【正文】 有六個(gè)自由度，但是每個(gè)自由度都受到周?chē)鷺?gòu)件的約束，柱子計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)非常復(fù)雜，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，但是該方法非常保守，一些設(shè)計(jì)院并不采用此方法，有興趣的讀者可以參閱相關(guān)科技文獻(xiàn)，本書(shū)只按照規(guī)范方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)前需要按照?qǐng)D 6 進(jìn)行設(shè)置。 （ a） X 向最大樓層位移角 圖 多遇地震下最大樓層位移角 應(yīng)力比 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 一層樓蓋梁應(yīng)力比 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 二層樓蓋梁應(yīng)力比 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 三 層樓蓋梁應(yīng)力比 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 四 層樓蓋梁應(yīng)力比 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 五 層樓蓋梁應(yīng)力比 剪重比 按抗震規(guī)范（ ）調(diào)整各樓層地震內(nèi)力 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 表 結(jié)構(gòu)剪重比 由表 可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)各個(gè)樓層剪重比大于 ，滿(mǎn)足規(guī)范要求。如圖 樓層最大位移圖可見(jiàn)，該結(jié)構(gòu)側(cè)向位移為剪切型變形，符合框架結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)，定點(diǎn)最大位移 X 向、 Y 向分別為 毫米、 毫米， 1/500， 1/500，均符合規(guī)范要求。撓度要求包括兩項(xiàng)，一恒荷載和活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合產(chǎn)生的撓度，如主梁撓度小于跨度的1/400，此項(xiàng)如果不滿(mǎn)足可以對(duì)梁預(yù)起拱，梁實(shí)際撓度扣除預(yù)起拱值后滿(mǎn)足本表；二活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值的撓度，如主梁撓度小于跨度的 1/500，此項(xiàng)要求必 須滿(mǎn)足，不能夠通過(guò)預(yù)起拱措施解決，如果不滿(mǎn)足只能加大梁的截面或者采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)等。 表 自振頻率 (未考慮樓梯） Case Mode Period sec UX UY UZ Sum UX Sum UY Sum UZ RX RY RZ Sum RX Sum RY Sum RZ Modal 1 0 0 0 0 0 0 0 0 Modal 2 0 0 0 0 Modal 3 0 0 0 0 0 Modal 4 0 0 0 0 0 Modal 5 0 0 0 0 Modal 6 0 0 0 0 Modal 7 0 0 0 0 0 Modal 8 0 0 0 0 Modal 9 0 0 0 0 Modal 10 0 0 0 0 0 Modal 11 0 0 0 0 0 Modal 12 0 0 0 0 0 Modal 13 0 0 0 0 0 Modal 14 0 0 0 0 0 Modal 15 0 0 0 0 0 Modal 16 0 0 0 0 0 0 Modal 17 0 0 0 0 Modal 18 0 0 0 0 0 Modal 19 0 0 0 0 0 Modal 20 0 0 0 0 Modal 21 0 0 0 0 Modal 22 0 0 0 0 0 Modal 23 0 0 0 0 0 Modal 24 0 0 0 0 Modal 25 0 0 0 0 0 Modal 26 0 0 0 0 0 Modal 27 0 0 0 0 0 Modal 28 0 0 0 0 0 0 Modal 29 0 0 0 0 0 Modal 30 0 0 0 0 0 0 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) (a) 第一階模態(tài) (T1=) (b) 第二階模態(tài) (T2=) (c)第三階模態(tài) (T3=) (d) 第 五 階模態(tài) (T5=) 圖 自振模態(tài) 由圖 可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)第一、二階模態(tài)為水平震動(dòng)，周期 T1=， T2=；第 五 階為帶有扭轉(zhuǎn)的振動(dòng)模態(tài)，周期 T5=；扭轉(zhuǎn)與平動(dòng)周期比為 ，滿(mǎn)足規(guī)范要求。 模態(tài)分析 模態(tài)分析采用特征向量分析方法，計(jì)算了 30階模態(tài)，模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到 90%以上，滿(mǎn)足規(guī)范要求。如果周期比大于 或者第一、二振型就有扭轉(zhuǎn)說(shuō)明結(jié)構(gòu)方案不合理或者構(gòu)件尺度不合理 —— 即扭轉(zhuǎn)剛度弱，可以調(diào)整結(jié)構(gòu)方案或者調(diào)整梁柱截面尺寸以增大結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度。首先查看振型，檢查結(jié)構(gòu)自振周期是否在合理的范圍內(nèi)（ ~），如果相差很遠(yuǎn)，往往是模型的建立有問(wèn)題，如節(jié)點(diǎn)沒(méi)有連接、結(jié)構(gòu)有大的弱懸挑、樓板沒(méi)有和梁連接、多余的懸空構(gòu)件、缺少或者有多余約束等。計(jì)算分析的速度很快，本工程的分析只需 2 分鐘即可完成。在分析前我們可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)對(duì)任意組合進(jìn)行調(diào)整，或者添加刪減組合。 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 圖 振型設(shè)置 荷載組合 建筑承受的荷載包括恒荷載（保留結(jié)構(gòu)自重、建筑自重、輕質(zhì)墻體等）、樓面活荷載、屋面活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、地震作用，規(guī)范給定的這些荷載為標(biāo)準(zhǔn)值，其具有不確定性，為了考慮荷載隨機(jī)分布的不利影響，對(duì)其乘以大于 1 的分項(xiàng)系數(shù)；在這些荷載同時(shí)作用時(shí)，其不會(huì)同時(shí)取得最大值，所以在同時(shí)考慮這些荷載時(shí)對(duì)其要乘以組合系數(shù)。一般當(dāng)計(jì)算振型數(shù)較多，如達(dá)到幾百甚至幾萬(wàn)時(shí)，可以考慮采用Ritz 法。 振型個(gè)數(shù)不超過(guò)層數(shù)的 3 倍，一般取樓層數(shù)至樓層數(shù)的 3 倍之間 ，對(duì)于計(jì)算機(jī)分析多取一些振型不會(huì)增加多少計(jì)算時(shí)間，但是能夠提高計(jì)算精度，振型數(shù)目盡量多取。振型組合采用 CQC，方向組合采用 SRSS，符合《建筑抗震規(guī)范規(guī)定》。時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算各抗側(cè)力構(gòu)件方向的水平地震作用。 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》一般情況下，應(yīng)至少在建筑結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向分別計(jì)算水北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 平地震作用，各方向的水平地震作用應(yīng)由該方向抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)。 圖 地震作用質(zhì)量源 圖 反應(yīng)譜函數(shù) 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（ GB500112021）定義反應(yīng)譜，由規(guī)范表 ，水平地震影響系數(shù)最大值為 ，由表 特征周期為 ，由規(guī)范 條，建筑高度大于 50m且小于 200 時(shí)，阻尼比取 。 地震作用輸入 地震作用是結(jié)構(gòu)上的具有質(zhì)量的物體在地震波作用下產(chǎn)生加速度，從而引起對(duì)結(jié)構(gòu)的力的作用。本工程中迎風(fēng)面手算風(fēng)荷載總值為 1438kN，軟件計(jì)算風(fēng)荷載總值為 1656kN，北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 二者相差 15%；背風(fēng)面手算風(fēng)荷載總值為 900kN，軟件計(jì)算風(fēng)荷載總值為 1035kN，二者相差 15%。軟件計(jì)算的風(fēng)荷載頂部小于規(guī)范手算，底部大于規(guī)范手算。軟件計(jì)算風(fēng)荷載分布形式為倒梯形分布，手算為倒三角形分布。 按照規(guī)范方法計(jì)算 5 層迎風(fēng)虛面上的風(fēng)荷載為： kNF w ) ( ???????? 按照規(guī)范方法計(jì)算 30 層背風(fēng)虛面上的風(fēng)荷載為： kNF w ) ( ???????? 而軟件自動(dòng)計(jì)算 5層迎風(fēng)虛面上的風(fēng)荷載為： ； 30 層背風(fēng)虛面上的風(fēng)荷載為： ，軟件計(jì)算明顯小于規(guī)范算法。同時(shí)，按照?qǐng)D 所示，輸入基本風(fēng)壓、地面粗糙度、振型系數(shù)來(lái)源、結(jié)構(gòu)自振周期、結(jié)構(gòu)阻尼比。當(dāng)選擇風(fēng)力作用面來(lái)自隔板范圍時(shí)，必須在樓層處建立剛性隔板，而一旦建立剛性隔板即假定樓板平面內(nèi)剛度無(wú)窮大，按照此假定計(jì)算樓層內(nèi)的梁應(yīng)力很小，這與梁 實(shí)際受力不符，所以此法一般不采用。采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算需要在定義風(fēng)荷載工況，如圖 所示自動(dòng)側(cè)向荷載欄內(nèi)選擇 Chinese 2021，然后再如圖 所示修改側(cè)向荷載。 圖 靜載工況定義 圖 樓面恒荷載和活荷載 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 圖 內(nèi)墻折合樓面恒荷載 圖 屋面恒荷載和活荷載 北京地區(qū)基本雪壓為 ，小于上人屋面活荷載 ，所以屋面荷載不必考慮雪荷載。靜載工況定義如圖 所示。首先定義靜荷載工況名稱(chēng)，定義靜荷載工況包括荷載名稱(chēng)，根據(jù)設(shè)計(jì)者的習(xí)慣可以定義任意荷載名稱(chēng)；對(duì)每一種荷載名稱(chēng)要指定正確的荷載類(lèi)型，包括恒載、活荷載、風(fēng)荷載、內(nèi)墻折合樓面荷載、雪荷載等常用荷載類(lèi)型，只有指定了正確的荷載類(lèi)型，程序才能夠自動(dòng)正確確定荷載的分項(xiàng)系數(shù)和荷 載組合。 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 圖 材料定義 表 結(jié)構(gòu)構(gòu)件規(guī)格 構(gòu)件編號(hào) 構(gòu)件規(guī)格尺寸 材質(zhì) 鋼柱 B300x300x10 Q345B 梁 1 H250x250x10X13 Q235B 梁 2 H200x200x8X12 Q235B 壓型鋼板 YXB75200600 鍍鋅鋼板 Q235 圖 結(jié)構(gòu)平面及剖面布置圖 圖 壓型鋼板樓板定義 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 恒荷載和活荷載計(jì)算及輸入 建筑結(jié)構(gòu)荷載包括樓面恒荷載、樓面活荷載、屋面恒荷載、屋面活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載、內(nèi)墻荷載、外墻荷載等。梁柱截面截面定義如圖 所示，壓型鋼板定義如圖 所示，壓型鋼板肋頂混凝土厚度最小 50mm 為規(guī)范最低限值。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)方案，在 etabs 軟件中建立柱子、梁和壓型鋼板樓板。 結(jié)構(gòu)頂層風(fēng)荷載為： kNBhwW kto p 6 ????? 同理各層風(fēng)荷載見(jiàn)表 表 各層風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 樓層號(hào) 距離地面高度 風(fēng)荷載 kN 5 4 3 2 1 （電算） 結(jié)構(gòu)建模 首先定義材料，混凝土樓板采用 C30，鋼梁采用 Q235B，鋼柱采用 Q345B。 本工程 10層鋼結(jié)構(gòu)建筑 ，但寬高比小于 ， 不 考慮脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)順風(fēng)向風(fēng)振的影響 。 由表 高度 90 米和 100 米處的 B 類(lèi)地面粗糙度的風(fēng)壓高度變化系數(shù)分別為 和 。 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) 風(fēng)壓高度變化系數(shù) zu 根據(jù)建筑物計(jì)算點(diǎn)離地面高度和地面粗糙度類(lèi)別，按照規(guī)范表 確定。 1） 樓面 恒載 （ 1） 125 厚壓型鋼板 （程序自動(dòng)考慮） （ 2）吊頂恒載 kN/m2 （ 3）面層做法 kN/m2 （ 4）內(nèi)墻折合樓面均布荷載 kN/m2 荷載合計(jì) 2） 樓面活荷載 公寓 kN/m2 衛(wèi)生間 kN/m2 廚房 kN/m2 3） 鋼樓梯間 恒載 （ 1）鋼樓梯（上鋪 50mm 混凝土板） （ 2）吊頂恒載 kN/m2 （ 3）面層做法 kN/m2 荷載合計(jì) 4） 樓梯間 活荷載 5） 屋面 恒載 北京工業(yè)本科鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì) （ 1） 125 厚壓型鋼板 （程序自動(dòng)考慮） （ 2）吊頂恒載 kN/m2 （ 3）面層做法 kN/m2 荷載合計(jì) 6） 屋面活載（上人屋面） kN/m2 7） 風(fēng)荷載 基本風(fēng)壓（重現(xiàn)期 50 年） kN/m2 體型系數(shù)：墻體：迎風(fēng)面 kN/m2 背封面 kN/m2 8） 雪荷載 基本雪壓 （重現(xiàn)期 50 年） kN/m2 9） 墻體荷載 內(nèi)墻：輕鋼龍骨隔墻 kN/m2 外墻：玻璃幕墻 kN/m2 根據(jù) 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（ GB500092021）規(guī)范，風(fēng)荷載的計(jì)算公式為： 0k z s zw u u??? （ ） su —— 體型系數(shù) zu —— 風(fēng)壓高度變化系數(shù) z? —— 風(fēng)振系數(shù) 0? —— 基本風(fēng) 壓 kw —— 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 體型系數(shù) su 根據(jù)建筑平面形狀由 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 表 確定。 焊條 Q235B 鋼與 Q235B 鋼焊接時(shí)，焊條應(yīng)選用 E43XX 型； Q235B 鋼與 Q345B鋼焊接時(shí)，焊條應(yīng)選用 E43XX 型； Q345B 鋼與 Q345B 鋼焊接時(shí)，焊條應(yīng)選用 E50XX 型；焊條應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳鋼焊條》 (GB/T511