鋼結(jié)構(gòu) 柱和支撐設(shè)計

1、1唐山學(xué)院土木工程系唐山學(xué)院土木工程系 24.3 4.3 柱和支撐的設(shè)計柱和支撐的設(shè)計v 框架柱設(shè)計框架柱設(shè)計v 梁與柱的連接梁與柱的連接v 水平支撐布置水平支撐布置v 豎向支撐設(shè)計豎向支撐設(shè)計34.3.1 4.3.1 框架柱設(shè)計框架柱設(shè)計 常用的柱截面形式常用的柱截面形式4鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震等級鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震等級房屋高度房屋高度烈烈 度度678950m四四三三二二50m四四三三二二一一5現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的抗震等級現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的抗震等級 結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)類型設(shè)設(shè) 防防 烈烈 度度6 67 78 89 9框框架架結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)高度高度2424242424242424242424242424框架框架

2、四四三三三三二二二二一一一一大跨度大跨度框架框架三三二二一一一一6（1 ） 節(jié)點左右梁端和上下柱端的全塑性承載節(jié)點左右梁端和上下柱端的全塑性承載力，除力，除下列情況之一下列情況之一外，應(yīng)符合下式要求：外，應(yīng)符合下式要求： 1）柱所在樓層的受剪承載力比相鄰上一層）柱所在樓層的受剪承載力比相鄰上一層的受剪承載力高出的受剪承載力高出25%； 2）柱軸壓比不超過）柱軸壓比不超過0.4，或，或N2Ac f（N2為為2倍地震作用下的組合軸力設(shè)計值）；倍地震作用下的組合軸力設(shè)計值）； 3）與支撐斜桿相連的節(jié)點。）與支撐斜桿相連的節(jié)點。 1.強柱弱梁的節(jié)點要求強柱弱梁的節(jié)點要求 框架柱的設(shè)計方法框架柱的設(shè)計方

3、法7pcyccpbyb(/WfNAWf)Wpc，Wpb于節(jié)點的柱和梁的截面于節(jié)點的柱和梁的截面塑性塑性抵抗矩；抵抗矩； fyc ， fyb 柱和梁鋼材的柱和梁鋼材的屈服強度屈服強度； N 按多遇地震作用組合得出的柱軸力；按多遇地震作用組合得出的柱軸力； AC 柱的截面面積；柱的截面面積； 強柱系數(shù)強柱系數(shù)（一級（一級1.15，二級可取，二級可取1.10， 三級三級1.05 等截面梁等截面梁8端部翼緣變截面的梁端部翼緣變截面的梁)()(1sVfWANfWpbybpbcycpcpbV梁塑性鉸剪力；梁塑性鉸剪力；s塑性鉸塑性鉸至柱面的距離，塑性鉸可取梁端至柱面的距離，塑性鉸可取梁端部變截面翼緣的最小

4、處。部變截面翼緣的最小處。注意注意 穩(wěn)定系數(shù)穩(wěn)定系數(shù) 取值取值 3. 整體穩(wěn)定整體穩(wěn)定 fWMNNWMANybyytyExxxxmxx11)8 . 01 (fWMNNWMANxbxtxEyyyymyy11)8 . 01 (4.局部穩(wěn)定局部穩(wěn)定mmt402. 強度強度 fWMWMANnyyynxxxn強軸平面內(nèi)強軸平面內(nèi)弱軸平面內(nèi)弱軸平面內(nèi)滿足寬厚比限值滿足寬厚比限值框架梁、柱板件寬厚比限值框架梁、柱板件寬厚比限值板件名稱板件名稱一級一級二級二級三級三級四級四級柱柱工字形截面工字形截面翼緣翼緣外伸外伸部分部分10111213工字形截面工字形截面腹板腹板43454852箱形截面壁板箱形截面壁板33

5、363840梁梁工字形截面和箱形截工字形截面和箱形截面面翼緣翼緣外伸部分外伸部分991011箱形箱形截面截面翼緣翼緣在兩腹在兩腹板之間部分板之間部分30303236工字形截面和箱形截工字形截面和箱形截面面腹板腹板72-120Nb/(Af)6072-100Nb/(Af)6580-110Nb/(Af)7085-120Nb/(Af)75注：注：1 表列數(shù)值適用于表列數(shù)值適用于Q235Q235鋼，采用其他牌號鋼材時，應(yīng)乘以鋼，采用其他牌號鋼材時，應(yīng)乘以ayf/2352 Nb/(Af)為梁軸壓比。為梁軸壓比。115. 長細比限值長細比限值yf235100yf235120yf23580yf23560一級一

6、級二級二級三級三級四級四級n在重力荷載作用下在重力荷載作用下：對于純框架柱應(yīng)按：對于純框架柱應(yīng)按有側(cè)移情有側(cè)移情形形確定。確定。 （上冊附表（上冊附表18-2）n滿足規(guī)范滿足規(guī)范GB 50017規(guī)定的規(guī)定的強支撐強支撐(或剪力墻或剪力墻)框架框架：應(yīng)按應(yīng)按無側(cè)移情形無側(cè)移情形確定。（上冊附表確定。（上冊附表18-1） 計算長度的確定計算長度的確定 強支撐框架側(cè)移剛度強支撐框架側(cè)移剛度bS)2 . 1 (30ibibNNSibiNN0、第第i層層間所有框架用層層間所有框架用無側(cè)移框架無側(cè)移框架和和有側(cè)移框架柱有側(cè)移框架柱計算長度系數(shù)計算長度系數(shù)算得的算得的軸壓軸壓桿穩(wěn)定承載力桿穩(wěn)定承載力之和之和

7、13KKK KKKK K121212121.6+4() +7.5 +有7.5側(cè)移時:32(KKK KKKK K121212123+1.4()+0.64 )+1.28無 側(cè)移時：K1，K2 ：交于柱上下端的橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比值：交于柱上下端的橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比值n亦可分別按下列近似公式確定：亦可分別按下列近似公式確定：14 柱節(jié)點域設(shè)計柱節(jié)點域設(shè)計2cN2cV1bV2bM2bV1cV1cM2cM1bM1cNchbh1bh1ch1. 節(jié)點域厚度要求節(jié)點域厚度要求wcbthh90)(2. 節(jié)點域抗剪強度節(jié)點域抗剪強度節(jié)點域的抗剪強度按下式計算節(jié)點域的抗剪強度按下式計算（G

8、B50011-2010）：）： 工字形截面柱工字形截面柱 wcbpthhV11箱形截面柱箱形截面柱 wcbpthhV118 . 1Vp節(jié)節(jié)點域體積點域體積REvpbbfVMM3421pccpbcbbthVVthhMM1211121216式中式中 Mb1、Mb2一節(jié)點域兩側(cè)梁端一節(jié)點域兩側(cè)梁端彎矩設(shè)計值彎矩設(shè)計值 ； Mc1、Mc2節(jié)點域兩側(cè)柱端彎矩設(shè)計值；節(jié)點域兩側(cè)柱端彎矩設(shè)計值；hb1梁翼緣厚度中點間的距離梁翼緣厚度中點間的距離；hc1柱翼緣厚度中點間的距離；柱翼緣厚度中點間的距離；tw柱在節(jié)點板域的腹板厚度；柱在節(jié)點板域的腹板厚度；fv鋼材的抗剪強度設(shè)計值。鋼材的抗剪強度設(shè)計值。RE節(jié)點域

9、抗震承載力調(diào)整系數(shù)，取節(jié)點域抗震承載力調(diào)整系數(shù)，取0.75。17承載力抗震調(diào)整系數(shù)承載力抗震調(diào)整系數(shù) 材料材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀態(tài)受力狀態(tài)RE鋼鋼柱，梁，支撐，節(jié)點板件，柱，梁，支撐，節(jié)點板件，螺栓，焊縫螺栓，焊縫強度強度0.75柱，支撐柱，支撐穩(wěn)定穩(wěn)定0.80砌體砌體兩端均有構(gòu)造柱、芯柱的抗兩端均有構(gòu)造柱、芯柱的抗震墻震墻受剪受剪0.9其他抗震墻其他抗震墻受剪受剪1.0混凝土混凝土梁梁受彎受彎0.75軸壓比小于軸壓比小于0.15的柱的柱偏壓偏壓0.75軸壓比不小于軸壓比不小于0.15的柱的柱偏壓偏壓0.80抗震墻抗震墻偏壓偏壓0.85各類構(gòu)件各類構(gòu)件受剪、偏拉受剪、偏拉0.85183.

10、節(jié)點域的屈服承載力驗算節(jié)點域的屈服承載力驗算vppbpbfVMM34)21（Mpb1、Mpb2一節(jié)點域兩側(cè)梁端截面一節(jié)點域兩側(cè)梁端截面全塑性受彎承載力全塑性受彎承載力；節(jié)點域的厚度不滿足要求，應(yīng)將節(jié)點域的柱腹板節(jié)點域的厚度不滿足要求，應(yīng)將節(jié)點域的柱腹板局部加厚局部加厚或加焊或加焊貼板貼板。 系數(shù)，三級、四級取系數(shù)，三級、四級取0.6，一級、二級取，一級、二級取0.7。194.3.2 梁與柱的連接梁與柱的連接 梁與柱的連接形式梁與柱的連接形式通常采用的是通常采用的是柱貫通柱貫通的連接形式；的連接形式；按連接轉(zhuǎn)動剛度的不同可分為：按連接轉(zhuǎn)動剛度的不同可分為：柔性連接柔性連接半剛性連接半剛性連接剛性

11、連接剛性連接201.完全焊接完全焊接4.3.2.1 剛性連接剛性連接 21常用計算法常用計算法精確計算法精確計算法梁翼緣梁翼緣 梁端全部彎矩梁端全部彎矩 梁腹板梁腹板 梁端全部剪力梁端全部剪力梁翼緣梁翼緣 梁腹板梁腹板 承擔(dān)承擔(dān)Mf同時承擔(dān)同時承擔(dān)Mw和梁端全部剪力和梁端全部剪力V22梁柱全焊接剛接節(jié)點梁柱全焊接剛接節(jié)點23v梁翼緣與柱翼緣梁翼緣與柱翼緣對接焊縫對接焊縫的抗拉強度：的抗拉強度：v梁腹板梁腹板角焊縫角焊縫的抗剪強度：的抗剪強度： wfewfhlV2wtffffthtbM)(242.栓焊混合連接栓焊混合連接栓焊混合連接剛性節(jié)點栓焊混合連接剛性節(jié)點 26v梁翼緣與柱翼緣梁翼緣與柱翼緣

12、對接焊縫對接焊縫的抗拉強度：的抗拉強度：v梁腹板高強螺栓的抗剪承載力：梁腹板高強螺栓的抗剪承載力： wtffffthtbM)(bvvNnVN9 . 0273.完全栓接完全栓接適用于單側(cè)有梁適用于單側(cè)有梁相連的柱相連的柱4.產(chǎn)生裂縫的原因產(chǎn)生裂縫的原因裂裂 縫縫29強：強：梁與柱剛性連接時，柱在梁翼緣上梁與柱剛性連接時，柱在梁翼緣上下各下各500mm的范圍內(nèi)，柱翼緣與柱腹板的范圍內(nèi)，柱翼緣與柱腹板間或箱形柱壁板間的連接焊縫應(yīng)采用全間或箱形柱壁板間的連接焊縫應(yīng)采用全熔透坡口焊縫。熔透坡口焊縫。5.其他其他Dogbone Moment Connectionv梁翼緣梁翼緣局部削弱局部削弱， 形成骨形連

13、接；形成骨形連接；v塑性鉸塑性鉸自梁端自梁端外移外移。塑性鉸所在截面塑性鉸所在截面改進的節(jié)點構(gòu)造改進的節(jié)點構(gòu)造-1(骨形連接骨形連接)6.改進節(jié)點改進節(jié)點改進的節(jié)點構(gòu)造改進的節(jié)點構(gòu)造-2(加焊楔形板加焊楔形板)32塑性鉸所在截面塑性鉸所在截面改進的節(jié)點構(gòu)造改進的節(jié)點構(gòu)造- 3 (梁端部加腋梁端部加腋)332010 抗規(guī)做法抗規(guī)做法342010 抗規(guī)做法抗規(guī)做法35實例實例梁與柱的剛接連接梁與柱的剛接連接高強螺栓高強螺栓墊板墊板對接焊縫對接焊縫帶短梁段節(jié)點工程圖片帶短梁段節(jié)點工程圖片帶短梁段節(jié)點工程圖片帶短梁段節(jié)點工程圖片唐山供電局高層建筑節(jié)點唐山供電局高層建筑節(jié)點374.3.2.2 柔性連接柔

14、性連接 n多層框架中可由部分梁和柱剛性連接組成多層框架中可由部分梁和柱剛性連接組成抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，而另一部分梁鉸接于柱，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，而另一部分梁鉸接于柱，這這些柱只承受豎向荷載些柱只承受豎向荷載；n設(shè)有足夠支撐的非地震區(qū)設(shè)有足夠支撐的非地震區(qū)多層框架原則上多層框架原則上可全部采用柔性連接?？扇坎捎萌嵝赃B接。 38柔性連接柔性連接 （a）（c）（b）39柔性連接柔性連接 承托承托牛腿牛腿40實例梁與柱鉸梁與柱鉸接連接接連接梁腹板傳遞豎向剪力梁腹板傳遞豎向剪力 RM4.3.2.3 半剛性連接半剛性連接 RMRM端板端板- -高強螺栓連接高強螺栓連接42實例梁與柱的半剛接連接梁與柱的半剛接連接梁腹板與

15、翼緣傳遞剪力和部分彎矩梁腹板與翼緣傳遞剪力和部分彎矩43橫向水平支撐橫向水平支撐 縱向水平支撐縱向水平支撐 水平支撐（設(shè)置于同一水平面內(nèi)的支撐）水平支撐（設(shè)置于同一水平面內(nèi)的支撐） v臨時水平支撐臨時水平支撐：為了建造和安裝的安全而設(shè)置；為了建造和安裝的安全而設(shè)置；v永久水平支撐永久水平支撐：通常在水平構(gòu)件不能構(gòu)成水平剛通常在水平構(gòu)件不能構(gòu)成水平剛 度大的隔板時設(shè)置。度大的隔板時設(shè)置。分類分類 4.3.3 水平支撐布置水平支撐布置44節(jié)點板表面高出梁上翼緣節(jié)點板表面高出梁上翼緣有構(gòu)造處理上的不便有構(gòu)造處理上的不便樓蓋水平樓蓋水平剛度不足剛度不足時布置水時布置水平支撐平支撐水平支撐布置水平支撐布

16、置 45 4.3.4 豎向支撐設(shè)計豎向支撐設(shè)計三、四級，高度三、四級，高度 50m宜用中心支撐宜用中心支撐: :斜腹桿都連接于梁柱節(jié)點斜腹桿都連接于梁柱節(jié)點 一、二級宜采用偏心支撐一、二級宜采用偏心支撐: :斜腹桿不都連接于梁柱節(jié)點斜腹桿不都連接于梁柱節(jié)點 v兩根柱構(gòu)件間設(shè)置一系列斜腹桿兩根柱構(gòu)件間設(shè)置一系列斜腹桿 豎豎向向支支撐撐46v可在建筑物縱向的可在建筑物縱向的一部分柱間布置一部分柱間布置，也可在，也可在橫向或縱橫橫向或縱橫兩向布置兩向布置；v在平面上在平面上可沿外墻可沿外墻布置，布置，也可沿內(nèi)墻也可沿內(nèi)墻布置。布置。 豎向支撐的布置豎向支撐的布置47n抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)不得采用抗震設(shè)防的

17、結(jié)構(gòu)不得采用K形斜桿體系；形斜桿體系；n所有形式的支撐體系都可以跨層跨柱設(shè)置。所有形式的支撐體系都可以跨層跨柱設(shè)置。人字形斜桿人字形斜桿 單斜桿單斜桿 十字交叉斜十字交叉斜桿桿 K形斜桿形斜桿 跨層跨柱跨層跨柱設(shè)置設(shè)置 4.3.4.1 中心支撐中心支撐 1.支撐形式支撐形式49u只能受拉的單斜桿體系，應(yīng)同時設(shè)置不同傾斜方向只能受拉的單斜桿體系，應(yīng)同時設(shè)置不同傾斜方向 的的兩組單斜桿兩組單斜桿；u且每層中不同方向單斜桿的且每層中不同方向單斜桿的截面面積截面面積在水平方向的在水平方向的 投影投影面積之面積之差不得大于差不得大于10。斜桿體系斜桿體系502.中心支撐的設(shè)計中心支撐的設(shè)計 （1）斜桿截

18、面選用）斜桿截面選用 一、二、三級宜采用軋制一、二、三級宜采用軋制H型鋼，兩端與框架型鋼，兩端與框架可采用可采用剛性連接剛性連接。51（2）截面設(shè)計截面設(shè)計 1）整體穩(wěn)定承載力整體穩(wěn)定承載力REbrfAN/n35. 011Efyn循環(huán)荷載下強度降低系數(shù)循環(huán)荷載下強度降低系數(shù)n正則化長細比正則化長細比RE支撐穩(wěn)定破壞的承載力抗震調(diào)整系數(shù)支撐穩(wěn)定破壞的承載力抗震調(diào)整系數(shù)52ayf235120ayf235180一、二、三級一、二、三級四級四級壓桿壓桿拉桿拉桿禁用禁用2）長細比限值）長細比限值533）局部穩(wěn)定）局部穩(wěn)定 鋼結(jié)構(gòu)中心支撐板件寬厚比限值鋼結(jié)構(gòu)中心支撐板件寬厚比限值板件名稱板件名稱一級一級二

19、級二級三級三級四級四級翼緣翼緣外伸部分外伸部分8 89 910101313工字形截面工字形截面腹腹板板2525262627273333箱形截面壁板箱形截面壁板1818202025253030圓管外徑與壁圓管外徑與壁厚比厚比3838404040404242 注：表列數(shù)值適用于注：表列數(shù)值適用于Q235Q235鋼，采用其他牌號鋼材應(yīng)乘以鋼，采用其他牌號鋼材應(yīng)乘以ayf/235，圓管應(yīng)乘以，圓管應(yīng)乘以235/fay。 543.節(jié)點構(gòu)造形式節(jié)點構(gòu)造形式重型支撐重型支撐 輕型支撐輕型支撐 （雙節(jié)點板）（雙節(jié)點板） 55* 地震區(qū)的工字形截面中心支撐地震區(qū)的工字形截面中心支撐宜采用軋制寬翼緣宜采用軋制寬翼

20、緣H H型鋼；型鋼；* 如果采用焊接工字形截面，則如果采用焊接工字形截面，則其腹板和翼緣的連接焊縫應(yīng)設(shè)其腹板和翼緣的連接焊縫應(yīng)設(shè)計成焊透的對接焊縫；計成焊透的對接焊縫；* 與支撐相連接的柱通常加工成與支撐相連接的柱通常加工成帶懸臂梁段的形式，以避免梁帶懸臂梁段的形式，以避免梁柱節(jié)點處的工地焊縫。柱節(jié)點處的工地焊縫。 56(a) (a) 門架式門架式 (b) (b) 單斜桿式單斜桿式 (d) V(d) V形形 (c) (c) 人字形人字形 1. 偏心支撐的性能與特點偏心支撐的性能與特點 4.3.4.2 偏心支撐偏心支撐 57偏心支撐框架設(shè)計原則：偏心支撐框架設(shè)計原則：強柱、強支撐、弱耗能梁段強柱

21、、強支撐、弱耗能梁段，使其在大震時使其在大震時耗能梁段耗能梁段屈服形成塑性鉸，柱、支撐和屈服形成塑性鉸，柱、支撐和其他梁段保持彈性。其他梁段保持彈性。偏心支撐偏心支撐：指支撐斜桿一端與：指支撐斜桿一端與梁梁相連，支撐軸相連，支撐軸線偏離線偏離梁柱軸線交點梁柱軸線交點，在支撐與柱之間或支撐，在支撐與柱之間或支撐與支撐之間形成一段稱為消能梁段的與支撐之間形成一段稱為消能梁段的短梁短梁。2. 耗能梁段截面耗能梁段截面 1）耗能梁段截面尺寸宜與同一跨內(nèi)框架梁的截面尺寸相同）耗能梁段截面尺寸宜與同一跨內(nèi)框架梁的截面尺寸相同2）耗能梁段）耗能梁段不得貼焊不得貼焊補強板以提高強度，也不得在腹板上補強板以提高

22、強度，也不得在腹板上開洞。開洞。3）耗能梁段所用鋼材）耗能梁段所用鋼材 MPafy3453. 耗能梁段的屈服類型耗能梁段的屈服類型 剪切屈服型剪切屈服型 llpVMa6 . 1)258. 0min(0aMthfVlpwyl，yplpfWM耗能梁段的耗能梁段的塑性（屈服）受剪承載力塑性（屈服）受剪承載力、塑性（屈服）塑性（屈服） 受彎承載力受彎承載力。 lplMV， 彎曲屈服型彎曲屈服型 594. 耗能梁段板件寬厚比耗能梁段板件寬厚比板件名稱板件名稱寬厚比限值寬厚比限值翼緣外伸部分翼緣外伸部分8腹板腹板14. 0AfN14. 0AfN)(65. 11 90fAN )(3 . 233AfN其他鋼號

23、乘以其他鋼號乘以 ayf235，N/(Af)為梁軸壓比。為梁軸壓比。 偏心支撐偏心支撐框架梁框架梁的板件寬厚比限值的板件寬厚比限值 605. 耗能梁段的凈長耗能梁段的凈長 為保證偏心支撐框架具有較大的為保證偏心支撐框架具有較大的抗推剛度抗推剛度，并使耗，并使耗能梁段能承受較大剪力，一般用較短的耗能梁段。能梁段能承受較大剪力，一般用較短的耗能梁段。 3 . 0)(AAwllpVMa6 . 13 . 0)(AAwllpwVMAAa6 . 1)(5 . 015. 1 VNN、V 耗能梁段的軸力、剪力設(shè)計值耗能梁段的軸力、剪力設(shè)計值 Aw 耗能梁段腹板面積耗能梁段腹板面積 時，AfN16. 0 為簡化

24、計算并保證耗能梁在為簡化計算并保證耗能梁在全截面剪切屈服全截面剪切屈服時時具有足夠具有足夠的抗彎能力的抗彎能力，耗能梁段宜設(shè)計成，耗能梁段宜設(shè)計成“腹板受剪、翼緣承擔(dān)彎矩腹板受剪、翼緣承擔(dān)彎矩和軸力和軸力”6. 耗能梁段強度驗算耗能梁段強度驗算 1）抗剪承載力驗算（腹板強度）抗剪承載力驗算（腹板強度） AfN15. 0不計軸力對受剪承載力影響不計軸力對受剪承載力影響 RElVV），（aMfAVlpaywl258. 0minAfN15. 0RElcVV)/ )(1 4 . 2 )(158. 0min(2aAfNMAfNfAVlpaywlc， 梁（腹板）的抗剪屈服承載力梁（腹板）的抗剪屈服承載力VN、消能梁段的軸力設(shè)計值和剪力設(shè)計值。消能梁段的軸力設(shè)計值和剪力設(shè)計值。lclVV消能梁段受剪承載力和計入軸力影響的受消能梁段受剪承載力和計入軸力影響的受剪承載力。剪承載力。修正系數(shù)，修正系數(shù)，0.9 lpM消能梁段的全塑性受彎承載力。消能梁段的全塑性受彎承載力。 wAA、消能梁段的截面面積和腹板截面面積。消能梁段的截面面積和腹板