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1、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、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
2、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；,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
3、；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,荷载效应计算,偶然荷载：地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,水平地震影响系数振型数不少于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：
4、GE=GK+0.5QS+0.5QA+kQL+GKT k=0/0.5/1.0,振型分解反应谱法典型公式,荷载效应计算,竖向地震作用（仅在计算多层框架内大跨度或大悬臂构件时考虑）,竖向地震作用系数v: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,可变荷载控制：,永久荷载控制：,荷载效应组合,考虑地震的组合,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
5、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；,一般规定,多层框架柱的计算长度H0=H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，=H/500/=h/400；多遇地震，=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）：,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
6、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,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,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
7、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,多层钢结构的支撑,支撑的布置和形式支撑布置原则：承受水平荷载，保证结构稳定性，避免过大的次应力和温度应力平面布置：支撑应沿结构纵向和横向分别布置，最好沿结构主轴对称，如正方平面，支撑布置在房屋中央和四角；长方形平面，支撑布置在长边的两端和中部，沿横向多布，沿纵向少布。沿高度布置：最好上下贯通，否则应至少搭接一层。支撑形式：X形支撑/K形支撑/华伦氏支撑,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或；,多层钢结构的支撑,还要考虑竖向荷载引起的附
8、加内力，受压交叉斜撑,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,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,钢与混凝土组合板,压型钢板
9、跨中变形v20mm时，确定混凝土自重时应考虑凹坑效应，厚度+0.7v或增设支撑组合板有局部荷载时，有效宽度的确定抗弯计算：简支板 bem=bm+2lp(1-lp/l)；连续板 bem=bm+4lp(1-lp/l)/3抗剪计算：bem=bm+lp(1-lp/l)其中：bm=bp+2(hc+hf),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
10、的正、负弯矩。,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）Asffcmhcb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,钢与混凝土组合板,负弯矩段的截面强度和裂缝宽度按混凝土
11、结构设计规范计算组合板挠度分别按荷载短期效应组合和长期效应组合计算。,组合板构造要求,压型钢板净厚度=0.75mm，镀锌层厚度满足防腐要求；浇注混凝土的槽（肋）宽=50mm；槽内设圆柱头焊钉连接件时压型钢板高=90mm，hc=50mm；组合板端部必须内设圆柱头焊钉连接件，将压型钢板凹肋焊牢于钢梁上，圆柱头焊钉直径s=3m,13-16/s=3m-6m,16-19/s6m,19,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
12、、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,组合梁设计,组合梁的分类普通混凝土翼板组合梁压型钢板组合梁预制装配式混凝土板组合梁,组合梁设计,组合梁的优点节约钢材，降低造价；增大截面刚度，减小钢梁挠度；减小结构高度及建筑物总高度；增强结构整体性；钢梁为组合板支撑，节约模板，缩短工期,组合梁设计,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
13、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,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,柱的拼接连接,拼接位置：楼层半高；避开弯矩较大区域焊缝传力端部铣平传力连接板传力横向填板传力,四、柱脚节点,柱脚节点,铰接柱脚刚接柱脚,
