钢结构 柱和支撑的设计

混凝土
轴压比不小于0.15的柱
抗震墙
偏压
偏压
0.80
0.85
各类构件
受剪、偏拉
0.85
17
3. 节点域的屈服承载力验算
＝ （M pb1 M pb2 )
Vp 4 fv 3
Mpb1、Mpb2一节点域两侧梁端截面全塑性受弯承载力；

—系数，三级、四级取0.6，一级、二级取0.7。
节点域的厚度不满足要求，应将节点域的柱腹板 局部加厚或加焊贴板。
梁腹板高强螺栓的抗剪承载力：
Nv V n 0.9 N vb

26
3.完全栓接
适用于单侧有梁 相连的柱
27
4.产生裂缝的原因
裂缝
5.其他 强：梁与柱刚性连接时，柱在梁翼缘上 下各500mm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
熔透坡口焊缝。
29
6.改进节点 改进的节点构造-1 (骨形连接)
N 0.15 Af
不计轴力对受剪承载力影响
V Vl RE
18
4.3.2 梁与柱的连接
梁与柱的连接形式
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：
刚性连接 柔性连接 半刚性连接
19
4.3.2.1 刚性连接
1.完全焊接
20
常用计算法
梁翼缘 梁腹板
梁端全部弯矩 梁端全部剪力
承担Mf 同时承担Mw和梁端全部剪力V
精确计算法
梁翼缘
梁腹板
21
梁－柱全焊接刚接节点
3. 整体稳定 强轴平面内
my M y tx M x N f 弱轴平面内 y A W (1 0.8 N ) bW1x y 1y N Ey
注意 t 40mm 稳定系数
4.局部稳定 满足宽厚比限值
取值
框架梁、柱板件宽厚比限值
板件名称 工字形截面翼缘外伸 部分 工字形截面腹板 箱形截面壁板 工字形截面和箱形截 面翼缘外伸部分 梁 箱形截面翼缘在两腹 板之间部分 工字形截面和箱形截 面腹板 一级 10 43 33 9 30
72-120Nb/(Af)≤60
二级 11 45 36 9 30
72100Nb/(Af)≤65
三级 12 48 38 10 32
80110Nb/(Af)≤7 0
四级 13 52 40 11 36
85120Nb/(Af)≤75
柱
注：1 表列数值适用于Q235钢，采用其他牌号钢材时，应乘以 235 / f ay 2 Nb/(Af)为梁轴压比。
45
竖向支撑的布置
可在建筑物纵向的一部分柱间布置，也可在
横向或纵横两向布置；
在平面上可沿外墙布置，也可沿内墙布置。
46
47
4.3.4.1 中心支撑
1.支撑形式
十字交叉斜 杆
单斜杆
人字形斜杆
K形斜杆
跨层跨柱 设置


抗震设防的结构不得采用K形斜杆体系；
所有形式的支撑体系都可以跨层跨柱设置。
斜杆体系
度大的隔板时设置。
43
楼盖水平 刚度不足 时布置水 平支撑
水平支撑布置
节点板表面高出梁上翼缘 有构造处理上的不便
44
4.3.4 竖向支撑设计
两根柱构件间设置一系列斜腹杆 三、四级，高度≯50m宜用中心支撑: 竖 向 斜腹杆都连接于梁柱节点 支 撑 一、二级宜采用偏心支撑: 斜腹杆不都连接于梁柱节点
Dogbone Moment Connection
梁翼缘局部削弱，
形成骨形连接；
塑性铰自梁端外移。
塑性铰所在截面
改进的节点构造-2 (加焊楔形板)
改进的节点构造- 3 (梁端部加腋)
塑性铰所在截面
32
2010 抗规做法
33
2010 抗规做法
34
梁与柱的刚接连接 实例 对接焊缝
高强螺栓
垫板
——循环荷载下强度降低系数
n
——正则化长细比 n
fy E

1 1 0.35n
RE ——支撑稳定破坏的承载力抗震调整系数
51
2）长细比限值
一、二、三级 压杆 拉杆
120 235 f ay
四级
禁用
180 235 f ay
52
3）局部稳定
钢结构中心支撑板件宽厚比限值 一级 8 25 18 38 二级 9 26 20 40 三级 10 27 25 40 四级 13 33 30 42
hc
hc1
M b2
14
1. 节点域厚度要求
(hb hc ) tw 90
2. 节点域抗剪强度
M b1 M b 2 Vc1 Vc 2 hc1hb1t p 2h1t p
节点域的抗剪强度按下式计算（GB50011-2010）：
M b1 M b 2 4 f v RE Vp 3
牛腿
柔性连接
39
实例
梁与柱铰 接连接
梁腹板传递竖向剪力
40
4.3.2.3 半刚性连接
R
R
R M M
M
端板-高强螺栓连接
实例
梁与柱的半刚接连接
42 梁腹板与翼缘传递剪力和部分弯矩
4.3.3 水平支撑布置
水平支撑（设置于同一水平面内的支撑）
分类
横向水平支撑 纵向水平支撑
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
55
4.3.4.2 偏心支撑
1. 偏心支撑的性能与特点
(a) 门架式
(b) 单斜杆式
(c) 人字形
(d) V形
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偏心支撑：指支撑斜杆一端与梁相连，支撑轴
线偏离梁柱轴线交点，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短梁。 偏心支撑框架设计原则：强柱、强支撑、弱耗能梁段， 使其在大震时耗能梁段屈服形成塑性铰，柱、支撑和 其他梁段保持弹性。
22
梁翼缘与柱翼缘对接焊缝的抗拉强度：
M ft w b f t f (h t f )
梁腹板角焊缝的抗剪强度：
V w ff 2lw he
23
2.栓焊混合连接
24
栓－焊混合连接刚性节点
梁翼缘与柱翼缘对接焊缝的抗拉强度：
M ft w b f t f (h t f )
3）与支撑斜杆相连的节点。
6
等截面梁
W
pc
( f yc N / Ac )≥ Wpb f yb
Wpc，Wpb—于节点的柱和梁的截面塑性抵抗矩；
fyc ， fyb —柱和梁钢材的屈服强度；
N —按多遇地震作用组合得出的柱轴力； AC —柱的截面面积； η —强柱系数（一级1.15，二级可取1.10， 三级1.05
有侧移时:
3+1.4(K1 K2 )+0.64K1 K2 无侧移时： ＝ 3 2( K1 K2 )+1.28K1 K2
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
13
柱节点域设计
N c1
M c1 Vc1
M b1
Vb 2
hb hb1
Vb1 Vc 2 M c2 Nc2
板件名称 翼缘外伸部分
工字形截面腹 板
箱形截面壁板 圆管外径与壁 厚比
注：表列数值适用于Q235钢，采用其他牌号钢材应乘以 235 / f ay ，圆管应乘以235/fay。
53
3.节点构造形式
轻型支撑
重型支撑
（双节点板）
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* 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。
7
端部翼缘变截面的梁
W
pc
( f yc N Ac ) (W pb1 f yb V pb s)
V pb —梁塑性铰剪力；
s
—塑性铰至柱面的距离，塑性铰可取梁端 部变截面翼缘的最小处。
8
2. 强度
My Mx N f An xWnx yWny
ty M y mx M x N f x A W (1 0.8 N ) byW1 y x 1x N Ex
唐山学院土木工程系
1
4.3
柱和支撑的设计
框架柱设计 梁与柱的连接 水平支撑布置 竖向支撑设计
2
4.3.1 框架柱设计
常用的柱截面形式
3
钢结构房屋的抗震等级
房屋高度 6 ≤50m >50m 四 7
烈
度 8 三 二 9 二 一
四 三
4
现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级
设 防 烈 度 结构类型 高度 ≤ 24 6 ≤24 三 二 7 ＞24 二 ≤24 二 一 8 ＞24 一 9 ≤24 一 一
M lp W p f y
Vl，M lp——耗能梁段的塑性（屈服）受剪承载力、塑性（屈服）
受弯承载力。
弯曲屈服型
4. 耗能梁段板件宽厚比
偏心支撑框架梁的板件宽厚比限值
板件名称 翼缘外伸部分 腹板 宽厚比限值 8
N Af 0.14 N Af 0.14
90[1 1.65 N ( A f )]
33[2.3 N ( Af )]
其他钢号乘以 235 f ay ，N/(Af)为梁轴压比。
59
5. 耗能梁段的净长
为保证偏心支撑框架具有较大的抗推刚度，并使耗 能梁段能承受较大剪力，一般用较短的耗能梁段。
N 0.16 Af时，
( Aw A) 0.3
a 1.6 M lp Vl
( Aw A) 0.3
N V
a [1.15 0.5 ( Aw A)]1.6 M lp Vl
N、V —— 耗能梁段的轴力、剪力设计值
Aw—— 耗能梁段腹板面积
60
6. 耗能梁段强度验算
为简化计算并保证耗能梁在全截面剪切屈服时具有足够 的抗弯能力，耗能梁段宜设计成“腹板受剪、翼缘承担弯矩 和轴力”
1）抗剪承载力验算（腹板强度）
只能受拉的单斜杆体系，应同时设置不同倾斜方向
的两组单斜杆；
且每层中不同方向单斜杆的截面面积在水平方向的
投影面积之差不得大于10％。
49
2.中心支撑的设计
（1）斜杆截面选用
一、二、三级宜采用轧制H型钢，两端与框架 可采用刚性连接。
50
（2）截面设计
1）整体稳定承载力
N f / RE Abr
γRE——节点域抗震承载力调整系数，取0.75。
16
承载力抗震调整系数
材料 钢 结构构件 受力状态 γRE
柱，梁，支撑，节点板件， 螺栓，焊缝
柱，支撑
强度
稳定 受剪 受剪 受弯 偏压
0.75
0.80 0.9 1.0 0.75 0.75
砌体
两端均有构造柱、芯柱的抗 震墙
其他抗震墙 梁 轴压比小于0.15的柱
＞24 框 架 框架 四 三 结 构 大跨度 三 框架
5
框架柱的设计方法
1.强柱弱梁的节点要求
（1 ） 节点左右梁端和上下柱端的全塑性承载
力，除下列情况之一外，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 的受剪承载力高出25%； 2）柱轴压比不超过0.4，或N2≤φAc f（N2为2 倍地震作用下的组合轴力设计值）；
带短梁段节点工程图片 35
带短梁段节点工程图片—— 唐山供电局高层建筑节点
4.3.2.2 柔性连接
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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，这 些柱只承受竖向荷载；

设有足够支撑的非地震区多层框架原则上
可全部采用柔性连接。
37
（a）
（b）
（c）
柔性连接
38
承托
57
2. 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 2）耗能梁段不得贴焊补强板以提高强度，也不得在腹板上 开洞。 3）耗能梁段所用钢材 f y 345 MPa
3. 耗能梁段的屈服类型 1.6M lp 剪切屈服型 a Vl
Vl min( 0.58 f y h0t w，M lp a) 2
工字形截面柱
V p hb1hc1t w
Vp——节 点域体积
箱形截面柱 V p 1.8hb1hc1t w
式中 Mb1、Mb2一节点域两侧梁端弯矩设计值 ；
Mc1、Mc2——节点域两侧柱端弯矩设计值；
hb1——梁翼缘厚度中点间的距离； hc1——柱翼缘厚度中点间的距离； tw——柱在节点板域的腹板厚度； fv——钢材的抗剪强度设计值。
5. 长细比限值
一级
60 235 f y
二级
三级
四级
80 235 f y 100 235 f y 120 235 f y
11
计算长度的确定

在重力荷载作用下：对于纯框架柱应按有侧移情 形确定。 （上册附表18-2）
满足规范GB 50017规定的强支撑(或剪力墙)框架： 应按无侧移情形确定。（上册附表18-1）

强支撑框架侧移刚度 S b
Sb 3(1.2 N bi N 0i )
N 、 N
bi
0i
——第i层层间所有框架用无侧移框架和 有侧移框架柱计算长度系数算得的轴压 杆稳定承载力之和

亦可分别按下列近似公式确定：
1.6+4(K1 K 2 )+7.5K1 K 2 ＝ K1 K 2 +7.5K1 K 2