高層建筑鋼結(jié)構(gòu)-第四章結(jié)構(gòu)分析

1、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v計算總則計算總則非抗震結(jié)構(gòu)彈性分析計算內(nèi)力和位移抗震結(jié)構(gòu)小震驗算彈性分析內(nèi)力位移彈塑性分析變形驗算大震驗算對于某些高層中震可修，通過構(gòu)造要求保證中震可修，通過構(gòu)造要求保證高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v組合梁的考慮方法組合梁的考慮方法彈性分析時考慮混凝土樓板與鋼梁共同工作彈塑性分析時忽略樓板與鋼梁的共同工作v次構(gòu)件的考慮方法次構(gòu)件的考慮方法忽略次構(gòu)件的影響忽略非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響必要時考慮一定的受力蒙皮作用高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v分析模型的使用原則分析模型的使用原則結(jié)構(gòu)布置規(guī)則，不計入扭轉(zhuǎn)時平面模型具有多種抗側(cè)體系，不計入扭轉(zhuǎn)時空間協(xié)同工作原理平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置不

2、規(guī)則結(jié)構(gòu)空間模型v分析模型中需要考慮的因素分析模型中需要考慮的因素梁柱的彎曲變形、軸向變形、宜計入剪切變形節(jié)點域的剪切變形支撐的軸向變形高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v支撐在整體分析中的要求支撐在整體分析中的要求支撐兩端常做成剛性連接但可按兩端鉸接計算內(nèi)力偏心支撐中的耗能梁段分析時應(yīng)取為單獨單元v嵌入式墻板的分析原則嵌入式墻板的分析原則可按相同水平力作用下側(cè)移相同的原則，將其折算成等效支撐或等效剪切板計算。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)分析模型應(yīng)視設(shè)計階段而定：分析模型應(yīng)視設(shè)計階段而定：初步設(shè)計階段簡化模型，計算快速中間和最終設(shè)計階段精確模型，結(jié)果準(zhǔn)確高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)1) 結(jié)構(gòu)分析模型

3、的發(fā)展結(jié)構(gòu)分析模型的發(fā)展高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v框架結(jié)構(gòu)平面簡化模型框架結(jié)構(gòu)平面簡化模型 豎向荷載作用下可采用分層法計算內(nèi)力豎向荷載作用下可采用分層法計算內(nèi)力 （彎矩和軸力）（彎矩和軸力）2) 簡化模型簡化模型高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)水平荷載作用下可采用反彎點法或水平荷載作用下可采用反彎點法或D值法求內(nèi)力和位移值法求內(nèi)力和位移高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v剪力墻和均勻開洞剪力墻的簡化模型剪力墻和均勻開洞剪力墻的簡化模型不開洞剪力墻可簡化為懸臂柱不開洞剪力墻可簡化為懸臂柱墻體均勻開洞時，可簡化為帶剛域的框架計算墻體均勻開洞時，可簡化為帶剛域的框架計算高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑

4、鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v平面布置規(guī)則的框架平面布置規(guī)則的框架-支撐支撐(剪力墻剪力墻)結(jié)構(gòu)，在水平荷結(jié)構(gòu)，在水平荷載作用下的簡化協(xié)同分析模型載作用下的簡化協(xié)同分析模型高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)抗側(cè)力體系種類當(dāng)抗側(cè)力體系種類較多，且對稱布置較多，且對稱布置時，可采用平面抗時，可采用平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的協(xié)同分側(cè)力結(jié)構(gòu)的協(xié)同分析模型。析模型。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v平面桿系模型平面桿系模型體系復(fù)雜，平面和豎向不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，宜采用三維空體系復(fù)雜，平面和豎向不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，宜采用三維空間分析模型，通常采用桿系模型進行有限元分析。間分析模型，通常采用桿系模型進行有限元分析。3) 精確分析模型精確分析模型

5、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v空間桿系模型中的空間梁元和薄壁桿件單元模型空間桿系模型中的空間梁元和薄壁桿件單元模型高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)單元坐標(biāo)軸和理想模型 Coordinate Axis and Ideal Model of a Element (a) 單元坐標(biāo)軸 (a) Coordinate Axis y x z y x z k I J 塑性鉸 (b) 單元理想模型 (b) Ideal Model I 彈性桿 J 節(jié)點 節(jié)點 v基于塑性鉸理論的梁單元模型基于塑性鉸理論的梁單元模型高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v沿截面和桿長的積分單元模型沿截面和桿長的積分單元模型高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼

6、結(jié)構(gòu)平面梁、柱單元的雙分量桿件模型的骨架曲線平面梁、柱單元的雙分量桿件模型的骨架曲線4) 彈塑性動力分析中單元的骨架曲線彈塑性動力分析中單元的骨架曲線配合塑性鉸單元模型或積分單元模型，可以通過定義材料的應(yīng)配合塑性鉸單元模型或積分單元模型，可以通過定義材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為雙線性來實現(xiàn)。力應(yīng)變關(guān)系為雙線性來實現(xiàn)。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點域的骨架曲線節(jié)點域的骨架曲線高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)鋼支撐桿件的滯回模型鋼支撐桿件的滯回模型高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)由于計算工具的進步，目前更習(xí)慣于將支撐沿長度劃分為多個由于計算工具的進步，目前更習(xí)慣于將支撐沿長度劃分為多

7、個單元，當(dāng)單元足夠多時（大于單元，當(dāng)單元足夠多時（大于4 4個），配合塑性鉸單元模型或個），配合塑性鉸單元模型或積分單元模型，可以模擬支撐失穩(wěn)的特性。積分單元模型，可以模擬支撐失穩(wěn)的特性。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)藏鋼板支撐剪力墻骨架曲線內(nèi)藏鋼板支撐剪力墻骨架曲線Vy V uy K1 K2=0.1K1 u 0 有粘結(jié)時有粘結(jié)時無粘結(jié)時，把支撐設(shè)置成無粘結(jié)時，把支撐設(shè)置成桿單元即可桿單元即可高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)帶豎縫混凝土剪力墻骨架曲線帶豎縫混凝土剪力墻骨架曲線 墻 板 有 效 寬 度a).帶 豎 縫 剪 力 墻 板 與 框 架 的 連 接ee柱leeb).簡 化 分 析 模 型梁l

8、梁柱 2121(b)等效偏心交叉支撐的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)帶豎縫混凝土剪力墻板的Vu曲線0uuVVVuu0E=tg=0.2*EK = tg2 = 0.2*KK=tg1E=tg1高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)1) 簡化分析方法簡化分析方法v鋼框架結(jié)構(gòu)鋼框架結(jié)構(gòu) （豎向荷載：分層法；水平荷載：（豎向荷載：分層法；水平荷載：D值法）值法） 略略高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v鋼框架支撐結(jié)構(gòu)和鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)鋼框架支撐結(jié)構(gòu)和鋼框架剪力墻結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下可近似地簡化為平面抗側(cè)力體系。在水平荷載作用下可近似地簡化為平面抗側(cè)力體系。 將所有框架合并為總框架將所有框架合并為總框架 將所有支撐合并為總支撐將所有

9、支撐合并為總支撐 將所有剪力墻合并為總剪力墻將所有剪力墻合并為總剪力墻高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)進行簡化分析時，總支撐可視為一根豎向彎曲桿件，進行簡化分析時，總支撐可視為一根豎向彎曲桿件，其等效慣性矩其等效慣性矩Ieq為：為：mjniijijeqaAI112其中：其中：折減系數(shù)，對中心支撐可取折減系數(shù)，對中心支撐可取0.80.9；Aij第第j榀豎向支撐第榀豎向支撐第i根柱的截面面積；根柱的截面面積；aij第第i根柱至第根柱至第j榀豎向支撐的柱截面形心軸的距離；榀豎向支撐的柱截面形心軸的距離；n每一榀豎向支撐的柱子數(shù)；每一榀豎向支撐的柱子數(shù)；m水平荷載作用方向豎向支撐的榀數(shù)。水平荷載作用方向豎

10、向支撐的榀數(shù)。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)mjniijijeqaAI112高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)2) 精確方法精確方法采用有限元方法的二階彈塑性分析采用有限元方法的二階彈塑性分析多借助于大型有限元分析與設(shè)計程序：多借助于大型有限元分析與設(shè)計程序：以設(shè)計為主的程序：以設(shè)計為主的程序：ETABS、SAP2000、Staad Pro、Midas、MTS、3D3S、STS、SETWE等；等；以內(nèi)力計算為主的程序：以內(nèi)力計算為主的程序：ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等。等。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v反應(yīng)譜分析方法，由于所取振型有限，且只能適用于反應(yīng)譜分析方法，由于所取振型有限，且只能

11、適用于彈性動力分析，故對于特別不規(guī)則的建筑，尚應(yīng)采用彈性動力分析，故對于特別不規(guī)則的建筑，尚應(yīng)采用直接動力法直接動力法時程分析法進行補充驗算。時程分析法進行補充驗算。 當(dāng)取三組加速度時程曲線輸入時，計算結(jié)果宜取時程法的包絡(luò)當(dāng)取三組加速度時程曲線輸入時，計算結(jié)果宜取時程法的包絡(luò)值和振型分解反應(yīng)譜法的最大值。值和振型分解反應(yīng)譜法的最大值。 當(dāng)取七組及以上的時程曲線時，計算結(jié)果可取時程法的平均值當(dāng)取七組及以上的時程曲線時，計算結(jié)果可取時程法的平均值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值。和振型分解反應(yīng)譜法的較大值。 應(yīng)按場地土類別和設(shè)計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬應(yīng)按場地土類別和設(shè)計地震分組選用實際強震記

12、錄和人工模擬的加速度時程曲線，實際強震記錄不得小于總數(shù)的的加速度時程曲線，實際強震記錄不得小于總數(shù)的2/3。 彈性時程分析時，每條時程曲線所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振彈性時程分析時，每條時程曲線所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法的型分解反應(yīng)譜法的65%，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法的的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法的80%。3) 鋼結(jié)構(gòu)抗震時程分析的基本概念鋼結(jié)構(gòu)抗震時程分析的基本概念高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu) 采用采用彈性時程分析彈性時程分析的房屋高度范圍的房屋高度范圍烈度、場地類別烈度、場地類別房屋高度范圍房屋高度

13、范圍(m)特別不規(guī)則建筑、甲類建筑特別不規(guī)則建筑、甲類建筑8度度、場地和場地和7度度8度度、類場地類場地9度度1008060v多遇地震下的彈性時程分析的房屋高度范圍和罕遇地多遇地震下的彈性時程分析的房屋高度范圍和罕遇地震下的彈塑性時程分析的房屋范圍如下：震下的彈塑性時程分析的房屋范圍如下：高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)采用采用彈塑性時程分析彈塑性時程分析的房屋范圍的房屋范圍 （或三維靜力彈塑性（或三維靜力彈塑性pushover分析方法）分析方法）應(yīng)應(yīng)進行彈塑性進行彈塑性變形驗算的：變形驗算的：甲類建筑和甲類建筑和9度抗震設(shè)防的乙類建筑；度抗震設(shè)防的乙類建筑；高度超過高度超過150m的鋼結(jié)構(gòu)高層建

14、筑；采的鋼結(jié)構(gòu)高層建筑；采用隔震和消能減震設(shè)計的結(jié)構(gòu)。用隔震和消能減震設(shè)計的結(jié)構(gòu)。宜宜進行彈塑性進行彈塑性變形驗算的：變形驗算的：符合上表所列高度范圍且豎向不規(guī)則符合上表所列高度范圍且豎向不規(guī)則的高層鋼結(jié)構(gòu)；的高層鋼結(jié)構(gòu)； 7度度、類場地和類場地和8度乙類建筑的鋼結(jié)構(gòu)房屋。度乙類建筑的鋼結(jié)構(gòu)房屋。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)v時程分析時所用地震加速度時程曲線的最大加速度值時程分析時所用地震加速度時程曲線的最大加速度值(cm/s2) 地震影響地震影響6度度7度度8度度9度度多遇地震多遇地震罕遇地震罕遇地震1835(55)220(310)70(110)400(510)140620加速度單位加速度單

15、位cm/s2，也稱，也稱gal。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)1) 二階效應(yīng)二階效應(yīng)(的概念的概念結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，產(chǎn)生側(cè)移結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，產(chǎn)生側(cè)移；此時豎向荷載將對剛架產(chǎn)生一個附加的外彎矩此時豎向荷載將對剛架產(chǎn)生一個附加的外彎矩P，將繼續(xù)增大側(cè)移和內(nèi)力；將繼續(xù)增大側(cè)移和內(nèi)力；豎向荷載作用于繼續(xù)增大的側(cè)移，將產(chǎn)生更小一階豎向荷載作用于繼續(xù)增大的側(cè)移，將產(chǎn)生更小一階的外彎矩的外彎矩P1，繼續(xù)增大側(cè)移和內(nèi)力；，繼續(xù)增大側(cè)移和內(nèi)力；如此疊加，直至平衡如此疊加，直至平衡(或整體失穩(wěn)或整體失穩(wěn))，稱為，稱為P-效應(yīng)效應(yīng)(二階效應(yīng)二階效應(yīng))。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)2) 一階分析與二階分析一階

16、分析與二階分析一階分析線彈性計算方法線彈性計算方法不同荷載可獨立計算不同荷載可獨立計算滿足疊加原理滿足疊加原理二階分析非線性迭代方法非線性迭代方法所有荷載同時計算所有荷載同時計算不滿足疊加原理不滿足疊加原理高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)的影響二階效應(yīng)的影響30層以下的鋼結(jié)構(gòu)，不層以下的鋼結(jié)構(gòu)，不顯著，可忽略顯著，可忽略3) 二階分析的影響二階分析的影響50層的鋼結(jié)構(gòu)，二階內(nèi)層的鋼結(jié)構(gòu)，二階內(nèi)力和位移可達力和位移可達15以上以上超高層的鋼結(jié)構(gòu)，影響超高層的鋼結(jié)構(gòu)，影響更大，必須考慮更大，必須考慮如果不考慮，可能造成構(gòu)件實際負(fù)擔(dān)的內(nèi)力超過設(shè)計如果不考慮，可能造成構(gòu)件實際負(fù)擔(dān)的內(nèi)力超過設(shè)計承載

17、力，引起結(jié)構(gòu)倒塌。承載力，引起結(jié)構(gòu)倒塌。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)4) 整體穩(wěn)定性的判斷整體穩(wěn)定性的判斷u當(dāng)同時滿足以下兩個條件時，可不驗算結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)當(dāng)同時滿足以下兩個條件時，可不驗算結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定定結(jié)構(gòu)各樓層柱的平均長細(xì)比和平均軸壓比滿足：結(jié)構(gòu)各樓層柱的平均長細(xì)比和平均軸壓比滿足：180mpmmNN其中：其中：m樓層柱的平均長細(xì)比；樓層柱的平均長細(xì)比；Nm樓層柱的平均軸壓力設(shè)計值；樓層柱的平均軸壓力設(shè)計值；Npm樓層柱的平均全塑性軸壓力，樓層柱的平均全塑性軸壓力， Npm=fyAm；Am樓層柱的平均截面面積。樓層柱的平均截面面積。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)一階分析計算得到的各層層間相對側(cè)移滿足：一階分析計算得到的各層層間相對側(cè)移滿足：vhFFhu12. 0其中：其中：h