高层建筑钢结构-第五章构件的设计

1、 弹性阶段弹性阶段 整体分析，计算构件内力整体分析，计算构件内力 验算构件承载力和稳定性验算构件承载力和稳定性 验算层间变形和顶层变形验算层间变形和顶层变形 节点的计算与设计节点的计算与设计 弹塑性阶段弹塑性阶段 结构极限变形的验算结构极限变形的验算 层间侧移延性比的验算层间侧移延性比的验算 舒适度的验算舒适度的验算 v无地震作用时的组合无地震作用时的组合 1) 荷载效应组合荷载效应组合 wkwwkQQkQQGkG SSSSS 2211 v有地震作用时的组合有地震作用时的组合 wkwwEvkEvEhkEhGEG SSSSS 式中：式中：S结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯结构构件内力组合的

2、设计值，包括组合的弯 矩、轴力和剪力设计值；矩、轴力和剪力设计值； G重力荷载分项系数，一般情况采用重力荷载分项系数，一般情况采用1.2，当重，当重 力荷载效应对构件承载能力有利时，不应大于力荷载效应对构件承载能力有利时，不应大于 1.0； Q1、Q2、w、分别为楼面活荷载、雪荷载和风、分别为楼面活荷载、雪荷载和风 荷载等荷载分项系数，一般取荷载等荷载分项系数，一般取1.4； Eh、Ev分别为水平、竖向地震作用分项系数，分别为水平、竖向地震作用分项系数， 当仅计及单向地震作用时，取当仅计及单向地震作用时，取1.3，当同时计算，当同时计算 水平和竖向地震作用时，水平和竖向地震作用时，Eh1.3，

3、Ev0.5； SGk、SQ1k、SQ2k、Swk分别为由永久荷载、楼面分别为由永久荷载、楼面 活荷载、屋面雪荷载和风荷载等的标准值引起活荷载、屋面雪荷载和风荷载等的标准值引起 的构件内的荷载效应；的构件内的荷载效应； 式中：式中：SGE由重力荷载代表值引起的效应，有吊车时，由重力荷载代表值引起的效应，有吊车时， 应包括悬吊物重力标准值的效应。重力荷载代应包括悬吊物重力标准值的效应。重力荷载代 表值按表值按建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范(GB50011-2001) 的的5.1.3条取用；条取用； SEhk、SEvk分别为水平或竖向地震作用标准值分别为水平或竖向地震作用标准值 引起的效应，尚应乘

4、以相应的增大系数或调整引起的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整 系数；系数； w风荷载组合系数，无地震作用的组合中取风荷载组合系数，无地震作用的组合中取 1.0；有地震作用的组合中取；有地震作用的组合中取0.2。 v当验算结构的变形时，所有荷载分项系数均取当验算结构的变形时，所有荷载分项系数均取1.0。 v非抗震验算时非抗震验算时 2) 承载力极限状态验算承载力极限状态验算 0 /RS 式中：式中：0结构重要性系数，使用年限结构重要性系数，使用年限100年及以上年及以上1.1， 50年年1.0； S结构构件内力组合设计值；结构构件内力组合设计值； R结构构件承载力设计值；结构构件承载力设计值；

5、 v抗震验算时抗震验算时 RE RS/ 式中：式中：RE构件的承载力抗震调整系数，梁柱为构件的承载力抗震调整系数，梁柱为0.75， 支撑支撑0.80，节点板件、连接螺栓，节点板件、连接螺栓0.85，连接焊缝，连接焊缝 0.90，当计算竖向地震作用时取，当计算竖向地震作用时取1.0。 v重力荷载作用下梁的挠度限值重力荷载作用下梁的挠度限值 主梁主梁l/400, 次梁次梁l/250 v风荷载下的位移限值风荷载下的位移限值 顶点质心侧移顶点质心侧移H/500； 层间质心侧移层间质心侧移hi/400； 结构平面端部构件最大侧移不得超过质心侧移的结构平面端部构件最大侧移不得超过质心侧移的1.2倍。倍。

6、v第一阶段抗震验算的最大层间质心侧移限值第一阶段抗震验算的最大层间质心侧移限值hi/300， 结构平面端部构件最大侧移，不得超过质心侧移的结构平面端部构件最大侧移，不得超过质心侧移的 1.3倍。倍。 其它其它“钢混凝土钢混凝土”混合结构的限值见混合结构的限值见GB50011-2001的的5.5.1 条。条。 3) 正常使用极限状态验算正常使用极限状态验算 v舒适度（风振加速度）限值舒适度（风振加速度）限值 建筑物顶部最大加速度建筑物顶部最大加速度a限值为限值为 公寓建筑公寓建筑a0.20m/s2 公共建筑公共建筑a0.28m/s2 4) 第二阶段抗震验算第二阶段抗震验算 层间侧移层间侧移hi/

7、50 混合结构的限值见混合结构的限值见GB50011-2001的的5.5.5条；条； 层间侧移延性比不应超过层间侧移延性比不应超过 结构形式结构形式/y 钢框架钢框架3.5 偏心支撑框架偏心支撑框架3.0 中心支撑框架中心支撑框架2.5 带混凝土剪力墙的钢框架带混凝土剪力墙的钢框架2.0 层间侧移延性比是指结构在罕遇地震下的最大层间侧 移与该楼层进入弹塑性状态时层间侧移的比值。 1) 梁的强度梁的强度 非抗震验算：抗弯强度非抗震验算：抗弯强度 抗剪强度抗剪强度 梁端尚应验算梁端尚应验算 抗震验算：上公式的设计强度应该除以抗震调抗震验算：上公式的设计强度应该除以抗震调 整系数整系数RE 。 x

8、xnx M f W v xw VS f It v w n V f A 塑性发展系数塑性发展系数 2) 梁的整体稳定梁的整体稳定 抗震验算要考虑抗震调整系抗震验算要考虑抗震调整系 数。数。 当梁端仅以腹板与柱当梁端仅以腹板与柱(主梁主梁) 连接时，整体稳定系数上应连接时，整体稳定系数上应 乘以乘以0.85的降低系数。的降低系数。 当为组合楼盖，或现浇钢筋当为组合楼盖，或现浇钢筋 混凝土板与钢梁翼缘有可靠混凝土板与钢梁翼缘有可靠 连接时，可不验算钢梁的整连接时，可不验算钢梁的整 体稳定性。体稳定性。 v抗震区侧向支撑的设置抗震区侧向支撑的设置 目的目的保证梁上塑性铰能充分塑性转动而不发生整体失稳。

9、保证梁上塑性铰能充分塑性转动而不发生整体失稳。 位置位置两端可能出现塑性铰处；两端可能出现塑性铰处； 梁的上下翼缘均应设置；梁的上下翼缘均应设置； 相邻侧向支撑点间的侧向长细比应符合相邻侧向支撑点间的侧向长细比应符合钢规钢规塑性塑性 设计的有关规定，且满足下表。设计的有关规定，且满足下表。 钢梁的容许侧向长细比钢梁的容许侧向长细比 侧向支承点间的构件长细比侧向支承点间的构件长细比 应力比值应力比值 1 px M 0.51.0 W f 1 px M -1.00.5 Wf 1 y pxy M235 6040 W ff 1 y pxy M235 45 10 W ff y y 3) 梁板件的宽厚比限值

10、梁板件的宽厚比限值 v一般钢梁一般钢梁板件的宽厚比限值板件的宽厚比限值 钢梁的截面形式 bfbf tf ho tf tw b1 twtw tf ho tf b1bo 框架梁的板件宽厚比限值框架梁的板件宽厚比限值 梁截面梁截面 形形 状状 板件所在部位板件所在部位房屋房屋 总层数总层数 非抗震，非抗震， 6度度 7度度8度度9度度 工字形工字形 箱箱 形形 翼缘悬伸部分翼缘悬伸部分 1111109 111099 腹板腹板 箱形箱形 两腹板之间的两腹板之间的 翼缘翼缘 36363230 36323030 1f b t 12层 w0 ht 12层 1 12层 12层 12层 12层 0f bt bf

11、 85-120NA bf 80-110NA bf 80-110NA bf 72-100NA b f N A 72-100 bf 85-120NA v兼作支撑横杆的梁和塑性设计时梁兼作支撑横杆的梁和塑性设计时梁板件的宽厚比限值板件的宽厚比限值 1 2 3 5 9 fy b tf 0 2 3 5 3 0 fy b tf 0 100235 (72) b wy hN tAff 0 2 3 5 3 5 wy h tf 0.37 b N Af 0.37 b N Af 翼 缘 腹 板 钢梁轴力钢梁轴力 （梁，（梁，柱柱，中心支撑，偏心支撑，剪力墙板），中心支撑，偏心支撑，剪力墙板） 轴压柱轴压柱 框架柱框架

12、柱 截面形式截面形式 强度、整体稳定计算强度、整体稳定计算 局部稳定计算局部稳定计算 刚度计算，长细比刚度计算，长细比 强柱弱梁要求，节点域强柱弱梁要求，节点域 l两个工字钢组成两个工字钢组成 的十字形截面也的十字形截面也 有大量应用有大量应用 l圆管截面多用于圆管截面多用于 钢管混凝土柱钢管混凝土柱 1) 轴压柱轴压柱 截面形式截面形式 强度验算强度验算 稳定验算稳定验算 刚度验算刚度验算 局部稳定局部稳定 l使用净截面面积使用净截面面积 f A N n 非抗震： RE n f A N / 抗震： 1) 轴压柱轴压柱 截面形式截面形式 强度验算强度验算 稳定验算稳定验算 刚度验算刚度验算 局

13、部稳定局部稳定 l使用毛截面面积使用毛截面面积 l计算稳定系数时，厚板多为计算稳定系数时，厚板多为c、d类类 f A N 非抗震： RE f/ A N 抗震： 1) 轴压柱轴压柱 截面形式截面形式 强度验算强度验算 稳定验算稳定验算 刚度验算刚度验算 局部稳定局部稳定 1) 轴压柱轴压柱 截面形式截面形式 强度验算强度验算 稳定验算稳定验算 刚度验算刚度验算 l由长细比控制由长细比控制 l长细比不宜大于长细比不宜大于120，一般，一般40-60 局部稳定局部稳定 y ft b235 1 .010 1 yw ft h235 5 .025 0 工字形工字形 截面截面 yw 0 235 40 ft

14、h 箱形箱形 截面截面 2) 框架柱（压弯柱框架柱（压弯柱 beam-columns） v承载力验算承载力验算 y x nxnxyny M MN f AWW 强度验算强度验算 稳定验算稳定验算 抗震验算时除抗震验算时除RE 1 (10.8) m xx x xx EX MN f N A W N 弯矩作用弯矩作用 平面内：平面内： 1 txx ybx MN f AW 弯矩作用弯矩作用 平面外：平面外： 计算长度计算长度 支撑框架 无侧移 无支撑框架 有侧移 弱支撑框架 框架的分类：框架的分类： v框架柱计算长度框架柱计算长度 平面内计算长度平面内计算长度 平面外计算长度平面外计算长度 钢规的分类钢

15、规的分类 高层中基本高层中基本 上是前两类上是前两类 计算长度的确定方法：计算长度的确定方法： 基本假定基本假定 稳定方程稳定方程 进行简化进行简化 表格公式表格公式 确定模型确定模型 计算长度的确定方法：计算长度的确定方法： 基本假定基本假定 稳定方程稳定方程 进行简化进行简化 表格公式表格公式 确定模型确定模型 a）材料弹性）材料弹性 b）只在节点承受竖向荷载）只在节点承受竖向荷载 c）所有柱子同时失稳）所有柱子同时失稳 d）柱子失稳时，相交于同一节点的横梁）柱子失稳时，相交于同一节点的横梁 对柱提供约束弯矩，按柱线刚度之比对柱提供约束弯矩，按柱线刚度之比 分配给柱，只考虑与该柱相连的横梁

16、分配给柱，只考虑与该柱相连的横梁 e）无侧移失稳，横梁两端转角大小相等）无侧移失稳，横梁两端转角大小相等 方向相反；有侧移失稳，横梁两端转方向相反；有侧移失稳，横梁两端转 角大小相等方向相同角大小相等方向相同 计算长度的确定方法：计算长度的确定方法： 基本假定基本假定 稳定方程稳定方程 进行简化进行简化 表格公式表格公式 确定模型确定模型 转角位移方程组转角位移方程组确定稳定承载力确定稳定承载力Pcr 与欧拉临界力公式相对比：与欧拉临界力公式相对比： 2 2 l EI P E 2 0 2 2 2 )(l EI l EI P cr 这里的这里的即为计即为计 算长度系数；算长度系数；l0 即为计算

17、长度即为计算长度 最后发现最后发现与柱上下端的梁柱线刚度比与柱上下端的梁柱线刚度比K1 和和K2有关，是关于它们的超越方程。有关，是关于它们的超越方程。 1 2 1 2 计算长度的确定方法：计算长度的确定方法： 基本假定基本假定 稳定方程稳定方程 进行简化进行简化 表格公式表格公式 确定模型确定模型 关于梁柱线刚度比关于梁柱线刚度比K1和和K2 1 1 1 )/( )/( cii bii lI lI K 2 2 2 )/( )/( cii bii lI lI K 计算长度的确定方法：计算长度的确定方法： 基本假定基本假定 稳定方程稳定方程 进行简化进行简化 表格公式表格公式 确定模型确定模型

18、无支撑框架：无支撑框架： 1212 1212 7.54()1.6 7.5 K KKK K KKK 底层柱底层柱 柱脚刚性嵌固时柱脚刚性嵌固时 柱脚铰接时柱脚铰接时 2 K10 2 K0 1 1.6 4 K 16 . 7 16. 49 . 7 1 1 K K 计算长度的确定方法：计算长度的确定方法： 基本假定基本假定 稳定方程稳定方程 进行简化进行简化 表格公式表格公式 确定模型确定模型 强支撑框架：强支撑框架： 1212 1212 31.4()0.64 32()1.28 KKK K KKK K 柱脚刚性嵌固时柱脚刚性嵌固时 柱脚铰接时柱脚铰接时 2 K10 2 K0 1 1 0.740.34

19、1 0.643 K K 1 1 31.4 32 K K 0 3(1.2) bbii SNN 第第i层框架柱用无侧移框架和有层框架柱用无侧移框架和有 侧移框架柱计算长度系数算得侧移框架柱计算长度系数算得 的轴压杆稳定承载力之和。的轴压杆稳定承载力之和。 0 3(1.2) bbii SNN 计算长度的确定方法：计算长度的确定方法： 基本假定基本假定 稳定方程稳定方程 进行简化进行简化 表格公式表格公式 确定模型确定模型 弱支撑框架：弱支撑框架： 第第i层框架柱用无侧移框架和有层框架柱用无侧移框架和有 侧移框架柱计算长度系数算得侧移框架柱计算长度系数算得 的轴压杆稳定承载力之和。的轴压杆稳定承载力之

20、和。 010 0 () 3(1.2) b bii S NN 1 0 按无侧移框架柱按无侧移框架柱按有侧移框架柱按有侧移框架柱 计算长度系数计算长度系数 轴心压杆稳定系数轴心压杆稳定系数 计算长度的确定方法：计算长度的确定方法： 基本假定基本假定 稳定方程稳定方程 进行简化进行简化 表格公式表格公式 确定模型确定模型 确定柱计算长度系数的方法小结：确定柱计算长度系数的方法小结： 确定框架类型确定框架类型 计算梁柱截面参数计算梁柱截面参数 求梁柱线刚度比求梁柱线刚度比 查表或简化公式查表或简化公式 钢结构设计规范钢结构设计规范 (GB50017-2003)(GB50017-2003) 高层民用建筑

21、钢结构技术规程高层民用建筑钢结构技术规程 (JGJ99-98)(JGJ99-98) 柱在框架平面外的计算长度：柱在框架平面外的计算长度： 与平面内计算方法相同与平面内计算方法相同 确定框架类型确定框架类型 计算梁柱截面参数计算梁柱截面参数 求梁柱线刚度比求梁柱线刚度比 查表或简化公式查表或简化公式 有侧移双层框架有侧移双层框架 图中数字为横梁或柱子的线刚度图中数字为横梁或柱子的线刚度 分析各柱在框架平面内计算长度系数分析各柱在框架平面内计算长度系数 H H H H L LL L C1C1C2C2C3C3 C5C5C6C6C4C4 6 66 6 2 24 42 2 4 48 84 4 10101

22、010 线刚度线刚度 例例1 1 柱柱C1,C3:C1,C3: 柱柱C2C2： 柱柱C4,C6C4,C6： 柱柱C5C5： 12 610 31.67 224 KK ， 1.16 12 6610 10 31.67 448 KK ， 1.16 12 10 1.6710 24 KK ，1.13 12 10 10 1.670 48 KK ，2.22 H H H H L LL L C1C1C2C2C3C3 C5C5C6C6C4C4 6 66 6 2 24 42 2 4 48 84 4 10101010 无支撑纯框架无支撑纯框架 1.01.0 柱脚刚接柱脚刚接 1.0-2.01.0-2.0 柱脚铰接柱脚铰

23、接 2.0 2.0 有支撑框架柱有支撑框架柱 1212 1212 1212 1212 1212 1212 1212 长细比长细比 120120120120120120808012012060601001006060 Q235钢，其它应乘以钢，其它应乘以 235/ y f v框架柱板件的宽厚比限值：框架柱板件的宽厚比限值： 抗震设防烈度抗震设防烈度 板件部位板件部位 6度度 7度度 8度度 9度度 H 形形 柱柱 翼缘悬伸部分翼缘悬伸部分 13 13 11 12 10 11 9 腹板腹板 43 52 43 48 43 44 43 箱形柱壁板箱形柱壁板 38 40 37 36 35 36 33 1

24、2层12层12层12层12层12层 1f b t w0 ht 0 tfw btht或 1 10 1 36 1 36 1 9 1 40 12层 Q235钢，其它应乘以钢，其它应乘以 角标角标(1)适用于强柱弱梁不能得到保证的柱适用于强柱弱梁不能得到保证的柱 235/ y f v支撑杆承载力验算（按小震压杆设计，保证弹性承载支撑杆承载力验算（按小震压杆设计，保证弹性承载 力）力） RE br f A N / 式中：式中：N设计内力。交叉支撑和单斜支撑乘以增大系设计内力。交叉支撑和单斜支撑乘以增大系 数数1.3；人字形和；人字形和V形支撑乘以形支撑乘以1.5。 循环荷载下的强度降低系数。循环荷载下的

25、强度降低系数。 正则化长细比。正则化长细比。 n 35. 01 1 cr yy n f E f v长细比长细比限值（我国）限值（我国） 1395 . 1 32,/4 . 2/50 235 120/720 2 ，即欧洲： ，日本： 美国：中震 n y y cmtFF f F 房屋总层数房屋总层数受力状态受力状态非抗震设防非抗震设防6度、度、7度度8度度9度度 12层层 按压杆设计按压杆设计150150120120 按拉杆设计按拉杆设计300200150150 12层层压杆或拉杆压杆或拉杆150或或3001209060 Q235钢，其它应乘以钢，其它应乘以 235/ y f v支撑板件宽厚比限值支

26、撑板件宽厚比限值 板件名称板件名称 非抗震非抗震 设防设防 不超过不超过12层层超过超过12层层 7度度 8度度 9度度 6度度 7度度 8度度 9度度 翼缘外伸部分翼缘外伸部分(b1/tf)10+0.1131199887 工字形工字形(含含H形形)截面腹板截面腹板(h0/tw)25+0.533302725232321 箱形截面的翼缘和腹板箱形截面的翼缘和腹板(b1/tf或或 h0/tw) 4031282523212119 圆管外径与壁厚比值圆管外径与壁厚比值(D/t)10042404038 235/ y f适用于适用于Q235钢，其它钢号应乘以钢，其它钢号应乘以 (工形、箱形工形、箱形)或或

27、 (圆管圆管) 杆件两个方向长细比均应满足此表杆件两个方向长细比均应满足此表 y f/235 1) 支撑杆的承载力验算支撑杆的承载力验算 RE f A N 式中：式中： N在竖向和水平荷载最不利组合下的支撑轴力；在竖向和水平荷载最不利组合下的支撑轴力； 轴心受压构件的稳定系数，查钢结构规范附录轴心受压构件的稳定系数，查钢结构规范附录C； 内力增大系数，见下表。内力增大系数，见下表。 2) 偏心支撑的构造要求偏心支撑的构造要求 v长细比长细比 y f235120 y f t b 23513 y f t b 23540 0 y w f t h 23540 0 v板件宽厚比板件宽厚比 3) 偏心支撑框架梁的构造要求偏心支撑框架梁的构造要求