高层钢结构构件设计[详细]
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第四讲 高层钢结构构件设计
4.1 梁 4.2 轴心受压柱 4.3 框架柱 4.4 中心支撑 4.5 偏心支撑 4.6 钢板剪力墙 4.7 内藏钢板支撑剪力墙 4.8 带竖缝的混凝土剪力墙
第四讲 钢构件设计
主要受力构件按照其功能和构造特点可分为：承重构件和 抗侧力构件两大类。
承重构件包括梁、柱（一般梁、柱和框架梁、柱）；
抗侧力构件包括框架梁、框架柱、中心支撑和偏心支撑、 抗震剪力墙等。
高层建筑钢结构构件的主要特点是：构件的截面尺寸较大、 钢板厚度较大。
高层建筑钢结构构件设计内容及一般步骤： (1) 计算各种荷载作用下各构件的内力（即作用效应计算）； (2) 进行内力组合； (3) 试选构件截面（形式和尺寸）； (4) 构件截面验算； (5) 检验是否满足构造要求。
注意：单纯由压型钢板做成的铺板，只有在平面内的抗剪刚度 符合式（4-1）时，方可视为刚性铺板。
2
2 h2 70
K (EIw l12 GIt EI y l12 4 ) h2
（4-1）
K ——压型钢板每个波槽均与梁相连时板面内的抗剪刚度；
l1, h ——钢梁的自由长度和高度；
Iw , It , I y ——钢梁的翘曲常数，自由扭转常数，绕弱轴的惯性矩。
4.1.5 梁的构造要求
（1）变截面框架梁的截面变化，宜改变梁翼缘的宽度和厚度， 而保持梁的腹板高度不变；
（2）当梁的上翼缘采用抗剪连接件与组合楼板相连时，可不验 算组合梁的整体稳定，但仍应根据条件在其下翼缘设置隅撑；
（3）框架梁的端部以及有集中荷载作用点等可能出现塑性铰的 部位，梁的受压翼缘应设置侧向支撑（7度及以上抗震设防 的结构，上、下翼缘均应该设置侧向支撑），且实腹钢梁相 邻侧向支撑点 之间的长细比应满足表4-2要求；
当不计入水平地震作用的组合时，梁端弯矩应取柱轴线处 的弯矩值；当计入水平地震作用的组合时，梁端弯矩应取柱面 处（即梁端处）的弯矩值进行设计。
2）地震作用下托柱梁承载力的调整 高层钢结构中的托柱梁，因柱的不连续，在支承柱处造成该 托柱梁的受力状态集中，因此在多遇地震作用下计算托柱梁的 承载力时，其内力应乘以不小于1.5的增大系数。9度抗震设防的 结构不应采用大梁托柱的结构形式。
4.1 梁
4.1.1 梁的截面形式
无论框架梁或承受重力荷载的梁，其截面一般采用双轴对称 的轧制或焊接H型钢。
对于跨度较大或受荷很大，而高度又受到限制时，可选用箱 形截面。对于墙梁等维护构件，可采用槽形等截面形式。
4.1.2 梁的强度
梁的强度主要包括抗弯强度和抗剪强度，其计算公式见《钢 结构》（1）或《钢结构设计规范》（GBJ 50017-2003）。 注意：1）计算梁的抗弯强度时，框架梁端弯矩的取值原则：
要求）；
表4-1 非抗震设防或6度设防简支实腹钢梁的最大侧向长细比
钢号
工字形截面（含H型钢）梁
跨中无侧向支撑
跨中受压翼缘有侧 向支撑
荷载于上 荷载于下
翼缘
翼缘
荷载于任何部位
箱型截面梁
Q235
13
20
16
95
Q345
10.5
16.5
13
65
Q390
10
15.5
12.5
57
Q420
9.5
15
12
-
4）按7度及以上抗震设防的结构，实腹钢梁相邻侧向支撑 点间的长细比不超过表4-2所规定的数值时。
表4－3 框架梁的板件宽厚比限值
注：对钢框架中兼作支撑系统横杆的梁，在受弯的同时还承受轴 向压力。当按7度及以上抗震设防时，梁端有可能出现塑性铰， 其腹板宽厚比应符合压弯构件塑性设计的要求，即应满足表4-4 的规定；箱形截面两腹板之间的翼缘宽厚比应满足：
b0 tf
30
235/ f y
表4-4 兼作支撑系统横杆的梁腹板的宽厚比限值
当不符合上述条件之一者，应按《钢结构》（1）的相 关公式计算梁的整体稳定。
4.1.4 梁的局部稳定（板件宽厚比）
防止板件局部失稳最有效的方法是限制其宽厚比。钢框架 梁的板件宽厚比，应随截面塑性变形发展程度的不同，而需满 足不同的要求。
在高层建筑钢结构中，对按7度及以上抗震设防的高层建筑， 在抗侧力框架的梁可能出现塑性铰的区段，要求在出现塑性铰 之后，仍具有较大的转动能力，以实现结构内力重分布，因此 板件的宽厚比限制较严；而对于非抗震设防和按6度抗震设防的 高层建筑，当抗侧力框架的梁中可能出现塑性铰之后，不要求 具有太大的转动能力，因此板件宽厚比限制相对较宽。梁的板 件宽厚比一般情况下应满足表4-3规定的限值。
4.1.3 梁的整体稳定
（1）不必验算整体稳定的条件
1）有刚性铺板(钢板、各种钢筋混凝土板、压型钢板-混凝土 组合楼板)密铺在梁的受压翼缘，并与其牢固相连，能阻止梁的 受压翼缘的侧向位移；
2）钢框架梁的上翼缘采用抗剪连接件与组合楼板连接时；
3）对于非抗震设防或按6度抗震设防的结构，其简支实腹钢 梁受压翼缘的侧向自由长度与其宽度之比，不超过表4-1所规定 的数值时（对于箱形截面简支梁，其截面尺寸还应同时满足 的
（4）焊接梁的翼缘一般用一层钢板组成；当跨度大采用两层钢 板时，外内层厚度比宜为0.5～1.0，外层断点应符合《钢结 构设计规范》（GB50017-2003）要求；横向加劲肋切角应 满足附图要求；
4.1.5 梁的构造要求(续)
（5）采用高强度螺栓摩擦型连接拼合的大跨度钢梁，其翼缘 板不宜超过三层；其外层钢板的理论断点处的外伸长度内 的高强度螺栓数目，应按该层钢板的1/2净截面面积的承 载力进行验算；钢梁翼缘角钢截面面积不宜少于整个翼缘 截面面积的30％，当最大型号的角钢不能满足条件时，可 增设腋板，参见附图，此时，角钢与腋板截面积之和不应 少于翼缘总截面面积的30％。
表4-2 按7度及以上设ห้องสมุดไป่ตู้实腹钢梁的最大侧向长细比
应力比值
0.5 M1 1.0 Wpx f
1.0 M1 0.5 Wpx f
侧向支承点间的构件长细比
y
(60
40 M1 Wpx f
)
235 fay
y
(45 10 M1 Wpx f
)
235 fay
y ——钢梁弯矩平面外的长细比；
M1 ——侧向支承点之间的最大弯矩； W px ——钢梁截面对x轴的塑性截面模量； fay f ——分别为钢材屈服点与设计强度值。
4.1 梁 4.2 轴心受压柱 4.3 框架柱 4.4 中心支撑 4.5 偏心支撑 4.6 钢板剪力墙 4.7 内藏钢板支撑剪力墙 4.8 带竖缝的混凝土剪力墙
第四讲 钢构件设计
主要受力构件按照其功能和构造特点可分为：承重构件和 抗侧力构件两大类。
承重构件包括梁、柱（一般梁、柱和框架梁、柱）；
抗侧力构件包括框架梁、框架柱、中心支撑和偏心支撑、 抗震剪力墙等。
高层建筑钢结构构件的主要特点是：构件的截面尺寸较大、 钢板厚度较大。
高层建筑钢结构构件设计内容及一般步骤： (1) 计算各种荷载作用下各构件的内力（即作用效应计算）； (2) 进行内力组合； (3) 试选构件截面（形式和尺寸）； (4) 构件截面验算； (5) 检验是否满足构造要求。
注意：单纯由压型钢板做成的铺板，只有在平面内的抗剪刚度 符合式（4-1）时，方可视为刚性铺板。
2
2 h2 70
K (EIw l12 GIt EI y l12 4 ) h2
（4-1）
K ——压型钢板每个波槽均与梁相连时板面内的抗剪刚度；
l1, h ——钢梁的自由长度和高度；
Iw , It , I y ——钢梁的翘曲常数，自由扭转常数，绕弱轴的惯性矩。
4.1.5 梁的构造要求
（1）变截面框架梁的截面变化，宜改变梁翼缘的宽度和厚度， 而保持梁的腹板高度不变；
（2）当梁的上翼缘采用抗剪连接件与组合楼板相连时，可不验 算组合梁的整体稳定，但仍应根据条件在其下翼缘设置隅撑；
（3）框架梁的端部以及有集中荷载作用点等可能出现塑性铰的 部位，梁的受压翼缘应设置侧向支撑（7度及以上抗震设防 的结构，上、下翼缘均应该设置侧向支撑），且实腹钢梁相 邻侧向支撑点 之间的长细比应满足表4-2要求；
当不计入水平地震作用的组合时，梁端弯矩应取柱轴线处 的弯矩值；当计入水平地震作用的组合时，梁端弯矩应取柱面 处（即梁端处）的弯矩值进行设计。
2）地震作用下托柱梁承载力的调整 高层钢结构中的托柱梁，因柱的不连续，在支承柱处造成该 托柱梁的受力状态集中，因此在多遇地震作用下计算托柱梁的 承载力时，其内力应乘以不小于1.5的增大系数。9度抗震设防的 结构不应采用大梁托柱的结构形式。
4.1 梁
4.1.1 梁的截面形式
无论框架梁或承受重力荷载的梁，其截面一般采用双轴对称 的轧制或焊接H型钢。
对于跨度较大或受荷很大，而高度又受到限制时，可选用箱 形截面。对于墙梁等维护构件，可采用槽形等截面形式。
4.1.2 梁的强度
梁的强度主要包括抗弯强度和抗剪强度，其计算公式见《钢 结构》（1）或《钢结构设计规范》（GBJ 50017-2003）。 注意：1）计算梁的抗弯强度时，框架梁端弯矩的取值原则：
要求）；
表4-1 非抗震设防或6度设防简支实腹钢梁的最大侧向长细比
钢号
工字形截面（含H型钢）梁
跨中无侧向支撑
跨中受压翼缘有侧 向支撑
荷载于上 荷载于下
翼缘
翼缘
荷载于任何部位
箱型截面梁
Q235
13
20
16
95
Q345
10.5
16.5
13
65
Q390
10
15.5
12.5
57
Q420
9.5
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4）按7度及以上抗震设防的结构，实腹钢梁相邻侧向支撑 点间的长细比不超过表4-2所规定的数值时。
表4－3 框架梁的板件宽厚比限值
注：对钢框架中兼作支撑系统横杆的梁，在受弯的同时还承受轴 向压力。当按7度及以上抗震设防时，梁端有可能出现塑性铰， 其腹板宽厚比应符合压弯构件塑性设计的要求，即应满足表4-4 的规定；箱形截面两腹板之间的翼缘宽厚比应满足：
b0 tf
30
235/ f y
表4-4 兼作支撑系统横杆的梁腹板的宽厚比限值
当不符合上述条件之一者，应按《钢结构》（1）的相 关公式计算梁的整体稳定。
4.1.4 梁的局部稳定（板件宽厚比）
防止板件局部失稳最有效的方法是限制其宽厚比。钢框架 梁的板件宽厚比，应随截面塑性变形发展程度的不同，而需满 足不同的要求。
在高层建筑钢结构中，对按7度及以上抗震设防的高层建筑， 在抗侧力框架的梁可能出现塑性铰的区段，要求在出现塑性铰 之后，仍具有较大的转动能力，以实现结构内力重分布，因此 板件的宽厚比限制较严；而对于非抗震设防和按6度抗震设防的 高层建筑，当抗侧力框架的梁中可能出现塑性铰之后，不要求 具有太大的转动能力，因此板件宽厚比限制相对较宽。梁的板 件宽厚比一般情况下应满足表4-3规定的限值。
4.1.3 梁的整体稳定
（1）不必验算整体稳定的条件
1）有刚性铺板(钢板、各种钢筋混凝土板、压型钢板-混凝土 组合楼板)密铺在梁的受压翼缘，并与其牢固相连，能阻止梁的 受压翼缘的侧向位移；
2）钢框架梁的上翼缘采用抗剪连接件与组合楼板连接时；
3）对于非抗震设防或按6度抗震设防的结构，其简支实腹钢 梁受压翼缘的侧向自由长度与其宽度之比，不超过表4-1所规定 的数值时（对于箱形截面简支梁，其截面尺寸还应同时满足 的
（4）焊接梁的翼缘一般用一层钢板组成；当跨度大采用两层钢 板时，外内层厚度比宜为0.5～1.0，外层断点应符合《钢结 构设计规范》（GB50017-2003）要求；横向加劲肋切角应 满足附图要求；
4.1.5 梁的构造要求(续)
（5）采用高强度螺栓摩擦型连接拼合的大跨度钢梁，其翼缘 板不宜超过三层；其外层钢板的理论断点处的外伸长度内 的高强度螺栓数目，应按该层钢板的1/2净截面面积的承 载力进行验算；钢梁翼缘角钢截面面积不宜少于整个翼缘 截面面积的30％，当最大型号的角钢不能满足条件时，可 增设腋板，参见附图，此时，角钢与腋板截面积之和不应 少于翼缘总截面面积的30％。
表4-2 按7度及以上设ห้องสมุดไป่ตู้实腹钢梁的最大侧向长细比
应力比值
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侧向支承点间的构件长细比
y
(60
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)
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y ——钢梁弯矩平面外的长细比；
M1 ——侧向支承点之间的最大弯矩； W px ——钢梁截面对x轴的塑性截面模量； fay f ——分别为钢材屈服点与设计强度值。