构件验算及节点设计.doc

构件验算及节点设计3.6 构件验算及节点设计3.6.1框架梁的验算在风荷载、地震荷载作用下，梁将承受部分轴力，以下计算中不考虑梁的轴力。轴框架各层框架梁截面均为：， 截面特性：，。3.6.1.1梁的抗弯强度验算:梁的抗弯强度应满足：。无震时: ，作用在第五层B-C梁， =205，抗弯强度满足；有震时：，作用在第五层B-C梁，=104.67=205，抗弯强度满足。3.6.1.2 梁的抗剪强度验算：（1）梁的抗剪强度应满足：。，作用在第五层B-C梁，=125抗剪强度满足要求。（2）框架梁端部截面的抗剪：框架梁端部截面的抗剪应满足。框架梁端部开螺栓孔422削弱。，作用在第五层B-C梁，46211-42211=4114=125 满足端部截面的抗剪要求。3.6.1.3 梁的局部稳定：由于梁均为标准型钢，故不必验算局部稳定。3.6.1.4 梁的整体稳定:由于楼板是钢筋混凝土楼板，可视为刚性铺板，不必验算整体稳定。3.6.2 框架柱的验算各层柱截面均为，截面积，截面模量。3.6.2.1 强柱弱梁的验算强柱弱梁应满足：式中：、-计算平面内交汇于节点的柱和梁的塑性截面抵抗矩；、-柱和梁钢材的屈服强度；-地震作用组合得出的柱轴力；-强柱系数，取1.0。取轴力最大的底层C柱节点为计算对象：N=1306.74 kN柱塑性抵抗矩之和：梁塑性抵抗矩之和： 故，满足要求。3.6.2.2 强度验算取轴力最大的底层C柱为计算对象：无震时：取及其对应的，；取及其对应的，。有震时：取及其对应的，；取及其对应的，。强度满足要求。3.6.2.3 框架柱平面内、平面外稳定的验算（1）柱计算长度由求得和，根据和查表可得计算长度系数，计算长度；柱与基础刚接，底层取为10。柱在x向的计算长度见下表（线刚度单位：）： 边柱B、E柱的x向计算长度表 表3-54楼层截面层高（m）（m）五上端2.182 7.895 0.276 4.000 2.249 8.995 下端2.182 15.790 0.138 4.000 三上端2.182 15.790 0.138 4.000 2.606 10.422 下端2.182 15.790 0.138 4.000 一上端2.182 13.158 0.166 6.000 1.556 9.334 下端10.000 6.000 中柱C、D柱的x向计算长度表 表3-55楼层截面层高（m）（m）五上端4.364 7.895 0.553 4.000 1.752 7.008 下端4.364 15.790 0.276 4.000 三上端4.364 15.790 0.276 4.000 1.973 7.894 下端4.364 15.790 0.276 4.000 一上端4.364 13.158 0.332 6.000 1.388 8.326 下端10.000 6.000 在y向，约束柱的梁截面为，跨度为5.2m，考虑梁刚度放大，线刚度为：边梁和中梁，首层柱上层柱在y向的计算长度见下表（线刚度单位：）： 边柱B、E柱的y向计算长度表 表3-56楼层截面层高（m）（m）五上端4.150 2.683 1.547 4.000 1.326 5.304 下端4.150 5.366 0.773 4.000 三上端4.150 5.366 0.773 4.000 1.426 5.705 下端4.150 5.366 0.773 4.000 一上端4.150 4.472 0.928 6.000 1.195 7.167 下端10.000 6.000 边柱C、D柱的y向计算长度表 表3-57楼层截面层高（m）（m）五上端4.980 2.683 1.856 4.000 1.278 5.113 下端4.980 5.366 0.928 4.000 三上端4.980 5.366 0.928 4.000 1.365 5.458 下端4.980 5.366 0.928 4.000 一上端4.980 4.472 1.114 6.000 1.170 7.021 下端10.000 6.000 （2）平面内稳定验算：取轴力最大的第一层C柱为计算对象：回转半径，长细比，查表b类截面得稳定系数：，欧拉力：=，等效弯矩系数。无震时：取及其对应的，取及其对应的，有震时：取及其对应的，取及其对应的，平面内稳定满足要求。b.平面外稳定：取轴力最大的C柱为计算对象：回转半径，长细比，查表b类截面得稳定系数：，等效弯矩系数，=1.0，则无震时：取及其对应的，取及其对应的，有震时：取及其对应的，取及其对应的，平面内稳定满足要求。故柱满足平面内和平面外的稳定要求。3.6.2.4 柱的板件宽厚比的验算本结构为7度抗震设防，不超12层，梁板件宽厚验算如下：柱翼缘外伸部分：=，满足要求。柱腹板部分：，满足要求。3.6.2.5 柱的长细比验算根据建筑抗震设计规范，对于不超过12层的钢框架柱的长细比，6-8度时不应大于。由柱计算长度表3-54至57，得轴框架柱计算长度最大值为第三层柱C绕x方向的计算长度，回转半径，长细比，满足要求。3.6.2.6 节点域的设计本工程为7度抗震设防的结构，在柱与梁的连接处，柱设置与梁上下翼缘位置对应的水平加劲肋，与梁翼缘等厚。H型柱水平加劲肋与柱翼缘焊接，采用坡口全熔透焊缝，与柱腹板连接时采用角焊缝。a. 节点域稳定性验算按7度及以上抗震设防的结构，为防止节点域发生局部屈曲，H型截面柱腹板厚度在节点域范围的稳定应符合：柱在节点域腹板的厚度：16mm； 梁腹板的高度：=462mm；柱腹板的高度：=450mm；，满足要求。b. 节点域抗剪强度的验算由柱翼缘与水平加劲肋保护的节点域，在周边荷载作用下，抗剪强度应按下式计算： ，其中。 节点域体积 =抗剪强度验算 现取节点域梁端弯矩总和最大的第一层柱B节点域为研究对象：节点域两侧梁端未考虑的弯矩设计值：， ，抗剪强度合格。 c.节点域屈服承载力验算抗震设防的结构还应满足节点域屈服承载力：式中：、-节点域两侧钢梁端部截面全塑性受弯承载力；对中柱：，节点域的屈服承载力不满足要求。当节点域不满足要求时，应加厚节点域或贴焊补强板。补强板的厚度及其焊缝应传递补强板所分担剪力的要求设计。=，满足屈服承载力要求的柱腹板最小厚度=，所以补强板的厚度为:，取为。将柱腹板在节点范围内贴焊厚度为5mm的补强板，且补强板应伸出柱横向加劲肋之外各150mm，并采用角焊缝与柱腹板相连。3.6.3 节点设计本工程为多层框架，梁柱采用柱贯通型的节点类型。框架梁与柱均为刚性连接。为了保证梁柱连接处的连接质量和受力性能，梁柱先在工厂连接，使柱为带悬臂梁端的柱单元，到现场再进行梁与梁的拼接。3.6.3.1 梁拼接采用带悬臂梁段的拼接办法，悬臂梁段的长度不少于两倍梁高和1/10梁的跨度。悬臂梁段与跨中梁的拼接采用高强度螺栓，摩擦面采用喷砂处理，螺栓强度等级为10.9，抗剪承载力设计值。 按照钢结构连接节点设计手册，采用等强设计方法进行梁的拼接节点设计。梁翼缘板采用完全焊透的坡口对接焊缝连接，焊缝强度等级为一级，连接焊缝视为与梁翼板等强度，不必进行焊缝的强度计算。梁腹板采用高强度螺栓摩擦型连接。轴框架梁的跨度和梁截面均相同，拼接节点均相同，现以BC梁拼接节点为例进行设计：拼接节点距柱端1000mm，梁翼缘板为坡口全熔透焊，焊缝为一级，不必进行焊缝的强度计算。梁的剪力设计值为：=式 中：-梁腹板扣除高强度螺栓孔后的净截面面积，近似取腹板毛截面面积的0.85倍； -钢材的抗剪强度设计值。=所以腹板连接所需的高强度螺栓数目：，取4个。腹板两侧拼接连接板的厚度：=，取8mm。采用2（-8210400），节点布置图如下 图3-17 BC梁拼接节点图 3.6.3.2 柱拼接按照钢结构连接节点设计手册，采用等强设计方法进行柱的拼接节点设计。翼缘板采用完全焊透的坡口对接焊缝连接，焊缝强度等级为一级，连接焊缝视为与翼板等强度，不必进行焊缝的强度计算。腹板采用高强度螺栓摩擦型连接。拼接连接节点设置在框架梁上方1.3m处，腹板螺栓采用10.9级，高强螺栓，摩擦面采用喷砂处理，剪承载力设计值。由等强条件，柱子在轴心力、弯矩和剪力共同作用下，柱腹板的等强条件是： 式中：-柱腹板拼接连接的轴力设计值； -柱腹板拼接连接的剪力设计值； -柱腹板扣除高强度螺栓孔后的净截面面积，近似取腹板毛截面面积的0.85倍。所以取=作为设计内力，得出柱腹板连接所需的高强度螺栓数目：，取8个。腹板两侧拼接连接板的厚度： =， 取用11mm。采用2（-11370400）节点布置图如下：图3-18 柱的拼接图3.6.3.3柱上悬臂梁段的节点设计梁与柱的连接采用设有引弧板的完全熔透坡口对接焊缝连接，焊缝为一级，视为与钢材等强,不进行验算。梁腹板与柱的连接采用双面角焊缝连接。可视其梁端弯矩全部由梁翼缘承担，梁端剪力全部由腹板承担。.B柱悬臂梁段的设计：（1） 柱水平加劲肋截面尺寸确定：因，故水平加劲肋有效宽度按下式确定：其中下标b、c分别代表梁和柱；F、W分别代表翼缘和腹板；为柱翼缘与腹板的焊脚尺寸，。则单侧水平加劲肋的宽度为，取水平加劲肋厚度 ，则按构造要求取。根据钢结构设计规范（GB50017- 2003）第7.4.3条规定,本处水平加劲肋与柱翼缘和柱腹板的连接，均采用完全焊透的坡口对接焊缝连接。（2） 梁腹板与柱相连的双面角焊缝焊角尺寸取下列三式的最大则按构造要求确定焊缝尺寸，取满足要求。（3）柱弱轴方向悬臂梁段的设计水平加劲肋兼作与弱轴方向的梁进行连接，水平加劲肋的自由外伸长度与其厚度之比应满足，现取外伸长度，则，满足要求。外伸端部宽度与连接的梁同宽，即。垂直加劲肋与柱腹板和上下水平加劲肋的连接焊缝采用角焊缝，厚度取与柱腹板的厚度相同。（4）布置图如下:图3-19 B柱悬臂梁段与柱的连接.C、D、E柱悬臂梁段的设计：由以上B柱悬臂梁段的设计可知，焊缝尺寸和加劲肋尺寸均由构造和构件截面尺寸确定，而C、D、E柱截面尺寸与B柱相同，其上所连接的梁截面尺寸亦相同，故C、D、E柱悬臂梁段的设计结果与B柱的相同，详见如下布置图：图3-20 C、D柱悬臂梁段与柱的连接图3-21 E柱悬臂梁段与柱的连接3.6.3.4 主梁与次梁连接节点设计主次梁连接为铰接。腹板连接采用高强螺栓，摩擦面采用喷砂处理，10.9级，双面抗剪承载力设计值。主梁截面：；次梁截面：；次梁梁端剪力为：。由等强条件估算连接螺栓的数目：=，取4个。（1） 螺栓强度的验算 在次梁端部垂直剪力作用下，连接一侧每个高强螺栓所受的力：=由于偏心弯矩作用，边行受力最大的一个高强螺栓所受的力为：在垂直和偏心弯矩共同作用下，边行受力最大的一个高强螺栓所受的力为： ，满足要求。确定连接板的厚度：， 取8mm。连接板采用。（2） 主梁加劲肋的计算取加劲板与次梁腹板等厚，则加劲肋为-995462。为了避免焊缝交叉，减小焊接应力，在加劲肋端部切去宽15mm,高15mm的斜角。1）加劲肋稳定性的计算：加劲肋轴力： 计算截面面积： 加劲肋绕腹板中心线的截面惯性矩：回转半径：=偏安全取计算长度为加劲肋高度，则长细比，：截面属于b类，查表得，则=加劲肋的稳定性满足要求。2）承压强度验算承压面积：=1008=800钢材端面承压强度设计值：=325,满足要求3）焊角尺寸：=，=，取 =8mm。焊缝计算长度：焊缝截面模量：焊逢受力：焊缝强度满足要求，主次梁连接合格。主次梁连接节点见图: 图3-22 主次梁的连接3.6.3.5 柱脚设计 本设计采用刚性固定露出式柱脚,最不利内力组合为：，。混凝土为C30，混凝土的抗压强度为。所有板件均为Q235钢，焊条为E43，手工焊，柱的截面为。1）柱脚底板长度和宽度的确定设柱脚强轴一侧的锚栓为，则根据柱截面的尺寸和锚栓的构造要求，除估底板尺寸：，。2）底板下混凝土最大受压应力计算偏心类型判别 = 则底板螺栓全部受压。3）底板下混凝土局部承压时的轴心抗压强度计算底板下混凝土的最大受压应力：，满足要求。4）对柱水平抗剪承载力的校核：底板底面与混凝土之间的摩擦力：，满足要求。5）柱脚底板厚度的计算受力最大的底板区格为三边支承板：,按悬臂板计算底板最大弯矩为：底板的厚度，取，大于柱较厚板件厚度，且大于，满足要求。6）锚栓支承加劲肋的计算：由底板下混凝土的分布反力得到的剪