鋼框架結構設計基本理論（ppt99張）

1、鋼框架結構設計基本理論第一篇、鋼框架的基本概念第二篇、鋼框架的結構布置第三篇、荷載第四篇、框架結構的計算第五篇、鋼構件設計第六篇、鋼框架節(jié)點設計第七篇、組合樓蓋布置與設計1.1、框架結構沿縱橫方向由多榀框架構成及承擔水平荷載的抗側力結構，梁柱連接常采用剛接。一般在不超過30層時比較經(jīng)濟。第一篇 鋼框架的基本概念1.2、鋼框架結構的特點優(yōu)點： 1、抗震性能良好：由于鋼材延性好，既能削弱地震反應，又使得鋼結構具有抵抗強烈地震的變形能力； 2、自重輕：可以顯著減輕結構傳至基礎的豎向荷載和地震作用；3、充分利用建筑空間：由于柱截面較小，可增加建筑使用面積24；4、施工周期短，建造速度快；框架體系的主要

2、特點5、形成較大空間，平面布置靈活，結構各部分剛度較均勻，構造簡單，易于施工；6、側向剛度小，在水平荷載作用下二階效應不可忽視；由于地震時側向位移較大，引起非結構性構件的破壞。1.1、鋼框架結構的特點存在的問題：1、耐火性能差：鋼結構中的梁、柱、支撐及作承重用的壓型鋼板等要求用噴涂防火涂料。2、吸取震害經(jīng)驗教訓完善鋼結構設計：由于地震的隨機性和實際工程的復雜性，很難避免節(jié)點的開裂、支撐的壓曲等震害。1.2、鋼框架結構體系的適用高度及建筑高寬比 1.2.1、“高鋼規(guī)程”的規(guī)定1、適用高度“高鋼規(guī)定”對非抗震設防和設防烈度為6度至9度的乙類和丙類高層建筑，按照所采用的結構類型和結構體系，規(guī)定了下表

3、適用高度。2、建筑高寬比限值1.2.2、“抗震規(guī)范”（GB 500112001）的規(guī)定1、適用高度高層民用建筑鋼結構各種類型的最大適用高度應符合規(guī)范規(guī)定。對平面和豎向不規(guī)則或建造于類場地的鋼結構，其高度應適當降低。2、建筑高寬比限制第二篇 鋼框架的結構布置 2.1、按照承重方案的不同劃分為三種: 橫向承重 縱向承重 縱橫向雙向承重2.2、柱網(wǎng)布置方形柱網(wǎng)和矩形柱網(wǎng)是多高層框架結構常用的基本柱網(wǎng)，其柱距宜采用69m。當柱網(wǎng)確定后，梁格即可自然地按柱網(wǎng)分格來布置。框架的主梁應按框架方向布置于框架柱間并與柱剛接。一般需在主梁間按樓板受載要求設置次梁，其間距可為34m。柱網(wǎng)一般布置第三篇 荷載3.1、

4、荷載分類：豎向荷載按建筑構件荷載規(guī)范(GB50009-2001)有關條文取值。風荷載地震作用3.1.1、風荷載風荷載體形系數(shù)基本風壓，由空曠平坦地面，離地10m統(tǒng)計的重現(xiàn)期為50年(或100年）的10分鐘平均最大風速計算所得。風壓高度變化系數(shù)Z高度處的風振系數(shù)3.1.2、地震作用結構所承受的“地震力”實際上是由于地震地面運動引起的動態(tài)作用，屬于間接作用，稱為“地震作用” ?！叭疁省痹O計原則： 小震不壞，中震可修，大震不倒。“兩階段”設計方法： 第一階段設計多遇地震作用下的彈性分析，主要驗算構件的承載力、穩(wěn)定性及結構的層間位移 第二階段設計罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算，主要驗算結構的屈服機構

5、、層間位移和層間位移延性比。3.2、荷載效應組合承載力極限狀態(tài)的荷載效應組合分為1、無地震作用時的荷載效應組合2、有地震作用時的荷載效應組合注：9度設防烈度時，以及建筑高度H60m時，應考慮風荷載和地震作用的組合。結構側移驗算時的荷載效應組合有1、風荷載作用時： S=SWk2、水平地震作用時： S=SWhk第四篇 框架結構的計算4.1、框架結構的受力特性及內(nèi)力分布柱腳軸向力產(chǎn)生的力偶是平衡傾覆力矩的主要部分 柱腳軸向力產(chǎn)生的平衡力矩 遠大于柱腳彎矩之和 ?？蚣芰旱膭偠仍酱?， 值越大。當框架邊柱之間的距離越大，或建筑物的高寬比越小，柱腳軸力產(chǎn)生的平衡力矩越大，梁柱內(nèi)力也可有所減小。梁柱內(nèi)力自上而

6、下逐層增加框架結構在豎向荷載作用下，除框架柱的軸向壓力自上而下逐層增加外，而框架梁和框架柱的剪力及彎矩自上而下基本上無顯著變化。在水平荷載作用下，框架柱和框架梁的內(nèi)力M、V、N的分布，不僅對柱是自上而下逐層增加，對框架梁也是如此，上小下大，而且第二層邊跨的框架梁梁端內(nèi)力常為最大。上述框架結構的內(nèi)力分布規(guī)律，可作為構件截面估算參考，也可作為下部建筑有效層高有否影響的估計。4.2、框架結構的水平側移4.2.1、水平位移是由三方面原因產(chǎn)生的水平位移曲線屬剪切型，層間位移下大上小 對于多層框架結構可忽略柱軸向變形產(chǎn)生的層間位移。對高層框架雖不能忽略此變形，但由梁柱構件變形產(chǎn)生的層間位移是主要的，它構成

7、的水平變形曲線屬剪切型。 由于柱腳處無水平位移，且底部作用剪力最大，最大的層間位移常位于底層或下部幾層，頂部較小。 在水平荷載作用下，框架節(jié)點因腹板較薄，節(jié)點域?qū)a(chǎn)生較大的剪切變形（圖1-17），從而使框架側移增大10%至20%（“高鋼規(guī)程”規(guī)定，應計入其影響）；對內(nèi)力的影響在10%以內(nèi)（可不計其影響）。 4.2.2、鋼框架結構側移要求框架結構在水平荷載作用下的變形由總體剪切變形和總體彎曲變形兩部分組成。 抗震規(guī)范：多高層鋼框架的彈性層間位移角限值：（第一階段抗震設計） 1/300 高鋼規(guī)：在風荷載作用下，頂層質(zhì)心位置的側移不宜超過建筑高度的1/500，質(zhì)心層間側移不宜超過樓層高度的1/400

8、。4.3、框架結構近似計算框架結構計算簡圖將框架結構的空間形式,簡化成平面形式,如圖框架桿件用其軸線表示；桿件之間用節(jié)點表示；桿件長度用節(jié)點之間的距離表示；計算跨度取框架之間軸線距離；柱的計算高度可以取層高，底層柱一般取到基礎頂面的距離；跨度相差不超過10%時，按等跨計算內(nèi)力;屋面斜梁坡度不超過1/8時,按水平梁計算。1、分層法計算假定：框架的側移和側移力矩忽略不計；每層梁荷載對其它層梁和柱的影響忽略不計。計算要點： 除底層柱外，其它柱的側移剛度乘以0.9，傳遞系數(shù)為1/3;適用條件： 分層法適用于節(jié)點梁柱線剛度比2、彎矩二次分配法是一種計算豎向荷載作用下框架結構內(nèi)力的一種近似方法；假定節(jié)點的

9、不平衡彎矩值對于該節(jié)點相交的各桿件的遠端有影響,對其余各桿件的影響忽略不計；先對各節(jié)點的不平衡彎矩進行第一次分配,并向遠端傳遞(傳遞系數(shù)為1/2)；在將傳遞彎矩產(chǎn)生的新的不平衡彎矩進行第二次分配，整個彎矩分配和傳遞結束。4.3.2、水平荷載作用下的近似計算鋼框架結構在水平荷載作用下的內(nèi)力計算有兩種近似計算方法: 反彎點法 修正反彎點法(D值法)1、反彎點法使用條件： 結構比較均勻,層數(shù)不多, 梁的線剛度ib比柱的線剛度ic大較多時?；炯俣ǎ?1)在剪力分配時, 認為梁的線剛度與柱的線剛度之比為無限大,兩端無轉角;(2) 確定各柱的反彎點位置時,認為除底層外其余各層柱上下兩端的轉角相同;(3)

10、 不考慮柱的軸向變形,同一層各節(jié)點的水平位移相等。同層柱的剪力分配柱的側移剛度:第i層的總剪力: 柱中反彎點的位置： 對于底層柱，反彎點的位置位于柱距柱底2/3h處。 除底層柱外，其它柱反彎點的位置位于柱的中點；框架梁柱內(nèi)力計算 柱的內(nèi)力根據(jù)柱間剪力和反彎點的位置確定，梁端彎矩由平衡條件求出。(1)柱端彎矩: (2)梁端彎矩:(3) 梁端剪力： (4) 柱的軸力：2、改進反彎點法（D值法）兩個方面的改進 1、修正了框架柱的抗剪剛度在水平荷載作用下，框架不僅有側移，且各節(jié)點都有轉角。 2、調(diào)整了框架柱的反彎點高度不再是定值，而是與柱的上下端的剛度有關，反彎點偏向剛度小的一端。有了D值和反彎點的位

11、置后，其他內(nèi)容的計算和“反彎點法”完全相同。4.4、結構的整體穩(wěn)定P效應 由于鋼框架的側向剛度較柔，在風荷載或水平地震作用下將產(chǎn)生較大的水平位移，這使已作用于產(chǎn)生水平位移的結構上的豎向荷載，對該結構的各構件產(chǎn)生附加內(nèi)力，而且增大已有的結構位移水平，因而降低結構的承載力和結構的整體穩(wěn)定性。 按反映二階效應的方法驗算結構的整體穩(wěn)定。第五篇 鋼構件設計5.1、構件選型：5.2、鋼構件設計： 構件強度驗算 構件穩(wěn)定承載力驗算1、框架柱的選取多層鋼框架多為雙向設置，故柱截面的強弱軸方向宜按整個框架體系的剛度要求來確定?？蚣苤孛婵刹捎肏形、箱形、十字形、圓形等，見圖。對于多層鋼框架，柱輪廓外邊尺寸不超過

12、800mm。常見的柱截面圖大紅2742、梁的選取框架梁或僅承受重力荷載的梁，其受力狀態(tài)為單向受彎。通常采用雙軸對稱的軋制或焊接H型鋼截面，對跨度較大或受荷較大，而高度又受到限制的部位，可采用抗彎和抗扭性能較好的箱形截面（雙腹板梁）。5.2、構件的計算梁的承載力計算梁的整體穩(wěn)定框架柱的承載力計算框架柱的計算長度5.2.1、梁的承載力計算梁的抗彎強度驗算：抗剪承載力計算：框架梁端部腹板受切割削弱時，按下公式計算梁端部的抗剪強度：5.2.2、梁的整體穩(wěn)定梁的整體穩(wěn)定性通常通過剛性鋪板加以保證，使其不控制設計。鋪板起阻止梁的失穩(wěn)作用應滿足的兩個條件：一是鋪板在自身平面內(nèi)有相當大的剛度；二是鋪板與梁有可

13、靠的連接。當鋪板不滿足是剛性條件時，按右式計算梁的穩(wěn)定：5.2.3、框架柱的承載力計算框架柱是指與梁剛接的柱，在軸向壓力和彎矩的共同作用下，兼有梁和柱的特點，以截面出現(xiàn)塑性鉸作為壓彎構件的極限承載力。承載力計算：強軸平面內(nèi)穩(wěn)定：弱軸平面內(nèi)穩(wěn)定：截面抗震驗算內(nèi)力基本組合設計值抗震承載力設計值承載力調(diào)整系數(shù)5.2.4、框架柱的計算長度設計框架柱時，多采用計算長度法，把框架的穩(wěn)定簡化為柱的穩(wěn)定來對待。對于純框架結構，當沒有支撐、剪力墻、電梯井筒等支撐結構，稱為有側移框架。有側移的計算長度系數(shù)的電算近似公式：K1、K2分別為柱上端、下端的梁線剛度和與柱線剛度和的比值。5.3.1、柱的長細比限值建筑抗震

14、設計規(guī)范(GB50011-2001)對不超過12層的鋼框架柱的長細比作了如下規(guī)定： 68度時 9度時 5.3.2、梁的板件寬厚比限制不超過12層鋼框架的梁板件的寬厚比限值 抗震設防烈度7度8度9度工字形截面和箱形截面翼緣外伸部分 11109箱形截面翼緣在兩腹板間的部分 363230工字形截面和箱形截面腹板 4039355.3.3、柱的板件寬厚比限值不超過12層鋼框架的柱板件的寬厚比限值 抗震設防烈度7度8度9度工字形截面翼緣外伸部分131211箱形截面壁板403636工字形截面腹板524844注：以上兩表數(shù)值適用于Q235，當材料為其它鋼材 時，應乘以 第六篇 鋼框架節(jié)點設計節(jié)點連接時保證鋼結

15、構安全的重要部位。多高層鋼結構節(jié)點的受力狀況比較復雜，構造要求相當嚴格，故節(jié)點的設計至關重要。鋼框架節(jié)點主要有：梁與柱的連接柱與柱的連接梁與梁的連接柱腳的設計6.1、概述6.1.1、節(jié)點設計的基本原則1、節(jié)點受力應該力求簡捷、明確；2、保證節(jié)點足夠的強度，后于構件破壞；3、節(jié)點連接應具有良好的延性，故設計中應采用合理的細部構造，不宜采用約束度大的和易產(chǎn)生層狀撕裂的連接形式；4、構件拼接一般按等強度原則；5、盡量簡化節(jié)點構造，以便于加工、安裝。6.1.2、連接形式1、焊接：A、焊接材料應選取與母材機械性能匹配；B、焊縫布置盡量與構件軸線對稱，力求受力均勻；C、焊縫、焊接接頭及坡口形式和尺寸符合標

16、準；D、厚度過大的構件，施焊前應預熱；E、根據(jù)焊縫部位的重要性，確定焊縫的質(zhì)量等級。包括：全熔透焊縫；部分熔透焊縫；2、高強度螺栓連接3、栓焊混合連接6.2、梁與柱的連接梁柱節(jié)點可分為：剛性連接、半剛性連接、鉸接連接。對于純框架，宜采用剛性連接。剛性連接：具有足夠的剛度，能使所連接的構件間的夾角在達到承載能力之前，實際不變的接頭。梁柱的剛性連接梁柱剛性連接構造形式有：1、全焊節(jié)點：梁的上下翼緣用坡口焊全熔透焊縫，腹板用角焊縫與柱翼緣相連接。2、栓焊混合節(jié)點：僅在梁的上下翼緣用全熔透焊縫，腹板用高強螺栓與柱翼緣上的剪力板相連。3全栓接節(jié)點：梁翼緣與腹板借助T形連接件用高強螺栓與柱翼緣相連。 在抗

17、震設計的連接節(jié)點中，要求計算連接的極限承載力，焊接和高強度螺栓連接的極限承載力應滿足下式要求：（1）Mu1.2Mp（2）Vu1.3(2Mp/Ln)且Vu0.58HwTwFy節(jié)點域的屈服承載力節(jié)點域的穩(wěn)定性各公式系數(shù)含義見抗震規(guī)范強柱弱梁6.2.1、全焊節(jié)點6.2.2、全栓接節(jié)點6.2.3、栓焊混合節(jié)點6.2.4、十字形節(jié)點6.2.6、梁柱節(jié)點板域補強 6.3、柱與柱的連接6.3.1、框架柱最常見的工地拼接形式6.3.2、變截面柱的連接6.3.4、關于實現(xiàn)強節(jié)點弱桿件的要求改進栓焊法中的焊接工藝。高鋼規(guī)程對梁柱剛接做法的規(guī)定削弱節(jié)點部位梁段的抗彎承載力RBS或“狗骨式”節(jié)點加強節(jié)點部位的抗彎承載

18、力外移梁的工地連接節(jié)點位置及塑性鉸位置6.4.1、梁與梁的拼接6.4.2、主次梁的連接6.4.3、主梁的側向隅撐6.4.4、梁不等高時的加勁肋與柱正交梁高不等時的加勁肋6.4.5、梁腹板開孔加強6.5、鋼柱腳的設計柱腳的作用是將柱下端的軸力、彎矩和剪力傳給基礎。抗震設計的柱腳，柱的下部在強震時為塑性區(qū)段，在形成塑性鉸之前，不允許柱腳先屈服。柱腳分為：埋入式外包式外露式6.5.1、埋入式柱腳6.5.2、外包式柱腳6.5.3外露式柱腳第七篇 樓蓋布置與設計7.1、概述：多高層結構中，樓蓋結構的方案選擇，要遵循滿足建筑設計要求、較小自重以及便于施工等一般性原則，還要有足夠的剛度。 樓蓋結構包括樓板和梁系，梁系通常由主梁和次梁組成。多高層鋼結構中的樓板：壓型鋼板組合樓板壓型鋼板作為混凝土的下部鋼筋與混凝土一起共同工作形成；非組合樓板壓型鋼板僅用作永久性模板，不參與共同工作。7.2、組合樓板的優(yōu)點施工速度快，不再采用支模施工，常不再支設臨時豎向支柱，由壓型鋼板承擔施工荷載。便于鋪設板內(nèi)管線，并可在壓型鋼板凹槽內(nèi)埋置顛簸裝修用的吊頂掛鉤。用圓柱頭焊釘穿透壓型鋼板焊接在鋼梁上翼緣后，使施工時對鋼梁起側向支承作用。在使用階段壓型鋼板作為混凝土樓板的受