： 范圣刚
第四章 高层钢结构作用效应 计算及组合
4.1 结构分析方法及基本步骤 4.2 钢框架计算方法 4.3 带抗侧力体系计算方法 4.4 钢框架二阶分析方法 4.5 作用效应组合
4.1 结构分析方法及基本步骤
一、结构分析方法
1. 变形与几何关系 一阶分析：不考虑变形对几何尺寸的影响。 二阶分析：考虑变形对几何尺寸的影响。 2. 材料本构关系 弹性分析：应力－应变线性关系，不考虑强化阶段。 弹塑性分析：应力－应变非线性关系，考虑强化阶段。 3. 荷载性质 静力分析。 动力分析。
1/800 1/500 1/800~1/500间线性插入
端部与平均水平位移比值
－
≤1.4
4.2 钢框架计算方法
四、内力及位移调整
1.节点的柔性——半刚性节点 2.节点域的剪切变形 3.计算方法的精确性——底部剪力法 4.P－△效应
PP
Δ
4.3 带抗侧力体系计算方法
一、带支撑抗侧力体系——悬臂铰接桁架
4.1 结构分析方法及基本步骤
等效角柱法、展开平面框架法或等效截面法 平面为矩形或其他规则形状的框筒结构
平面框架
等效截面 法计算外框筒的 构件截面尺寸时， 外框筒可视为平 行于荷载方向的 两个等效槽形截
面。
4.1 结构分析方法及基本步骤
其它近似方法
规则但有偏心的结构近似分析时，可先按无偏心 结构进行分析，然后将内力乘以修正系数；
4.1 结构分析方法及基本步骤
精确静力计算方法
框架结构
框架-支撑结构 矩阵位移法
框架剪力墙结构
框筒结构 薄壁杆件理论、有限条法等
筒体结构
竖向悬臂筒体
4.1 结构分析方法及基本步骤
近似静力计算方法
总支撑 总框架
分层法 竖向荷载
D值法
水平荷载
框架-支撑结构协同工作分析 （框架剪力墙结构）
在水平荷载作用下简化为平面抗侧力体系 分析时
在各层反弯 剪力分配 柱反弯点
点处切开
处的剪力
Vjk
hj 2
(hj 3
、2hj 3
)
柱端
弯矩
梁端 弯矩
Vb
Mbl
Mbr l
利用节点力 矩平衡条件源自文库
梁端 剪力
节点竖向力 平衡条件
柱轴 力
4.2 钢框架计算方法
三、水平位移计算
uN
Δuj
Δu1
框架结构水平荷载下的侧移由两部分组成：梁柱弯曲变形引起 的侧移和柱轴向变形引起的侧移。
4.2 钢框架计算方法
1.弯曲变形
顶点侧移：
uM
n
u j
j 1
层间侧移：uj
Vjk Djk
VFj
m
Djk
k1
框
架
对于规则框架，各层柱的抗侧刚度大致
结
相等，而层间剪力自上向下逐层增加，
构
因而层间侧移自上向下逐层增加，整个
结构的变形曲线类似悬臂构件剪切变形
引起的位移曲线，故称为“剪切型”。
4.2 钢框架计算方法
与平面协同法相比，三维空间矩阵位移法对结构的布置和 体型几乎没有限制，所以在目前实际高层建筑结构设计计算 中，绝大部分采用了三维空间矩阵位移法。
4.1 结构分析方法及基本步骤
二、结构分析基本步骤
分析方法
计算模型
结构计算
内力调整
4.2 钢框架计算方法
一、竖向荷载计算——分层法
1.基本假定 框架没有侧移； 每一层框架梁上的竖向荷载只对本层的梁及与本层梁