1、4.3 柱和支撑的设计 4.3.1 框架柱设计概要 4.3.2 梁与柱的连接 4.3.3 水平支撑布置 4.3.4 竖向支撑设计 4.3.1 框架柱设计概要 常用的柱截面形式常用的柱截面形式：箱形箱形、焊接工字形焊接工字形、H H型钢型钢、圆管圆管等；等； H H型钢柱型钢柱：应用较广；（截面经济合理、规格尺寸多、加工量：应用较广；（截面经济合理、规格尺寸多、加工量 少以及便于连接）少以及便于连接） 焊接工字形截面焊接工字形截面：可灵活地调整截面特性；：可灵活地调整截面特性； 焊接箱形截面焊接箱形截面：可使关于两个主轴的刚度相等，但加工量：可使关于两个主轴的刚度相等，但加工量 大；大； 钢管混
2、凝土的组合柱钢管混凝土的组合柱：提高管状柱的承载力、防火性能；：提高管状柱的承载力、防火性能； 轧制型钢轧制型钢：较经济，但采用厚度更大的焊接工字形截面，可：较经济，但采用厚度更大的焊接工字形截面，可 显著改善结构效比能。显著改善结构效比能。 3 压压( (拉拉) )弯构件弯构件 截面初估：截面初估：参考同类已建工程；（如在初设计中，已粗略得到参考同类已建工程；（如在初设计中，已粗略得到 柱的设计轴力值柱的设计轴力值N N，则可以承受，则可以承受1.2 1.2 N N的轴心受压构件来初拟柱的轴心受压构件来初拟柱 截面尺寸）截面尺寸） 大致可按每大致可按每3 34 4层作一次变截面；层作一次变截
3、面； 尽量使用较薄的钢板；尽量使用较薄的钢板；（其厚度不宜超过（其厚度不宜超过100mm100mm；柱板件宽厚；柱板件宽厚 比不应大于表比不应大于表4.74.7的规定）的规定） 框架柱长细比满足规定；框架柱长细比满足规定； 使使塑性铰塑性铰出现在出现在梁端梁端而不是在柱端，而不是在柱端， 框架柱的设计方法 4.3.2 梁与柱的连接 梁与柱的连接形式梁与柱的连接形式 刚性连接刚性连接 柔性连接柔性连接 半刚性连接半刚性连接 本节内容 梁与柱的连接形式 通常采用的是柱贯通的连接形式；通常采用的是柱贯通的连接形式； 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1 1 半
4、刚性连接半刚性连接2 2 刚性连接刚性连接3 3 梁腹板传递竖向剪力梁腹板传递竖向剪力 梁腹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 梁上下翼缘传递弯矩，腹板传递剪力梁上下翼缘传递弯矩，腹板传递剪力4 4 连接角钢、端板、支托连接角钢、端板、支托 完全焊接、完全栓接、栓焊混合完全焊接、完全栓接、栓焊混合 8 （一）刚性连接： 完全焊接完全焊接：传力充分，延性和刚度好，滞回曲线饱满，但存 在较大的残余应力，对抗震不利。 完全栓接完全栓接：高强度螺栓连接，摩擦型，施工方便，但连接尺 寸过大，耗材多，且在大震下容易滑移，滞回曲线不饱满； 栓焊混合栓焊混合（普遍采用）：（普遍采用）：翼
5、缘焊接，腹板高强度螺栓连接 目前，梁柱连接一般采用刚性连目前，梁柱连接一般采用刚性连 接，构造形式有柱贯通式和梁贯通接，构造形式有柱贯通式和梁贯通 式，一般采用柱贯通式。式，一般采用柱贯通式。 完全焊接 梁翼缘与柱翼缘间梁翼缘与柱翼缘间: : 全熔透坡口焊缝；全熔透坡口焊缝； 按规定设置按规定设置衬板衬板； 当框架梁端垂直于工字形柱当框架梁端垂直于工字形柱 腹板时，柱在梁腹板时，柱在梁翼缘对应位翼缘对应位 置设置横向加劲肋置设置横向加劲肋； 且加劲肋且加劲肋厚度不应小于梁翼厚度不应小于梁翼 缘厚度缘厚度。 为便于施焊，梁腹板要切去两角； 构造简单，但焊缝质量要求高。 完全焊接连接的计算方法 常
6、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V 梁端的弯矩梁端的弯矩M以梁翼缘和腹板各自的截面惯性矩分担作用以梁翼缘和腹板各自的截面惯性矩分担作用 完全焊接时的常用计算法 梁翼缘与柱翼缘对接焊缝的抗拉强度：梁翼缘与柱翼缘对接焊缝的抗拉强度： 梁腹板角焊缝的抗剪强度：梁腹板角焊缝的抗剪强度： w t f ff () M f b t ht w f we 2 V f l h 栓焊混合连接时的常用计算法 梁翼缘与柱翼缘对接焊缝的抗拉强度
7、：梁翼缘与柱翼缘对接焊缝的抗拉强度： 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： w t f ff () M f b t ht V NN n bb vv =0.9 0.90.9：考虑焊接热影响对高强：考虑焊接热影响对高强 度螺栓预拉力损失。度螺栓预拉力损失。 完全栓接 所有的螺栓都采用所有的螺栓都采用高强摩擦型高强摩擦型 螺栓螺栓连接；连接； 当当梁翼缘梁翼缘提供的塑性截面模量提供的塑性截面模量 小于梁全截面塑性截面模量的小于梁全截面塑性截面模量的7070 时，时，梁腹板梁腹板与柱的连接与柱的连接螺栓不螺栓不 得少于两列得少于两列； 当计算只需一列时，仍应布置当计算只需一列时，仍
8、应布置 两列，且此时螺栓总数不得小于两列，且此时螺栓总数不得小于 计算值的计算值的1.51.5倍。倍。 较少采用。较少采用。 适用于单侧有梁相连的柱适用于单侧有梁相连的柱 未焊透、气泡、凹坑、未焊透、气泡、凹坑、 焊脚尺寸的突变；焊脚尺寸的突变； 焊接处材料韧性低下。焊接处材料韧性低下。 栓焊混合连接 改进意见 最好在焊后将衬板除去并最好在焊后将衬板除去并补焊补焊翼缘坡口翼缘坡口 焊的焊根；焊的焊根； 如果焊后不除去衬板，则下翼缘焊缝的如果焊后不除去衬板，则下翼缘焊缝的 衬板应有衬板应有足够的角焊缝足够的角焊缝消除间隙；同时，消除间隙；同时， 腹板端部扇形切角的尺寸不宜过小；腹板端部扇形切角的
9、尺寸不宜过小； 为了防止焊缝金属韧性过低，对它的为了防止焊缝金属韧性过低，对它的最最 低冲击功低冲击功作出了规定。作出了规定。 改进的节点构造-1 (骨形连接) Dogbone Moment Connection 梁翼缘梁翼缘局部削弱局部削弱， 形成骨形连接；形成骨形连接； 塑性铰塑性铰自梁端自梁端外移外移。 塑性铰所在截面 改进的节点构造-2 (梁端部加腋) 塑性铰外移；塑性铰外移； 用于结构用于结构加固加固。 塑性铰所在截面塑性铰所在截面 实例 梁与柱的刚接连接 高强螺栓 钢衬板 对接焊缝 梁上下翼缘传递弯矩，腹板传递剪力梁上下翼缘传递弯矩，腹板传递剪力 柔性连接 多层框架中可由部分梁和柱
10、刚性连接组成抗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，侧力结构，而另一部分梁铰接于柱，这些柱这些柱 只承受竖向荷载只承受竖向荷载； 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可多层框架原则上可 全部采用柔性连接。全部采用柔性连接。 柔性连接柔性连接 （a） （c） （b） 连接角钢或端板 偏上放置： 上翼缘处变形小。 图图(d): : 当梁用承托连于柱腹板时，宜用当梁用承托连于柱腹板时，宜用厚板厚板作为承托构件以免柱作为承托构件以免柱 腹板承受较大弯矩；腹板承受较大弯矩； 图图(e): : 在需要用小牛腿时，则应做成在需要用小牛腿时，则应做成工字
11、形截面工字形截面，并把它的两块，并把它的两块 翼缘都翼缘都焊于柱翼缘焊于柱翼缘，使偏心力矩，使偏心力矩M=Re以力偶的形式传给柱翼以力偶的形式传给柱翼 缘。缘。 承托承托 牛腿牛腿 柔性连接柔性连接 实例 梁与柱铰接连接 梁腹板传递竖向剪力梁腹板传递竖向剪力 半刚性连接 适于适于层数不多或水平力不大层数不多或水平力不大的建筑；的建筑； 半刚性连接必须有半刚性连接必须有抵抗弯矩抵抗弯矩的能力，但无需像刚性的能力，但无需像刚性 连接那么大。连接那么大。 用连于翼缘的上、下角钢用连于翼缘的上、下角钢 和高强螺栓来连接，由上下角和高强螺栓来连接，由上下角 钢一起传递弯矩，腹板上的角钢一起传递弯矩，腹板
12、上的角 钢则传递剪力。钢则传递剪力。 R M 端板-高强螺栓连接 端板在大多数情况下端板在大多数情况下伸出在梁高度范围之外伸出在梁高度范围之外( (或是上边伸出，下或是上边伸出，下 边不伸出边不伸出) ) 梁端弯矩化作力偶，其梁端弯矩化作力偶，其拉力经上翼缘传出拉力经上翼缘传出； 受拉的螺栓布置在关于受拉翼缘对称的位置，共四个；受拉的螺栓布置在关于受拉翼缘对称的位置，共四个； 压力可以通过端板或柱翼缘承压传力，压力可以通过端板或柱翼缘承压传力，压力区螺栓可少量设置压力区螺栓可少量设置， 和拉力区的螺栓一起传递剪力；和拉力区的螺栓一起传递剪力； 虚线表示必要时可设柱加劲肋。虚线表示必要时可设柱加
13、劲肋。 R M R M 4.3.3 水平支撑布置 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） （通常意义下）（通常意义下） 临时水平支撑：为了建造和安装的安全而设置；临时水平支撑：为了建造和安装的安全而设置； 永久水平支撑：通常在水平构件不能构成水平刚永久水平支撑：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 水 平 支 撑 布 置 楼盖水楼盖水 平刚度不平刚度不 足时布置足时布置 水平支撑水平支撑 4.3.4 竖向支撑设计 中心支撑中心支撑: : 斜腹杆都连接于梁柱节点斜腹杆都连
14、接于梁柱节点 偏心支撑偏心支撑: : 斜腹杆不都连接于梁柱节点斜腹杆不都连接于梁柱节点 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 28 竖直支撑的布置 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； 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。 4.3.4.1 中心支撑 抗震设防的结构不得采用抗震设防的结构不得采用K K形斜杆体系；形斜杆体系； 所有型式的支撑体系都可以跨层跨柱设置。所有型式的支撑体系都可以跨层跨柱设置。 (c) 人字形斜杆人字形斜杆 (
15、b) 单斜杆单斜杆 (a) 十字交叉斜杆十字交叉斜杆 (d) K K形斜杆形斜杆 (e) 跨层跨柱设置跨层跨柱设置 斜杆体系 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； 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1010。 对支撑杆件长细比的要求 抗震设防的结构：抗震设防的结构：长细比限值规定（反复拉压作用下，长细比限值规定（反复拉压作用下， 长细比大于长细比大于40 (235fy)1/2的支撑承载力将显著降低。）的支撑承载力将显著降
16、低。） 非抗震设防结构中的中心支撑：非抗震设防结构中的中心支撑： （1 1）按只能受拉的杆件设计时，）按只能受拉的杆件设计时，其长细比不应大于其长细比不应大于 300 (235fy)1/2； （2 2）按既能受拉又能受压的杆件设计时，）按既能受拉又能受压的杆件设计时，其长细比不应其长细比不应 大于大于150 (235fy)1/2 。 类型类型 6，7度度 8度度 9度度 12层层 按压杆按压杆 150 120 120 按拉杆按拉杆 200 150 150 高层（高层（ 12层）层） 120 90 60 支撑斜杆截面 支撑斜杆支撑斜杆宜采用双轴对称截面宜采用双轴对称截面； 当采用单轴对称截面时，
17、应采取当采用单轴对称截面时，应采取防止绕对称防止绕对称 轴屈曲轴屈曲的构造措施；的构造措施； 结构抗震设防烈度不小于结构抗震设防烈度不小于7 7度时，度时，不宜用双角不宜用双角 钢组合钢组合T T形截面形截面。 7 7度及以上抗震设防的结构，当支撑为填板连接的双度及以上抗震设防的结构，当支撑为填板连接的双 肢组合构件时，肢组合构件时，肢件在填板间的长细比肢件在填板间的长细比不应大于构不应大于构 件最大长细比的件最大长细比的1/21/2，且不应大于，且不应大于4040； 与支撑一起组成支撑系统的与支撑一起组成支撑系统的横梁、柱及其连接横梁、柱及其连接，应，应 具有具有承受支撑斜杆传来内力承受支撑
18、斜杆传来内力的能力；的能力； 与人字支撑、与人字支撑、V V形支撑相交的形支撑相交的横梁横梁，在柱间的支撑连，在柱间的支撑连 接处应接处应保持连续保持连续； 中心支撑的设计要点（一） 中心支撑的设计要点（二） 计算计算人字形支撑体系人字形支撑体系中的中的横梁截面横梁截面时，尚应满足时，尚应满足 在不考虑支撑的支点作用情况下按简支梁跨中承在不考虑支撑的支点作用情况下按简支梁跨中承 受竖向集中荷载时的承载力；受竖向集中荷载时的承载力； 按按8 8度及以上度及以上抗震设防的结构抗震设防的结构，可以采用带有消能，可以采用带有消能 装置的中心支撑体系；装置的中心支撑体系； 高层钢结构在水平荷载作用下高层
19、钢结构在水平荷载作用下变形较大，须考虑变形较大，须考虑 P-效应；效应； 中心支撑节点的构造形式（一） 重型支撑重型支撑 轻型支撑轻型支撑 （双节点板）（双节点板） 中心支撑节点的构造形式（二） 地震区的工字形截面中心支 撑宜采用轧制宽翼缘H型钢； 如果采用焊接工字形截面， 则其腹板和翼缘的连接焊缝 应设计成焊透的对接焊缝； 与支撑相连接的柱通常加工 成带悬臂梁段的形式，以避 免梁柱节点处的工地焊缝。 几何特征：几何特征：支撑斜杆不交于梁柱节点；支撑斜杆不交于梁柱节点； 力学特征：位于支撑斜杆与梁柱节点力学特征：位于支撑斜杆与梁柱节点( (或支撑斜杆或支撑斜杆) )之间之间 的的耗能梁段耗能梁
20、段，一般比支撑斜杆的承载力低，同时具有在，一般比支撑斜杆的承载力低，同时具有在 重复荷载作用下良好的塑性变形能力；重复荷载作用下良好的塑性变形能力； 4.3.4.2 偏心支撑 (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 39 在正常的荷载状态下，偏心支撑框架在正常的荷载状态下，偏心支撑框架 具有足够的具有足够的水平刚度水平刚度； 在遭遇强烈地震作用时，在遭遇强烈地震作用时，耗能梁段首耗能梁段首 先屈服先屈服吸收能量。吸收能量。（支撑不屈曲）（支撑不屈曲） 设计意图 41 短消能梁段短消能梁段塑性变形为腹板剪切屈服产生的
21、剪切变形塑性变形为腹板剪切屈服产生的剪切变形 长消能梁段长消能梁段塑性变形为翼缘拉压屈服产生的弯曲变形塑性变形为翼缘拉压屈服产生的弯曲变形 消能梁段剪切屈服耗能能力消能梁段剪切屈服耗能能力弯曲屈服耗能弯曲屈服耗能 设计中尽可能采用短梁段设计中尽可能采用短梁段 42 耗能梁段与柱的连接要求 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； 耗能梁段翼缘与柱翼缘之间应采用坡口全熔透对接焊缝连耗能梁段翼缘与柱翼缘之间应采用坡口全熔透对接焊缝连 接，耗能梁段腹板与柱之间应采用角焊缝连接；接，耗能梁段腹板与柱之间应采用角焊缝连接； 耗能梁段与柱腹板连接时耗能梁段与柱
22、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； 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。 43 中心支撑与偏心支撑抗震特点：中心支撑与偏心支撑抗震特点： （1）中心支撑：）中心支撑：具有良好的强度和刚度；支撑的反复受压具有良好的强度和刚度；支撑的反复受压 屈
23、曲使结构的耗能性能较差；承载力急剧下降屈曲使结构的耗能性能较差；承载力急剧下降 （2）无支撑（纯框架）无支撑（纯框架）：耗能性能好，刚度差：耗能性能好，刚度差； （3）偏心支撑：）偏心支撑：小震作用下，支撑提供抗侧刚度，弹性工小震作用下，支撑提供抗侧刚度，弹性工 作，类似于中心支撑框架；大震作用下，偏心梁段屈服耗作，类似于中心支撑框架；大震作用下，偏心梁段屈服耗 能，支撑不发生屈曲，类似与纯框架结构；能，支撑不发生屈曲，类似与纯框架结构； 偏心支撑的设计原则：强柱、强斜杆、弱消能梁段；偏心支撑的设计原则：强柱、强斜杆、弱消能梁段； 偏心支撑的抗推刚度：随着消能梁段长度与所在框架梁的偏心支撑的抗
24、推刚度：随着消能梁段长度与所在框架梁的 长度的比例有关；长度的比例有关； 构造措施 (使耗能梁段在反复荷载下具有良好的滞回性能) 支撑斜杆轴力的支撑斜杆轴力的水平分量较大水平分量较大时，除降低此梁段时，除降低此梁段 的受剪承载力外，还需减少该梁段的长度；的受剪承载力外，还需减少该梁段的长度； 耗能梁段的腹板耗能梁段的腹板不得贴焊补强板，也不得开洞；不得贴焊补强板，也不得开洞； 耗能梁段与支撑连接处耗能梁段与支撑连接处，在其腹板两侧配置加劲，在其腹板两侧配置加劲 肋；肋； 耗能梁段腹板的中间加劲肋耗能梁段腹板的中间加劲肋，需按梁段的长度区，需按梁段的长度区 别对待。别对待。 偏心支撑构造 46 作作 业业 1.框架支撑构件体系中，中心支撑与偏心支框架支撑构件体系中，中心支撑与偏心支 撑的区别是什么？它们各有何受力特点？撑的区别是什么？它们各有何受力特点？ 2.分析剪力滞后产生原因及如何减少该现分析剪力滞后产生原因及如何减少该现 象。象。 3.组合楼板中压型钢板作为组合板和非组合组合楼板中压型钢板作为组合板和非组合 板的区别。板的区别。
