钢结构-柱和支撑的设计课件.pptx

1、1唐山学院土木工程系唐山学院土木工程系 24.3 4.3 柱和支撑的设计柱和支撑的设计v 框架柱设计框架柱设计v 梁与柱的连接梁与柱的连接v 水平支撑布置水平支撑布置v 竖向支撑设计竖向支撑设计34.3.1 4.3.1 框架柱设计框架柱设计 常用的柱截面形式常用的柱截面形式4钢结构房屋的抗震等级钢结构房屋的抗震等级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现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级 结构类型结构类型设设 防防 烈烈 度度6 67 78 89 9框框架架结结构构高度高度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 ） 节点左右梁端和上下柱端的全塑性承载节点左右梁端和上下柱端的全塑性承载力，除力，除下列情况之一下列情况之一外，应符合下式要求：外，应符合下式要求： 1）柱所在楼层的受剪承载力比相邻上一层）柱所在楼层的受剪承载力比相邻上一层的受剪承载力高出的受剪承载力高出25%； 2）柱轴压比不超过）柱轴压比不超过0.4，或，或N2Ac f（N2为为2倍地震作用下的组合轴力设计值）；倍地震作用下的组合轴力设计值）； 3）与支撑斜杆相连的节点。）与支撑斜杆相连的节点。 1.强柱弱梁的节点要求强柱弱梁的节点要求 框架柱的设计方法框架柱的设计方

3、法7pcyccpbyb(/WfN AW f)Wpc，Wpb于节点的柱和梁的截面于节点的柱和梁的截面塑性塑性抵抗矩；抵抗矩； fyc ， fyb 柱和梁钢材的柱和梁钢材的屈服强度屈服强度； N 按多遇地震作用组合得出的柱轴力；按多遇地震作用组合得出的柱轴力； AC 柱的截面面积；柱的截面面积； 强柱系数强柱系数（一级（一级1.15，二级可取，二级可取1.10， 三级三级1.05 等截面梁等截面梁8端部翼缘变截面的梁端部翼缘变截面的梁)()(1sVfWANfWpbybpbcycpcpbV梁塑性铰剪力；梁塑性铰剪力；s塑性铰塑性铰至柱面的距离，塑性铰可取梁端至柱面的距离，塑性铰可取梁端部变截面翼缘的

4、最小处。部变截面翼缘的最小处。注意注意 稳定系数稳定系数 取值取值 3. 整体稳定整体稳定 fWMNNWMANybyytyExxxxmxx11)8 . 01 (fWMNNWMANxbxtxEyyyymyy11)8 . 01 (4.局部稳定局部稳定mmt402. 强度强度 fWMWMANnyyynxxxn强轴平面内强轴平面内弱轴平面内弱轴平面内满足宽厚比限值满足宽厚比限值框架梁、柱板件宽厚比限值框架梁、柱板件宽厚比限值板件名称板件名称一级一级二级二级三级三级四级四级柱柱工字形截面工字形截面翼缘翼缘外伸外伸部分部分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

5、33363840梁梁工字形截面和箱形截工字形截面和箱形截面面翼缘翼缘外伸部分外伸部分991011箱形箱形截面截面翼缘翼缘在两腹在两腹板之间部分板之间部分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 表列数值适用于表列数值适用于Q235Q235钢，采用其他牌号钢材时，应乘以钢，采用其他牌号钢材时，应乘以ayf/2352 Nb/(Af)为梁轴压比。为梁轴压比。115. 长细比限值长细比限值yf235100yf235120yf23580yf23560一

6、级一级二级二级三级三级四级四级n在重力荷载作用下在重力荷载作用下：对于纯框架柱应按：对于纯框架柱应按有侧移情有侧移情形形确定。确定。 （上册附表（上册附表18-2）n满足规范满足规范GB 50017规定的规定的强支撑强支撑(或剪力墙或剪力墙)框架框架：应按应按无侧移情形无侧移情形确定。（上册附表确定。（上册附表18-1） 计算长度的确定计算长度的确定 强支撑框架侧移刚度强支撑框架侧移刚度bS)2 . 1 (30ibibNNSibiNN0、第第i层层间所有框架用层层间所有框架用无侧移框架无侧移框架和和有侧移框架柱有侧移框架柱计算长度系数计算长度系数算得的算得的轴压轴压杆稳定承载力杆稳定承载力之和

7、之和13KKK KKKK K121212121.6+4() +7.5 +有7.5侧移时:32(KKK KKKK K121212123+1.4()+0.64 )+1.28无 侧移时：K1，K2 ：交于柱上下端的横梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值：交于柱上下端的横梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值n亦可分别按下列近似公式确定：亦可分别按下列近似公式确定：14 柱节点域设计柱节点域设计2cN2cV1bV2bM2bV1cV1cM2cM1bM1cNchbh1bh1ch1. 节点域厚度要求节点域厚度要求wcbthh90)(2. 节点域抗剪强度节点域抗剪强度节点域的抗剪强度按下式计算节点域的抗剪强度按下式计算

8、（GB50011-2010）：）： 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节节点域体积点域体积REvpbbfVMM3421pccpbcbbthVVthhMM1211121216式中式中 Mb1、Mb2一节点域两侧梁端一节点域两侧梁端弯矩设计值弯矩设计值 ； Mc1、Mc2节点域两侧柱端弯矩设计值；节点域两侧柱端弯矩设计值；hb1梁翼缘厚度中点间的距离梁翼缘厚度中点间的距离；hc1柱翼缘厚度中点间的距离；柱翼缘厚度中点间的距离；tw柱在节点板域的腹板厚度；柱在节点板域的腹板厚度；fv钢材的抗剪强度设计值。钢材的抗剪强度设计值。RE节

9、点域抗震承载力调整系数，取节点域抗震承载力调整系数，取0.75。17承载力抗震调整系数承载力抗震调整系数 材料材料结构构件结构构件受力状态受力状态RE钢钢柱，梁，支撑，节点板件，柱，梁，支撑，节点板件，螺栓，焊缝螺栓，焊缝强度强度0.75柱，支撑柱，支撑稳定稳定0.80砌体砌体两端均有构造柱、芯柱的抗两端均有构造柱、芯柱的抗震墙震墙受剪受剪0.9其他抗震墙其他抗震墙受剪受剪1.0混凝土混凝土梁梁受弯受弯0.75轴压比小于轴压比小于0.15的柱的柱偏压偏压0.75轴压比不小于轴压比不小于0.15的柱的柱偏压偏压0.80抗震墙抗震墙偏压偏压0.85各类构件各类构件受剪、偏拉受剪、偏拉0.85183

10、. 节点域的屈服承载力验算节点域的屈服承载力验算vppbpbfVMM34)21（Mpb1、Mpb2一节点域两侧梁端截面一节点域两侧梁端截面全塑性受弯承载力全塑性受弯承载力；节点域的厚度不满足要求，应将节点域的柱腹板节点域的厚度不满足要求，应将节点域的柱腹板局部加厚局部加厚或加焊或加焊贴板贴板。 系数，三级、四级取系数，三级、四级取0.6，一级、二级取，一级、二级取0.7。194.3.2 梁与柱的连接梁与柱的连接 梁与柱的连接形式梁与柱的连接形式通常采用的是通常采用的是柱贯通柱贯通的连接形式；的连接形式；按连接转动刚度的不同可分为：按连接转动刚度的不同可分为：柔性连接柔性连接半刚性连接半刚性连接

11、刚性连接刚性连接201.完全焊接完全焊接4.3.2.1 刚性连接刚性连接 21常用计算法常用计算法精确计算法精确计算法梁翼缘梁翼缘 梁端全部弯矩梁端全部弯矩 梁腹板梁腹板 梁端全部剪力梁端全部剪力梁翼缘梁翼缘 梁腹板梁腹板 承担承担Mf同时承担同时承担Mw和梁端全部剪力和梁端全部剪力V22梁柱全焊接刚接节点梁柱全焊接刚接节点23v梁翼缘与柱翼缘梁翼缘与柱翼缘对接焊缝对接焊缝的抗拉强度：的抗拉强度：v梁腹板梁腹板角焊缝角焊缝的抗剪强度：的抗剪强度： wfewfhlV2wtffffthtbM)(242.栓焊混合连接栓焊混合连接栓焊混合连接刚性节点栓焊混合连接刚性节点 26v梁翼缘与柱翼缘梁翼缘与柱

12、翼缘对接焊缝对接焊缝的抗拉强度：的抗拉强度：v梁腹板高强螺栓的抗剪承载力：梁腹板高强螺栓的抗剪承载力： wtffffthtbM)(bvvNnVN9 . 0273.完全栓接完全栓接适用于单侧有梁适用于单侧有梁相连的柱相连的柱4.产生裂缝的原因产生裂缝的原因裂裂 缝缝29强：强：梁与柱刚性连接时，柱在梁翼缘上梁与柱刚性连接时，柱在梁翼缘上下各下各500mm的范围内，柱翼缘与柱腹板的范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的连接焊缝应采用全间或箱形柱壁板间的连接焊缝应采用全熔透坡口焊缝。熔透坡口焊缝。5.其他其他Dogbone Moment Connectionv梁翼缘梁翼缘局部削弱局部削弱， 形成骨

13、形连接；形成骨形连接；v塑性铰塑性铰自梁端自梁端外移外移。塑性铰所在截面塑性铰所在截面改进的节点构造改进的节点构造-1(骨形连接骨形连接)6.改进节点改进节点改进的节点构造改进的节点构造-2(加焊楔形板加焊楔形板)32塑性铰所在截面塑性铰所在截面改进的节点构造改进的节点构造- 3 (梁端部加腋梁端部加腋)332010 抗规做法抗规做法342010 抗规做法抗规做法35实例实例梁与柱的刚接连接梁与柱的刚接连接高强螺栓高强螺栓垫板垫板对接焊缝对接焊缝带短梁段节点工程图片带短梁段节点工程图片带短梁段节点工程图片带短梁段节点工程图片唐山供电局高层建筑节点唐山供电局高层建筑节点374.3.2.2 柔性连

14、接柔性连接 n多层框架中可由部分梁和柱刚性连接组成多层框架中可由部分梁和柱刚性连接组成抗侧力结构，而另一部分梁铰接于柱，抗侧力结构，而另一部分梁铰接于柱，这这些柱只承受竖向荷载些柱只承受竖向荷载；n设有足够支撑的非地震区设有足够支撑的非地震区多层框架原则上多层框架原则上可全部采用柔性连接。可全部采用柔性连接。 38柔性连接柔性连接 （a）（c）（b）39柔性连接柔性连接 承托承托牛腿牛腿40实例梁与柱铰梁与柱铰接连接接连接梁腹板传递竖向剪力梁腹板传递竖向剪力 RM4.3.2.3 半刚性连接半刚性连接 RMRM端板端板- -高强螺栓连接高强螺栓连接42实例梁与柱的半刚接连接梁与柱的半刚接连接梁腹

15、板与翼缘传递剪力和部分弯矩梁腹板与翼缘传递剪力和部分弯矩43横向水平支撑横向水平支撑 纵向水平支撑纵向水平支撑 水平支撑（设置于同一水平面内的支撑）水平支撑（设置于同一水平面内的支撑） v临时水平支撑临时水平支撑：为了建造和安装的安全而设置；为了建造和安装的安全而设置；v永久水平支撑永久水平支撑：通常在水平构件不能构成水平刚通常在水平构件不能构成水平刚 度大的隔板时设置。度大的隔板时设置。分类分类 4.3.3 水平支撑布置水平支撑布置44节点板表面高出梁上翼缘节点板表面高出梁上翼缘有构造处理上的不便有构造处理上的不便楼盖水平楼盖水平刚度不足刚度不足时布置水时布置水平支撑平支撑水平支撑布置水平支

16、撑布置 45 4.3.4 竖向支撑设计竖向支撑设计三、四级，高度三、四级，高度 50m宜用中心支撑宜用中心支撑: :斜腹杆都连接于梁柱节点斜腹杆都连接于梁柱节点 一、二级宜采用偏心支撑一、二级宜采用偏心支撑: :斜腹杆不都连接于梁柱节点斜腹杆不都连接于梁柱节点 v两根柱构件间设置一系列斜腹杆两根柱构件间设置一系列斜腹杆 竖竖向向支支撑撑46v可在建筑物纵向的可在建筑物纵向的一部分柱间布置一部分柱间布置，也可在，也可在横向或纵横横向或纵横两向布置两向布置；v在平面上在平面上可沿外墙可沿外墙布置，布置，也可沿内墙也可沿内墙布置。布置。 竖向支撑的布置竖向支撑的布置47n抗震设防的结构不得采用抗震设

17、防的结构不得采用K形斜杆体系；形斜杆体系；n所有形式的支撑体系都可以跨层跨柱设置。所有形式的支撑体系都可以跨层跨柱设置。人字形斜杆人字形斜杆 单斜杆单斜杆 十字交叉斜十字交叉斜杆杆 K形斜杆形斜杆 跨层跨柱跨层跨柱设置设置 4.3.4.1 中心支撑中心支撑 1.支撑形式支撑形式49u只能受拉的单斜杆体系，应同时设置不同倾斜方向只能受拉的单斜杆体系，应同时设置不同倾斜方向 的的两组单斜杆两组单斜杆；u且每层中不同方向单斜杆的且每层中不同方向单斜杆的截面面积截面面积在水平方向的在水平方向的 投影投影面积之面积之差不得大于差不得大于10。斜杆体系斜杆体系502.中心支撑的设计中心支撑的设计 （1）斜

18、杆截面选用）斜杆截面选用 一、二、三级宜采用轧制一、二、三级宜采用轧制H型钢，两端与框架型钢，两端与框架可采用可采用刚性连接刚性连接。51（2）截面设计截面设计 1）整体稳定承载力整体稳定承载力REbrfAN/n35. 011Efyn循环荷载下强度降低系数循环荷载下强度降低系数n正则化长细比正则化长细比RE支撑稳定破坏的承载力抗震调整系数支撑稳定破坏的承载力抗震调整系数52ayf235120ayf235180一、二、三级一、二、三级四级四级压杆压杆拉杆拉杆禁用禁用2）长细比限值）长细比限值533）局部稳定）局部稳定 钢结构中心支撑板件宽厚比限值钢结构中心支撑板件宽厚比限值板件名称板件名称一级一

19、级二级二级三级三级四级四级翼缘翼缘外伸部分外伸部分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圆管外径与壁圆管外径与壁厚比厚比3838404040404242 注：表列数值适用于注：表列数值适用于Q235Q235钢，采用其他牌号钢材应乘以钢，采用其他牌号钢材应乘以ayf/235，圆管应乘以，圆管应乘以235/fay。 543.节点构造形式节点构造形式重型支撑重型支撑 轻型支撑轻型支撑 （双节点板）（双节点板） 55* 地震区的工字形截面中心支撑地震区的工字形截面中心支撑宜采用轧制宽翼缘宜采用轧制

20、宽翼缘H H型钢；型钢；* 如果采用焊接工字形截面，则如果采用焊接工字形截面，则其腹板和翼缘的连接焊缝应设其腹板和翼缘的连接焊缝应设计成焊透的对接焊缝；计成焊透的对接焊缝；* 与支撑相连接的柱通常加工成与支撑相连接的柱通常加工成带悬臂梁段的形式，以避免梁带悬臂梁段的形式，以避免梁柱节点处的工地焊缝。柱节点处的工地焊缝。 56(a) (a) 门架式门架式 (b) (b) 单斜杆式单斜杆式 (d) V(d) V形形 (c) (c) 人字形人字形 1. 偏心支撑的性能与特点偏心支撑的性能与特点 4.3.4.2 偏心支撑偏心支撑 57偏心支撑框架设计原则：偏心支撑框架设计原则：强柱、强支撑、弱耗能梁段

21、强柱、强支撑、弱耗能梁段，使其在大震时使其在大震时耗能梁段耗能梁段屈服形成塑性铰，柱、支撑和屈服形成塑性铰，柱、支撑和其他梁段保持弹性。其他梁段保持弹性。偏心支撑偏心支撑：指支撑斜杆一端与：指支撑斜杆一端与梁梁相连，支撑轴相连，支撑轴线偏离线偏离梁柱轴线交点梁柱轴线交点，在支撑与柱之间或支撑，在支撑与柱之间或支撑与支撑之间形成一段称为消能梁段的与支撑之间形成一段称为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与同一跨内框架梁的截面尺寸相同）耗能梁段截面尺寸宜与同一跨内框架梁的截面尺寸相同2）耗能梁段）耗能梁段不得贴焊不得贴焊补强板以提高强度，也不得在腹板上补强板以

22、提高强度，也不得在腹板上开洞。开洞。3）耗能梁段所用钢材）耗能梁段所用钢材 MPafy3453. 耗能梁段的屈服类型耗能梁段的屈服类型 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）受剪承载力塑性（屈服）受剪承载力、塑性（屈服）塑性（屈服） 受弯承载力受弯承载力。 lplMV， 弯曲屈服型弯曲屈服型 594. 耗能梁段板件宽厚比耗能梁段板件宽厚比板件名称板件名称宽厚比限值宽厚比限值翼缘外伸部分翼缘外伸部分8腹板腹板14. 0AfN14. 0AfN)(65. 11 90fAN )(3 . 233AfN其他

23、钢号乘以其他钢号乘以 ayf235，N/(Af)为梁轴压比。为梁轴压比。 偏心支撑偏心支撑框架梁框架梁的板件宽厚比限值的板件宽厚比限值 605. 耗能梁段的净长耗能梁段的净长 为保证偏心支撑框架具有较大的为保证偏心支撑框架具有较大的抗推刚度抗推刚度，并使耗，并使耗能梁段能承受较大剪力，一般用较短的耗能梁段。能梁段能承受较大剪力，一般用较短的耗能梁段。 3 . 0)(AAwllpVMa6 . 13 . 0)(AAwllpwVMAAa6 . 1)(5 . 015. 1 VNN、V 耗能梁段的轴力、剪力设计值耗能梁段的轴力、剪力设计值 Aw 耗能梁段腹板面积耗能梁段腹板面积 时，AfN16. 0 为

24、简化计算并保证耗能梁在为简化计算并保证耗能梁在全截面剪切屈服全截面剪切屈服时时具有足够具有足够的抗弯能力的抗弯能力，耗能梁段宜设计成，耗能梁段宜设计成“腹板受剪、翼缘承担弯矩腹板受剪、翼缘承担弯矩和轴力和轴力”6. 耗能梁段强度验算耗能梁段强度验算 1）抗剪承载力验算（腹板强度）抗剪承载力验算（腹板强度） AfN15. 0不计轴力对受剪承载力影响不计轴力对受剪承载力影响 RElVV），（aMfAVlpaywl258. 0minAfN15. 0RElcVV)/ )(1 4 . 2 )(158. 0min(2aAfNMAfNfAVlpaywlc， 梁（腹板）的抗剪屈服承载力梁（腹板）的抗剪屈服承载

25、力VN、消能梁段的轴力设计值和剪力设计值。消能梁段的轴力设计值和剪力设计值。lclVV消能梁段受剪承载力和计入轴力影响的受消能梁段受剪承载力和计入轴力影响的受剪承载力。剪承载力。修正系数，修正系数，0.9 lpM消能梁段的全塑性受弯承载力。消能梁段的全塑性受弯承载力。 wAA、消能梁段的截面面积和腹板截面面积。消能梁段的截面面积和腹板截面面积。 pW消能梁段的塑性截面模量。消能梁段的塑性截面模量。ha、消能梁段的净长和截面高度。消能梁段的净长和截面高度。ayff、消能梁段钢材的抗压强度设计值和屈服强度。消能梁段钢材的抗压强度设计值和屈服强度。RE消能梁段承载力抗震调整系数，取消能梁段承载力抗震

26、调整系数，取0.75。632）耗能梁段的翼缘强度（翼缘强度）耗能梁段的翼缘强度（翼缘强度） REfflblblbftbNhM/12）（耗能梁段弯矩设计值耗能梁段弯矩设计值64 7.内力增大系数内力增大系数 n支撑斜杆支撑斜杆一级一级 1.4，二级，二级 1.3，三级，三级 1.2。 n框架梁框架梁一级一级 1.3，二级，二级 1.2，三级，三级 1 .1n框架柱框架柱 一级一级 1.3，二级，二级 1.2，三级，三级 1.1 651）稳定承载力）稳定承载力 fANbrbr8. 支撑斜杆设计支撑斜杆设计 2）长细比限值长细比限值yf235120支撑杆件支撑杆件669.构造要求构造要求 67耗能梁

27、段与柱的连接要求耗能梁段与柱的连接要求n耗能梁段与柱连接时，其长度不得大于耗能梁段与柱连接时，其长度不得大于1.6MlpVl；n耗能梁段耗能梁段翼缘与柱翼缘之间翼缘与柱翼缘之间应采用应采用坡口全熔透对接焊缝坡口全熔透对接焊缝连连接，耗能梁段接，耗能梁段腹板与柱之间腹板与柱之间应采用应采用角焊缝角焊缝连接；连接；n耗能梁段与柱腹板连接时耗能梁段与柱腹板连接时，耗能梁段翼缘与连接板间应采，耗能梁段翼缘与连接板间应采用坡口全熔透焊缝，耗能梁段腹板与柱间应采用角焊缝；用坡口全熔透焊缝，耗能梁段腹板与柱间应采用角焊缝；n耗能梁段要承受平面外扭转，与耗能梁段处于同一跨内的耗能梁段要承受平面外扭转，与耗能梁段处于同一跨内的框架梁，同样承受轴力和弯矩，为保持其稳定，框架梁，同样承受轴力和弯矩，为保持其稳定，耗能梁段耗能梁段两端上下翼缘应设置侧向支撑。两端上下翼缘应设置侧向支撑。