第10章-钢结构及特殊荷载分析.pdf
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1钢结构及特殊荷载分析钢结构及特殊荷载分析编写：
邵弘编写：
邵弘中国建筑科学研究院中国建筑科学研究院1。
钢结构的特点和分析模型。
钢结构的特点和分析模型2。
钢结构的设计控制。
钢结构的设计控制3。
温度、吊车、特殊风荷载分析。
温度、吊车、特殊风荷载分析4。
异形柱结构的设计。
异形柱结构的设计1.1。
一般钢结构的特点。
一般钢结构的特点?
结构方案的随意性：
结构没有明显的楼层概念，它只根据需要而设置钢梁、支撑、楼板等。
结构方案的随意性：
结构没有明显的楼层概念，它只根据需要而设置钢梁、支撑、楼板等。
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建模时，采用大量的特殊手段：
如层间梁、修改节点高度、错层梁、坡梁、斜柱、楼板开大洞，等等。
建模时，采用大量的特殊手段：
如层间梁、修改节点高度、错层梁、坡梁、斜柱、楼板开大洞，等等。
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建筑设计只满足功能的需要建筑设计只满足功能的需要：
不考虑结构的要求不考虑结构的要求，如层如层、?
建筑设计只满足功能的需要建筑设计只满足功能的需要：
不考虑结构的要求不考虑结构的要求，如层如层、层刚度、薄弱层、位移比、侧移刚度，等等的概念。
所以结构布置大多为空旷的、不规则的、刚度不均匀的空间结构。
给分析带来一定的难度。
层刚度、薄弱层、位移比、侧移刚度，等等的概念。
所以结构布置大多为空旷的、不规则的、刚度不均匀的空间结构。
给分析带来一定的难度。
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结构薄弱点：
由于结构存在较多的不规则、不连续性，多层钢结构大多都会产生多处局部振动，造成多处薄弱部位。
给结构设计带来难度。
结构薄弱点：
由于结构存在较多的不规则、不连续性，多层钢结构大多都会产生多处局部振动，造成多处薄弱部位。
给结构设计带来难度。
水平支撑加变截面柱水平支撑加变截面柱变截面梁柱变截面梁柱多层钢结构工业厂房多层钢结构工业厂房2空间塔围结构空间塔围结构普通多层钢结构普通多层钢结构普通多层钢结构普通多层钢结构特殊工业钢结构特殊工业钢结构1.2。
高层钢结构的建模特点。
高层钢结构的建模特点?
高层钢结构往往带有，型钢构件、钢管构件、钢板剪力墙等等特殊的结构形式，设计时，应分别满足相应的设计规范、规程。
对一些特殊工程，还应作模型试验。
高层钢结构往往带有，型钢构件、钢管构件、钢板剪力墙等等特殊的结构形式，设计时，应分别满足相应的设计规范、规程。
对一些特殊工程，还应作模型试验。
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高层钢结构的建模，与高层混凝土结构的要求基本上符合，尽量避免错层、楼板不连续、平立面不规则、扭转不规则。
高层钢结构的建模，与高层混凝土结构的要求基本上符合，尽量避免错层、楼板不连续、平立面不规则、扭转不规则。
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高层钢结构往往采用大量的支撑，超高层钢结构大量采用支撑转换层、刚性层。
建模时应尽量避免越层支撑。
高层钢结构往往采用大量的支撑，超高层钢结构大量采用支撑转换层、刚性层。
建模时应尽量避免越层支撑。
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在高层混凝土结构的顶部加有钢塔时，建模要根据这类结构合理分析的需要。
如：
整体建模分析、分开建模分析等等。
更要考虑等效质量、荷载的合理作用。
在高层混凝土结构的顶部加有钢塔时，建模要根据这类结构合理分析的需要。
如：
整体建模分析、分开建模分析等等。
更要考虑等效质量、荷载的合理作用。
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应特别注意混合结构的建模方法。
如剪立墙与钢梁的连接。
应特别注意混合结构的建模方法。
如剪立墙与钢梁的连接。
高层钢结构高层钢结构支撑为主要抗侧力结构支撑为主要抗侧力结构31.3。
钢结构的局部振动。
钢结构的局部振动?
结构分析应满足相应的设计规范、规程。
结构分析应满足相应的设计规范、规程。
?
结构分析一般可以选择：
弹性楼板、结构分析一般可以选择：
弹性楼板、P-效应、总刚模型计算结构的振型、振型数应取得足够多满足有效质量系数，等等。
效应、总刚模型计算结构的振型、振型数应取得足够多满足有效质量系数，等等。
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结构的振型分析，可以观察到结构的薄弱部位，应尽量减少结构的振型分析，可以观察到结构的薄弱部位，应尽量减少结构的面外振动结构的面外振动、局部振动局部振动。
结构的面外振动结构的面外振动、局部振动局部振动。
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采用面外加强的方式，减少局部振动和薄弱部位。
采用面外加强的方式，减少局部振动和薄弱部位。
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当梁的高差较小（在梁高范围内）时，应简化成同一标高，这样可避免短柱的应力突变，造成设计超限。
当梁的高差较小（在梁高范围内）时，应简化成同一标高，这样可避免短柱的应力突变，造成设计超限。
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当结构为抗震控制，应尽量减少结构的刚度突变，减少薄弱层。
当结构为抗震控制，应尽量减少结构的刚度突变，减少薄弱层。
板厚为板厚为0，产生大量的空旷结构，产生大量的空旷结构振型数要多取振型数要多取45振型需要取到60个才能满足要求振型需要取到60个才能满足要求振型需要取到60个才能满足要求振型需要取到60个才能满足要求局部振动的处理局部振动的处理?
当局部振型靠前，说明在此处形成薄弱部位的可能性越大。
当第当局部振型靠前，说明在此处形成薄弱部位的可能性越大。
当第1振型就是局部振动时，可以肯定该部位是薄弱部位，在地震作用下，将首当其冲遭到破坏。
振型就是局部振动时，可以肯定该部位是薄弱部位，在地震作用下，将首当其冲遭到破坏。
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局部振动产生的薄弱部位，往往是局部的刚度失却。
如：
楼板开洞太多；只有平面内支撑，没有平面外支撑；或两个方向的刚度差异太大造成。
等等。
局部振动产生的薄弱部位，往往是局部的刚度失却。
如：
楼板开洞太多；只有平面内支撑，没有平面外支撑；或两个方向的刚度差异太大造成。
等等。
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改善结构的刚度改善结构的刚度，使之均衡使之均衡，以避免局部振动以避免局部振动。
如如：
增加增加?
改善结构的刚度改善结构的刚度，使之均衡使之均衡，以避免局部振动以避免局部振动。
如如：
增加增加平面外的刚度等。
平面外的刚度等。
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建模的不当或计算模型的不合理，也会造成局部振动。
建模的不当或计算模型的不合理，也会造成局部振动。
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通过增大振型数、保证有效质量系数等，产生局部振动的结构虽然是可以分析的，但是在设计时，还是应该尽量避免。
通过增大振型数、保证有效质量系数等，产生局部振动的结构虽然是可以分析的，但是在设计时，还是应该尽量避免。
1.4。
钢结构的非线性分析。
钢结构的非线性分析?
在钢结构分析时，应考虑在钢结构分析时，应考虑P-效应，即简化的几何非线性。
效应，即简化的几何非线性。
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当结构受力特殊时，还应考虑材料非线性，即弹塑性分析。
当结构受力特殊时，还应考虑材料非线性，即弹塑性分析。
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钢结构由于其材料的一致性、各向同性性、均匀性等，其材料非线性性能是比较容易模拟的，分析结果的真实性较高。
所以，一些特殊钢结构工程（如：
体育场馆、重要的钢结构由于其材料的一致性、各向同性性、均匀性等，其材料非线性性能是比较容易模拟的，分析结果的真实性较高。
所以，一些特殊钢结构工程（如：
体育场馆、重要的构筑物等构筑物等）都应考虑弹塑性分析都应考虑弹塑性分析。
构筑物等构筑物等）都应考虑弹塑性分析都应考虑弹塑性分析。
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非线性分析也可以找到结构的薄弱部位。
可以确定结构在大震下的承载能力。
是目前普遍采用的方法。
非线性分析也可以找到结构的薄弱部位。
可以确定结构在大震下的承载能力。
是目前普遍采用的方法。
6P-效应的计算选择效应的计算选择软件采用的计算方法软件采用的计算方法?
软件采用等效几何刚度的有限元法来考虑软件采用等效几何刚度的有限元法来考虑P-效应。
效应。
?
P-效应是一种简化的几何非线性计算方法。
一般结构还是属于小变形，所以效应是一种简化的几何非线性计算方法。
一般结构还是属于小变形，所以P-效应是可以满足设计需要的。
效应是可以满足设计需要的。
P?
当需要考虑材料非线性时，应采用弹塑性分析，即弹塑性静力分析（当需要考虑材料非线性时，应采用弹塑性分析，即弹塑性静力分析（PUSH）或弹塑性动力分析（）或弹塑性动力分析（EPDA）。
以得到结构大震下的承载能力。
）。
以得到结构大震下的承载能力。
P不考虑不考虑P-效应效应不考虑不考虑P-效应效应考虑考虑P-效应效应7考虑考虑P-效应效应9层钢框架模型层钢框架模型111.151.21.251.311.051.10100200300400500600700abaqus-0.01PUSH-0.01abaqus-1PUSH-1荷载因子荷载因子-位移曲线，位移曲线，PUSH与与ABAQUS的比较的比较00.050.10.150.20.250246810abaqusepda-0.25-0.2-0.15-0.1-0.050246810位移时程曲线，位移时程曲线，EPDA与与ABAQUS的比较的比较400gal1.5。
钢结构分析模型的简化。
钢结构分析模型的简化?
屋架的模型简化。
屋架的模型简化。
刚性杆或采用刚性楼板假定刚性杆或采用刚性楼板假定柱顶铰接柱顶铰接屋盖计算模型简化屋盖计算模型简化?
平板网架的模型简化。
平板网架的模型简化。
网架荷载按集中力作用到四周网架荷载按集中力作用到四周定义超大房间按刚性楼板假定分析定义超大房间按刚性楼板假定分析8?
网壳的模型简化。
网壳的模型简化。
网壳荷载按集中力作用到四周网壳荷载按集中力作用到四周超大房间按板厚为超大房间按板厚为0考虑考虑注意网壳传给四周的水平推力注意网壳传给四周的水平推力?
柱脚连接刚度的简化。
柱脚连接刚度的简化。
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一般上面两种柱脚连接，都按刚接处理。
但是，实际情况却有出入。
因为高强螺栓不能完全约束柱脚的位移，计算时按刚接处理，柱底约束偏刚，结构位移计算偏小，柱底内力偏大、柱顶内力偏小。
一般上面两种柱脚连接，都按刚接处理。
但是，实际情况却有出入。
因为高强螺栓不能完全约束柱脚的位移，计算时按刚接处理，柱底约束偏刚，结构位移计算偏小，柱底内力偏大、柱顶内力偏小。
箱形刚接柱脚连接箱形刚接柱脚连接H形刚接柱脚连接H形刚接柱脚连接?
梁腹板高强螺栓连接刚度的简化。
梁腹板高强螺栓连接刚度的简化。
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梁柱刚接的连接方式：
翼缘焊接、腹板用高强螺栓连接。
在计算时按刚接处理是合理的。
梁柱刚接的连接方式：
翼缘焊接、腹板用高强螺栓连接。
在计算时按刚接处理是合理的。
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柱梁铰接的连接方式：
腹板用高强螺栓连接。
这种连接实际上腹板还是有承载能力的（约是刚接的柱梁铰接的连接方式：
腹板用高强螺栓连接。
这种连接实际上腹板还是有承载能力的（约是刚接的40%），按铰接处理梁的跨中弯矩将偏大，梁支座处截面（腹板）没有进行强度验算，存在隐患。
），按铰接处理梁的跨中弯矩将偏大，梁支座处截面（腹板）没有进行强度验算，存在隐患。
梁柱刚接梁柱刚接梁柱铰接梁柱铰接主次梁的连接同梁柱的铰接类似，也有刚度模拟问题。
严格地说，钢结构的铰接是一种半刚接，如何合理的模拟这种半刚接，是需要研究的课题。
主次梁的连接同梁柱的铰接类似，也有刚度模拟问题。
严格地说，钢结构的铰接是一种半刚接，如何合理的模拟这种半刚接，是需要研究的课题。
2.1。
钢结构的设计控制。
钢结构的设计控制?
在分析高层钢结构时，在分析高层钢结构时，P-效应一般总是要考虑的，其它的设计选择应根据相应的规范、规程而定。
效应一般总是要考虑的，其它的设计选择应根据相应的规范、规程而定。
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梁柱节点域的变形问题：
目前程序没有考虑梁柱节点域的剪切变形，这也是一个复杂问题。
如考虑节点域变形，而梁柱采用节点以外的长度，与不考虑节点变形，而梁柱采用形心梁柱节点域的变形问题：
目前程序没有考虑梁柱节点域的剪切变形，这也是一个复杂问题。
如考虑节点域变形，而梁柱采用节点以外的长度，与不考虑节点变形，而梁柱采用形心长度长度。
这两种分析模型这两种分析模型，对结构影响变化有多大对结构影响变化有多大，目前研究目前研究长度长度。
这两种分析模型这两种分析模型，对结构影响变化有多大对结构影响变化有多大，目前研究目前研究较少。
节点剪切变形与节点域的加固程度有关，所以也不容易合理地估计。
总之，只要对节点域加固，一般可以不考虑节点域的剪切变形。
较少。
节点剪切变形与节点域的加固程度有关，所以也不容易合理地估计。
总之，只要对节点域加固，一般可以不考虑节点域的剪切变形。
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偏心支撑：
在高层钢结构中设置偏心支撑，可以提高结构的整体延性，避免支撑附近构件内力突变，通过耗能梁吸收地震作用，从而达到抗震的目的。
偏心支撑：
在高层钢结构中设置偏心支撑，可以提高结构的整体延性，避免支撑附近构件内力突变，通
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