钢结构建筑结构设计要点和降低用钢量方法结题报告47868.docx
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1、钢结构建筑筑结构设计计要点和降降低用钢量量方法结题报告宝钢建筑系系统集成有有限公司二一三年年三月钢结构建筑筑结构设计计要点和降降低用钢量量方法结题报告技术指导:高光虎、孙孙绪东项目负责人人:田海项目研究人人员:田海宝钢建筑系系统集成有有限公司声明:本作品权益属宝钢建筑系统集成有限公司所有。所含信息、专有技术应予保密。未经本公司书面许可,不得修改、复制、提供或泄漏给任何第三方。二一三年年三月目 录第1章 概述11 11.1 控控制钢结构构用钢量的的意义11 11.2 本本报告研究究的对象11第2章 建筑、结结构的概念念和方案的的优化设计计4 22.1 自自然条件的的精确掌握握44 22.1.11
2、 抗震设设防分类标标准4 22.1.22 荷载9 22.2 平平面布置原原则233 22.3 平平面的长宽宽比244 22.4 高高宽比255 22.5 建建筑层数和和高度的影影响266 22.6 立立面形状266第3章 结构规范体体系的选择择227第4章 结构选型333 44.1 钢钢框架体系系333 44.2 钢钢管混凝土土柱框架体体系333 44.3 钢钢框架(钢钢管混凝土土柱框架)支撑体系系344 44.4 钢钢框架内内藏钢板支支撑剪力墙墙体系366 44.5 钢钢框架钢钢板剪力墙墙体系377 44.6 交交错桁架体体系388 44.7 钢钢框架钢钢筋混凝土土核心筒体体系399第5章
3、材材料441 55.1 高高层建筑用用钢要求411 55.2 焊焊接H型、高高频焊接HH型钢、热热轧H型钢钢三者的比比较41 55.3 圆圆管和方管管截面的选选用原则422第6章 结结构分析和和软件实现现技巧444 66.1 PPKPM(SSTS)中中和钢结构构用钢量设设计相关的的参数选择择44 66.2 弱支撑框框架弹性稳稳定计算的的实用方法法447第7章 构件设计449 77.1 框框架梁499 77.2非框框架梁522 77.3 框框架柱544 77.4 支支撑544第8章 楼楼板设计557第9章 构构造要求和和细节600 99.1 次次梁和主梁梁的连接600 99.2方管管柱和H钢钢梁
4、的连接接节点6009.3十字字型柱的截截面构造63347第1章 概概述1.1 控控制钢结构构用钢量的的意义 建建筑钢结构构的经济性性能一直是是大家最为为关注的一一个问题。如如何控制工工程造价,充充分发挥钢钢结构建筑筑技术经济济上的综合合优势,工工程设计是是一个非常常重要和关关键的阶段段,据权威威资料统计计分析,在在方案和初初步设计阶阶段,影响响工程造价价的可能性性为75%95%;在技术术设计实施施阶段,影影响工程造造价的可能能为35%75%;在施工工图设计阶阶段,影响响工程造价价的可能性性5%335%。因因此控制设设计各阶段段的质量、进进行相应的的设计优化化对工程造造价将产生生直接的影影响。1
5、.2 本本报告研究究的对象钢结构建筑筑的应用范范围很广,主主要包括厂厂房钢结构构、低多层层轻钢结构构、多高层层钢结构、大大跨度钢结结构、高耸耸和塔桅钢钢结构、桥桥梁钢结构构以及一些些移动钢结结构。从建建筑的使用用功能上来来讲,建筑筑类型可分分为民用建建筑、工业业建筑和农农业建筑三三大类型。民民用建筑又又分为居住住建筑和公公共建筑两两大类。居居住建筑指指供生活起起居用的建建筑,如住住宅、宿舍舍、酒店式式公寓等;公共建筑筑指进行社社会活动的的非生产型型建筑,如如办公建筑筑、文教建建筑、医疗疗建筑、商商场建筑、观观演建筑、展展览建筑、交交通通讯建建筑、园林林建筑等。本本手册主要要关注采用用低多层轻轻
6、钢结构和和多高层钢钢结构为载载体的民用用建筑的结结构优化设设计。民用用建筑中采采用的大跨跨度钢结构构包括网架架、网壳、空空间桁架、张张弦等结构构形式不在在本报告的的研究之范范围。在确定了本本报告的研研究范围之之后,有必必要对相关关建筑类型型从现行的的建筑和结结构规范的的角度加以以梳理和分分类,以方方便后续结结构优化设设计的方法法讨论。按民用建建筑设计通通则(GGB503352-22005)第第3.1.2条之规规定:民用建筑按按地上层数数或高度分分类划分应应符合下列列规定: (1)住宅建筑筑按层数分分类:一层层至三层为为低层住宅宅,四层至至六层为多多层住宅,七七层至九层层为中高层层住宅,十十层及
7、十层层以上为高高层住宅; (22)除住宅建建筑之外的的民用建筑筑高度不大大于24mm者为单层层和多层建建筑,大于于24m者者为高层建建筑(不包括建建筑高度大大于24mm的单层公公共建筑); (33)建筑高度度大于1000m的民民用建筑为为超高层建建筑。建筑设计计防火设计计规范GGB500016-22006和和高层民民用建筑设设计防火规规范(20005版)GGB500045-995也有对对于上述划划分的相同同规定。但但是突出了了将首层设设置商业服服务网点的的住宅也归归于居住建建筑的规定定。其中建建筑设计防防火设计规规范GBB500116-20006中第第1.0.2条对建建筑的高度度和层数有有如下
8、具体体规定:(1)建筑筑高度的计计算:当为为坡屋面时时,应为建建筑物室外外设计地面面到其檐口口的高度;当为平屋屋面(包括括有女儿墙墙的平屋面面)时,应应为建筑物物室外设计计地面到其其屋面面层层的高度;当同一座座建筑物有有多种屋面面形式时,建建筑高度应应按上述方方法分别计计算后取其其中最大值值。局部突突出屋顶的的瞭望塔、冷冷却塔、水水箱间、微微波天线间间或设施、电电梯机房、排排风和排烟烟机房以及及楼梯出口口小间等,可可不计入建建筑高度内内。(2)建筑筑层数的计计算:建筑筑的地下室室、半地下下室的顶板板面高出室室外设计地地面的高度度小于等于于1.5mm者,建筑筑底部设置置的高度不不超过2.2m的自
9、自行车库、储储藏室、敞敞开空间,以以及建筑屋屋顶上突出出的局部设设备用房、出出屋面的楼楼梯间等,可可不计入建建筑层数内内。住宅顶顶部为两层层一套的跃跃层,可按按1层计,其其它部位的的跃层以及及顶部多于于2层一套套的跃层,应应计入层数数。由上述建筑筑规范可见见,住宅、宿宿舍等居住住类建筑是是按层数来来划分是否否为高层,其其他类建筑筑按照建筑筑实际高度度来划分是是否为高层层。结构规范中中涉及到上上述内容的的有高层层建筑混凝凝土结构技技术规程JJGJ3-20100第1.00.2条,本本规程适用用于10层层及10层层以上或房房屋高度大大于28mm的住宅建建筑以及房房屋高度大大于24mm的其他高高层民用
10、建建筑混凝土土结构。该该规程中第第11章规规定混合结结构的结构构设计,其其中有一部部分涉及到到钢结构的的相关规定定。另高高层建筑钢钢-混凝土土混合结构构设计规程程CECCS2300-20008中第11.0.22条规定本本规程适用用于10层层及10层层以上或房房屋高度超超过28mm的高层建建筑钢-混混凝土混合合结构的设设计。上述述两本结构构规程对高高层建筑的的界定并不不完全统一一。综合上述建建筑和结构构规范,建建议高层建建筑的界定定如下: (11)对于住住宅(包括括首层设置置商业服务务网点的住住宅)、宿宿舍、酒店店式公寓等等居住建筑筑,当建筑筑物层数为为10层及及10层以以上,或房房屋高度大大于
11、28mm时,认定定为高层建建筑; (22)对于带带两层及两两层以上商商业的住宅宅、其他多多层民用公公共建筑,当当房屋高度度大于244m时,认认定为高层层建筑。房屋高度为为自室外地地面至房屋屋主要屋面面的高度,不不包括突出出屋面的电电梯机房、水水箱、构架架等高度。第2章 建筑、结结构的概念念和方案的的优化设计计 在在民用建筑筑设计中,往往往建筑方方案确定后后,结构的的成本也基基本确定了了60%70,剩剩下的300%400的成本本可通过结结构方案的的优化和精精细化设计计来控制。控控制结构用用钢量是成成本控制的的首要问题题,必须从从方案阶段段着手,重重视结构的的概念设计计。概念设设计,是指指设计人员
12、员在从结构构选型、布布置,分析析计算,截截面设计到到细部处理理的整个设设计过程中中,对所遇遇到的问题题依据建筑筑结构在各各种情况下下工作的一一般规律(主主要是建筑筑、结构专专业的基础础理论),结结合实践经经验,综合合考虑各方方面因素,确确定合理的的分析、处处理方法,力力求得到最最为经济、合合理的结构构设计方案案。宏观上上把握方案案,无论是是建筑和结结构专业,可可以从以下下方面入手手。2.1 自自然条件的的精确掌握握2.1.11 抗震设设防分类标标准 对对建筑工工程抗震设设防分类标标准(GGB502223-20088)进行深深入理解后后发现,建建筑工程抗抗震设防类类别划分的的基本原则则是从抗震震
13、设防的角角度进行分分类,即根根据建筑遭遭遇地震破破坏后,可可能造成人人员伤亡、直直接和间接接损失、社社会影响的的程度及其其在抗震救救灾中的作作用等因素素,将各类类建筑划分分为不同的的抗震设防防类别,采采取不同的的设计要求求。而在一一个较大的的建筑中,区区别对待有有不同使用用功能的建建筑区段,分分别划分其其设防类别别,即为“按区段设设置结构抗抗震设防类类别”的思想。分分类对待、突突出重点是是在现有技技术和经济济条件下减减轻地震灾灾害的重要要对策之一一。 “区段”是一个最最为重要的的概念。“一个区段段”指的是:具有同一一建筑功能能的相关范范围,考察察的是人员员的聚集程程度(注意意,人流是是否密集是
14、是关键),与与结构是否否设置防震震缝并无直直接关系(防防震缝作为为区段的划划分标志是是有条件的的,只有当当防震缝两两侧结构单单元因建筑筑功能不同同而被建筑筑隔墙隔开开时,防震震缝两侧的的结构单元元才可分为为不同区段段),而与与建筑功能能分区及不不同区段出出口设置有有关。结合工程实实际,不同同区段主要要有以下情情况:(11)防震缝缝分开的不不同结构单单元;(22)同一结结构单元,上上下楼层建建筑功能显显著不同,划划分为不同同区段;(3)同一结构单元,平面内使用功能显著不同,划分为不同区段。情况(1):防震缝分分开的结构构单元,抗抗震设防类类别的划分分(a)各结结构单元可可根据本单单元的建筑筑功能
15、单独独划分其抗抗震设防类类别。防震震缝分开的的结构单元元,若各单单元功能单单一且有单单独的疏散散出入口,各各单元独立立承担地震震作用,彼彼此之间没没有相互作作用,地震震发生时人人流疏散较较容易,因因此可按本本单元的建建筑功能单单独划分其其抗震设防防类别。(b)对于于需按功能能面积、人人流量、座座位数等要要素确定抗抗震设防类类别时(如如商业建筑筑、影剧院院等),可可根据本单单元的统计计值划分其其类别。对对于面积较较大的多层层商业建筑筑,若设置置防震缝将将其分成若若干个结构构单元,且且各单元满满足相关消消防规范要要求,有单单独的疏散散出入口,则则各单元可可根据本单单元的人流流量、商业业面积来划划分
16、其抗震震设防类别别。由此可可见,合理理设置防震震缝,不仅仅能改善结结构的平面面规则性、竖竖向规则性性,也可能能影响抗震震设防类别别的划分,直直接影响建建筑功能、结结构安全及及工程造价价。例如:某多多层大型商商业,总建建筑面积44.78万万平方米,远远大于建筑筑面积1.7万平方方米或营业业面积70000m22的要求。若若设计为整整体结构,本本工程无疑疑应划为重重点设防类类;现按结结合其建筑筑平面设置置防震缝,将将其划分为为四个结构构单元,并并有独立的的人流疏散散系统,各各单元面积积及人数均均未达到“大大型商场” 的标准,设设防类别均均为标准设设防类(图图2.1)。图2.1某某大型多层层商业防震震
17、设置示意意图(c)由防防震缝分开开的各结构构单元并不不能直接视视为不同区区段, 分分别划分其其抗震设防防类别;应应根据规范范提高抗震震设防标准准的目的,判判断各结构构单元是否否能独立实实现其设防防目标, 以此来判判断各结构构单元是否否能作为区区段分别划划分其抗震震设防类别别。如商场场、剧场等等人员密集集建筑,提提高其设防防类别是为为了避免人人员伤亡;因此各单单元应有独独立的人流流疏散体系系,保证人人员安全, 才能将由由防震缝分分开的各结结构单元单单独划分其其抗震设防防类别。基础设施建建筑(如电电力、通讯讯、交通、城城市生活供供给等建筑筑),规范范提高抗震震设防的标标准是保证证此类建筑筑在地震时
18、时使用功能能不能中断断或能尽快快恢复,所所以此类建建筑设置防防震缝时,主主功能房结结构单元除除应满足建建筑功能要要求外, 应具备满满足基础设设施正常使使用的配套套设备系统统;如配套套系统位于于另一结构构单元,则则此结构单单元的设防防类别也应应达到相应应类别,并并保证不因因防震缝的的设置影响响设防目标标。情况(2):同一结构构单元上下下楼层建筑筑功能显著著不同时,抗抗震设防类类别的划分分(a)同一一结构单元元内,上下下楼层建筑筑功能显著著不同时,可可将其划分分为不同区区段,分别别划分其抗抗震设防类类别。例如A级高高度的高层层住宅带有有大型的人人流密集的的多层商业业裙房,若若高层住宅宅和多层裙裙房
19、之间未未设防震缝缝,是一个个结构单元元,多层裙裙房商场及及高层住宅宅下部几层层按规范为为重点设防防类时,其其上部住宅宅可按标准准设防类设设防。某大型商住住建筑群,设设置三道抗抗震缝,将将整个建筑筑分为A、BB、C、DD四个结构构单元。AA单元由AA、B塔楼楼及裙房构构成,为大大底盘双塔塔结构,BB单元由CC塔楼及裙裙房构成,为为大底盘单单塔结构,CC单元由DD塔楼及裙裙房构成,为为大底盘单单塔结构。裙裙房部分均均为2层地地下车库、66层商业,其其上塔楼为为住宅或写写字间。因因裙房与塔塔楼建筑功功能显著不不同,按上上下区段分分别划分抗抗震设防类类别,裙房房划分为重重点设防类类,塔楼划划分为标准准
20、设防类。DD单元是位位于B、CC单元间的的多层建筑筑,是两个个单元间的的连接体,为为2层地下下车库、66层商业,建建筑面积及及使用人数数未达到“大大型商场”的的标准,抗抗震设防类类别为标准准设防类(图图2.2)。图2.2 某建筑物物的抗震设设防分类(b)位于于下部的区区段,其抗抗震设防类类别不应低低于上部的的区段。在在同一结构构单元中,按按区段划分分时,若上上部区段建建筑设防类类别较高,下下部区段建建筑设防类类别较低,则则其下部区区段建筑设设防类别也也应按较高高的建筑设设防类别划划定。如多多层商业建建筑,二、三三层设置大大型电影院院时,需设设置为重点点设防类,则则电影院下下部楼层也也应设置为为
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