课件 多层钢结构设计

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第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
多层钢结构体系优点、组成、类型 需要考虑的主要灾害 多层钢结构的设计思路 多层钢结构的关键设计 存在问题
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组成 ◦ 钢柱—抗侧、承受竖向荷载 ◦ 钢梁—承受楼板荷载 ◦ 节点—传递荷载、控制侧移、抗侧 ◦ 支撑—抗侧 类型 ◦ 柱－支撑体系 ◦ 纯框架体系 ◦ 框架－支撑体系
wk =1.2w0µZ µS βZ w0 −基本风压；µZ－风压高度变化系数；
µS－风载体型系数；βZ－风振系数
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⑤ 地震作用：结构本身质量对结构体产生地 震作用，主要有两种： 1）水平地震作用：内力组合中重要的作用 2）竖向地震作用：大跨度或大悬臂构件
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1）水平地震作用： 规则结构，采用平面计算模型； 平面不规则，应采用空间计算模型； 刚度中心与重心有较大偏差，应考虑扭转
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二、梁柱节点 梁柱节点有铰接、半刚性连接或刚性连接
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二、梁柱节点 梁柱节点有铰接、半刚性连接或刚性连接
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二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式： ① 梁柱丁字形连接（全焊接）
1）梁要加工 ） 准确； 准确； 2）有仰焊 ）
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二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式： ② 梁柱宽翼缘T字形连接（全焊接） 梁柱宽翼缘T
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二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式： ⑤ 方钢管柱与梁的节点连接 分为铰接、半刚性节点、刚接节点
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梁柱节点试验
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梁柱节点破坏特征
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“强节点弱杆件”基本原则： 在梁形成塑性铰前，梁柱连接的交界面处及 节点域的抗弯能力必须大于框架的抗弯能力， 防止在梁还未出现塑性铰时，交界面处或节 点域发生脆性破坏 塑性铰在梁上出现位置的强度应小于梁柱节 点的强度 常用设计法 精确设计法
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1、荷载效应 ◦ 恒载（永久荷载） ① 建筑物自重，分项系数γ取1.2； ② 楼盖上的永久设备荷载，分项系数γ取1.2； 注意：当恒载在荷载组合中为有利作用，分项 系数γ取1.0。
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◦ 活载（可变荷载） ① 雪荷载，分项系数γ取1.4； ② 积灰荷载，分项系数γ取1.4； ③ 楼层活载，分项系数γ取1.4（Q≥4 1.3）； ④ 风荷载，风载标准值，分项系数γ取1.4；
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柱－支撑体系 • 梁柱铰接节点 • 纵向和横向均有柱间支撑 • 空间刚度及抗侧力均由支撑提供 • 适用于柱距不大、双向支撑不影响空间流动 • 设计、制作、安装简单 • 抗侧刚度大，用钢量小
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柱－支撑体系
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纯框架体系 • 纵横两向均为刚接框架 • 其承载力及空间刚度由刚接框架提供 • 用于柱距较大，无法设置支撑的建筑物 用于柱距较大， • 节点构造复杂，用钢量较多 节点构造复杂， • 空间利用大
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一、连接的一般规定 ③ 节点焊接应满足的下列要求： C、应充分考虑施工净空和条件，对与高空施工 条件困难的现场焊缝，其承载力应乘以折减系 数0.9。 ④ 对较重要的或受力较复杂的节点，当按所传 内力（不是按与母材等强）进行连接设计时， 宜使连接的承载力留有10％～15％的裕度。
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一、连接的一般规定 ⑤ 多层框架结构体系中的梁柱节点及柱脚节点 均应设计为刚接节点； 柱－支撑结构体系中的梁柱连接节点可设计 为铰接节点 柱脚应考虑安装时稳定而具有一定的刚接抗弯 性能。
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2、内力计算 一、一般规定 二、柱－支撑框架体系水平荷载下近似计算方法 三、多层钢结构的梁 四、多层钢结构的柱 五、多层钢结构的支撑
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一、一般规定 ① 平面的规则性： ② 地震作用计算时，宜将重量集中于各楼层 的计算模型，同时按不同的维护结构考虑其
自振周期的折减系数
③ 具体计算方法：
竖向荷载作用下的内力效应可以近似的分层法计 算； 水平荷载作用下的内力效应可采用半刚架、改进 反弯点法（D值法）等近似方法计算
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重要的两点：
◦ 节点承载力问题：要使节点的承载力大于构件的承 载力，就要以大于构件承载力的内力去设计它；显 然，提高梁柱连接的交界面处及节点域的强度，也 就相对降低了梁的强度； ◦ 节点域稳定性问题：提高节点域的稳定性，将直接 有利于结构的抗侧（刚度、位移）和自振周期衰减。
引申一个问题：
◦ 材料的本构关系决定构件截面的刚度退化； ◦ 构件的大变形决定了结构体系的刚度退化； ◦ 前者是“材料非线性”，后者是“几何非线性”
1）T型加劲板 ） 型加劲板 的高度要大于 横梁高度； 横梁高度； 2）与柱翼缘 ） 连接刚度稍大
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二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式： ③ 梁柱通过盖板和角钢连接（栓－焊连接）
肋板
下部板
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二、梁柱节点 梁柱节点刚性连接的几种形式： ④ 梁与十字形截面柱连接 采用水平盖板和竖向板与梁连接 水平板传递弯矩，竖向板传递剪力 上水平板为楔形，与梁柱连接 下水平板与竖向板先焊接在柱上起支托作用 截面对称，四个方向构造完全相同
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四、多层钢结构的柱 1、截面形式 轧制、焊接H型钢 十字焊接型钢：适用于有较高的刚度要求 方钢管、圆钢管：荷载、柱高较大；外观
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四、多层钢结构的柱 2、柱的计算 框架柱应按两个主轴方向分别进行强度及稳 定的验算。 若采用板材厚度超过60mm（Q235）或36mm （Q345）（重型钢结构），材料除要考虑力 学的指标，还要考虑防止分层。
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一、一般规定 ④ 多层框架在风荷载作用下，顶点的横向水平位移
（标准值）不宜大于 H / 500 （H为框架柱总高）， 层间相对位移不宜大于 h / 400（h为层高），对无 隔墙的多层框架，可以不验算其层间位移。 按多遇地震进行抗震设计时，多层框架的层间侧 移（标准值）不应大于层高的1/合而成 ◦ 构件：稳定问题； ◦ 节点：承载能力问题；（该问题与高层钢 结构相同）
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一、连接的一般规定 ① 一般连接有三种： 焊接、摩擦型高强螺栓和栓－焊混合连接
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一、连接的一般规定 ① 一般连接有三种： 对于栓－焊混合连接，螺栓部分的承载力应 考虑先栓后焊的温度影响乘以折减系数0.9。 ② 对于节点连接中将同一力传至同一连接件上 时，不允许同时采用两种方法连接（比如又栓 又焊）
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1）塑性铰位置外移——狗骨头式
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2）强化节点
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3）扩大焊接孔及长槽型节点
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节点域稳定
fy Mb V − ≤ fv = τ= hb hc t wc hc t wc 3
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节点域稳定
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节点数值分析--ANSYS
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节点抗震性能评价—指标性问题 ◦ 滞回性能—间接得到耗能能力 ◦ 抗侧刚度—弹性极限 ◦ 延性性能—屈服位移和极限位移的比（延性 比） ◦ 以上各项需由一定数量的试验结果，统计规 律性机理，提出力学关系，建立理论模型。 ◦ 以试验得到滞回曲线为主要结果
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② 考虑地震作用效应的基本组合 • 确定地震作用时的重力荷载代表值?
GE = Gk (恒) + 0.5QS (雪) + 0.5QA(灰) +KQL (活) + GKT (吊车荷载)
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•
考虑地震作用效应，其总效应
S = γ EGCGGE (重力荷载代表值) +γ EhCEh Ehk (水平地震作用 ) +γ EvCEh Evk (竖向地震作用 ) +φwγ wCwQw (风)
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火灾 ◦ 钢结构的材料特性 ◦ 钢结构建筑均具有的普遍性→ 地震---与一般荷载有何不同？
◦ 构件抗侧：刚性节点、支撑（小震） ◦ 材料延性：大变形、塑性（大震） ◦ 设计界、学术界面临的最大矛盾！？ ◦ 解决方法：随机统计力学
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S≤
R
γ RE
γ RE -抗力抗震调整系数，≤1.0
S -荷载效应 R -构件控制截面抗力
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思考： （1）为什么计算结构自振周期？ （2）如何计算结构自振周期？ （3）结构基本周期、结构自振周期与设计特 征周期、场地卓越周期的区别？ （4）结构自振周期是否会变化？ （5）钢结构自振周期与混凝土结构有何不同？
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二、柱－支撑框架体系水平荷载下近似计算方法 ① 先计算出在水平荷载作用下，支撑（承担 剪力）的剪力分配系数。 ② 用水平荷载，乘以剪力分配系数，可求得 每楼每层各柱间支撑所承担的剪力，并可求 得支撑杆的内力。 ③ 按结构力学的桁架计算方法，可以求得柱 在水平荷载作用下的内力。
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荷载效应S（内力）组合
◦ 用活载计算荷载效应
① 不考虑地震设计：按《荷载规范》折减， 确定最不利组合； ② 考虑地震设计，采用考虑地震作用荷载组 合的重力荷载代表值进行计算。
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① 不考虑地震作用效应的基本组合
S = γGCGGk (恒) +γ LφL[CLQL (楼层活) +CSQS (雪) + CAQA(灰) + CwQw(风)]
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一、连接的一般规定 ③ 节点焊接应满足的下列要求： A、全熔透焊缝，其焊缝质量检验应符合一级或 二级质量要求。
要求与母材等强的焊接连接或拼接。 框架节点塑性区段的焊接连接
B、焊缝金属应与母材强度相匹配：
Q235→E43焊条或焊丝 Q345→E50焊条或焊丝 不同强度材料焊接时，应按强度较低的钢材选用
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常用设计法 梁端弯矩M(设计弯矩)全部由梁翼缘承担，梁 端剪力V（设计剪力）全部由梁腹板承担 精确设计法 以梁翼缘和腹板按各自截面惯性矩分担作用 于梁端的弯矩 （设计弯矩），以梁翼缘承担 弯矩 ，并以腹板承担弯矩 和梁端全部剪力V （设计剪力）
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从以上设计概念出发 当栓焊混合连接时，梁翼缘与柱焊接，“常 用设计法”比“精确设计法”偏于安全； 当全焊连接时，梁腹板与柱连接，“常用设 计法”偏于不安全。 无论是“常用设计法”还是“精确设计法”， 连接计算都是从梁端的设计内力出发，也就是 说，这两种方法都不是“等强连接”，即，梁 端弯矩和剪力不等于梁的全截面抗弯和抗剪承 载力。