高层建筑钢结构构件设计

03二月20235构件设计5.1荷载效应组合及设计要求

5.2钢梁的设计特点

5.3钢柱的设计特点5.4中心支撑杆件

5.5偏心支撑杆件5.6其它抗侧力构件03二月2023弹性阶段整体分析，计算构件内力验算构件承载力和稳定性验算层间变形和顶层变形节点的计算与设计弹塑性阶段结构极限变形的验算层间侧移延性比的验算舒适度的验算03二月20235.1荷载效应组合及设计要求无地震作用时的组合1)荷载效应组合有地震作用时的组合03二月2023式中：S－结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、轴力和剪力设计值；

γG－重力荷载分项系数，一般情况采用1.2，当重力荷载效应对构件承载能力有利时，不应大于1.0；

γQ1、γQ2、γw、－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1.4；

γEh、γEv－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1.3，当同时计算水平和竖向地震作用时，γEh＝1.3，γEv＝0.5；

SGk、SQ1k、SQ2k、Swk－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的构件内的荷载效应；03二月2023式中：SGE－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。重力荷载代表值按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)的5.1.3条取用；

SEhk、SEvk－分别为水平或竖向地震作用标准值引起的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；

ψw－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0.2。当验算结构的变形时，所有荷载分项系数均取1.0。03二月2023非抗震验算时2)承载力极限状态验算式中：γ0－结构重要性系数，使用年限100年及以上1.1，50年1.0；

S－结构构件内力组合设计值；

R－结构构件承载力设计值；抗震验算时式中：γRE－构件的承载力抗震调整系数，梁柱为0.75，支撑0.80，节点板件、连接螺栓0.85，连接焊缝0.90，当计算竖向地震作用时取1.0。03二月2023重力荷载作用下梁的挠度限值主梁≤l/400,次梁≤l/250风荷载下的位移限值顶点质心侧移≤H/500；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1.2倍。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1.3倍。其它“钢－混凝土”混合结构的限值见GB50011-2001的5.5.1条。3)正常使用极限状态验算03二月2023舒适度（风振加速度）限值建筑物顶部最大加速度a限值为

公寓建筑a≤0.20m/s2

公共建筑a≤0.28m/s203二月20234)第二阶段抗震验算

层间侧移hi/50

混合结构的限值见GB50011-2001的5.5.5条；层间侧移延性比不应超过结构形式Δ/Δy钢框架3.5偏心支撑框架3.0中心支撑框架2.5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。03二月20235.2钢梁的设计特点(beams)1)梁的强度

非抗震验算：抗弯强度抗剪强度梁端尚应验算

抗震验算：上公式的设计强度应该除以抗震调整系数γRE

。塑性发展系数03二月20232)梁的整体稳定抗震验算要考虑抗震调整系数。当梁端仅以腹板与柱(主梁)连接时，整体稳定系数上应乘以0.85的降低系数。当为组合楼盖，或现浇钢筋混凝土板与钢梁翼缘有可靠连接时，可不验算钢梁的整体稳定性。03二月2023抗震区侧向支撑的设置目的——保证梁上塑性铰能充分塑性转动而不发生整体失稳。位置——两端可能出现塑性铰处；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《钢规》塑性设计的有关规定，且满足下表。钢梁的容许侧向长细比侧向支承点间的构件长细比

应力比值03二月20233)梁板件的宽厚比限值一般钢梁板件的宽厚比限值钢梁的截面形式bfbftfhotftwb1twtwtfhotfb1bo03二月2023框架梁的板件宽厚比限值梁截面形状板件所在部位房屋总层数非抗震，6度7度8度9度工字形箱形翼缘悬伸部分

1111109111099

腹板

箱形两腹板之间的翼缘363632303632303003二月2023兼作支撑横杆的梁和塑性设计时梁板件的宽厚比限值翼缘腹板钢梁轴力03二月20235.3钢柱的设计特点(columns)（梁，柱，中心支撑，偏心支撑，剪力墙板）

轴压柱框架柱

截面形式强度、整体稳定计算局部稳定计算刚度计算，长细比强柱弱梁要求，节点域03二月2023两个工字钢组成的十字形截面也有大量应用圆管截面多用于钢管混凝土柱1)轴压柱截面形式强度验算稳定验算刚度验算局部稳定03二月2023使用净截面面积1)轴压柱截面形式强度验算稳定验算刚度验算局部稳定03二月2023使用毛截面面积计算稳定系数时，厚板多为c、d类1)轴压柱截面形式强度验算稳定验算刚度验算局部稳定03二月20231)轴压柱截面形式强度验算稳定验算刚度验算由长细比控制长细比不宜大于120，一般40-60局部稳定工字形截面箱形截面03二月20232)框架柱（压弯柱beam-columns）承载力验算强度验算稳定验算抗震验算时除γRE弯矩作用平面内：弯矩作用平面外：

计算长度03二月2023

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：框架柱计算长度平面内计算长度平面外计算长度钢规的分类高层中基本上是前两类03二月2023计算长度的确定方法：基本假定稳定方程进行简化表格公式确定模型03二月2023计算长度的确定方法：基本假定稳定方程进行简化表格公式确定模型a）材料弹性b）只在节点承受竖向荷载c）所有柱子同时失稳d）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方向相反；有侧移失稳，横梁两端转角大小相等方向相同03二月2023计算长度的确定方法：基本假定稳定方程进行简化表格公式确定模型转角位移方程组确定稳定承载力Pcr与欧拉临界力公式相对比：这里的μ即为计算长度系数；l0即为计算长度最后发现μ与柱上下端的梁柱线刚度比K1和K2有关，是关于它们的超越方程。03二月20231212计算长度的确定方法：基本假定稳定方程进行简化表格公式确定模型关于梁柱线刚度比K1和K203二月2023计算长度的确定方法：基本假定稳定方程进行简化表格公式确定模型无支撑框架：底层柱柱脚刚性嵌固时柱脚铰接时

03二月2023计算长度的确定方法：基本假定稳定方程进行简化表格公式确定模型强支撑框架：柱脚刚性嵌固时柱脚铰接时

第i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的轴压杆稳定承载力之和。03二月2023计算长度的确定方法：基本假定稳定方程进行简化表格公式确定模型弱支撑框架：第i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的轴压杆稳定承载力之和。按无侧移框架柱按有侧移框架柱计算长度系数轴心压杆稳定系数03二月2023计算长度的确定方法：基本假定稳定方程进行简化表格公式确定模型确定柱计算长度系数的方法小结：

确定框架类型

计算梁柱截面参数

求梁柱线刚度比

查表或简化公式

钢结构设计规范(GB50017-2003)高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ99-98)03二月2023柱在框架平面外的计算长度：与平面内计算方法相同

确定框架类型

计算梁柱截面参数

求梁柱线刚度比

查表或简化公式

03二月2023

有侧移双层框架

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

HHLLC1C2C3C5C6C4662424841010线刚度例103二月2023

柱C1,C3:

柱C2：

柱C4,C6：

柱C5：

HHLLC1C2C3C5C6C4662424841010无支撑纯框架>1.0

柱脚刚接1.0-2.0

柱脚铰接>2.0

有支撑框架柱<1.003二月2023

图示铰接柱脚的双跨等截面柱框架确定边柱和中柱在框架平面内的计算长度L=12mL=12mH=8m16*35010*80010*36012*30010*46016*300例203二月2023查有侧移框架计算长度系数的规范表格：横梁线刚度与边柱线刚度比值横梁边柱中柱

用近似公式计算03二月202303二月2023两个横梁线刚度之和与中柱线刚度比值：两种方法计算结果一致近似公式03二月2023

基础铰接的双跨框架已知：一阶分析的轴压力，弯矩，水平力，框架平面外有足够支撑不发生弯扭屈曲，钢材为Q235

确定柱的承载力例3P2PPP2PP0.2P0.384PKN.M0.048P0.104P0.048P0.416PKN.M0.416PKN.M0.348PKN.M0.348PKN.M0.832PKN.M0.384PKN.M03二月2023解:(1)先计算边柱的承载力边柱的截面特性：弯矩作用平面内的稳定承载力:长细比03二月2023按b类截面查按稳定确定边柱承载力对于有侧移框架，等效弯矩系数按强度确定边柱的承载力03二月2023（2）再计算中柱的承载能力

中柱的截面特征：按弯矩作用平面内的稳定来承载能力长细比仍按b类截面查表03二月2023按强度确定边柱的承载能力由由经比较可知，P之最小值为381.8KN，边柱和中柱的承载能力分别为381.8KN和763.6KN，是由中柱的稳定承载力决定的。03二月2023式中：Wpc、Wpb分别为节点处柱和梁的截面塑性模量；N为柱轴向压力设计值；Ac为柱截面面积；η为超强系数，6层以上钢框架，6度Ⅳ类场地和7度时可取1.0，8度时取1.05，9度时取1.15当柱所在楼层的受剪承载力比上一层的受剪承载力高出25％或柱轴向力设计值与柱全截面面积和钢材抗压强度设计值乘积的比值不超过0.4；或作为轴心受压构件在2倍地震力下稳定性得到保证时3)抗震时，纯框架的强柱弱梁要求可不按上式验算03二月20234)柱的构造要求罕遇地震时不可能出现塑性铰的框架柱轴压比限值为：

式中：Ac－柱截面面积。框架柱的长细比限值为抗震设防烈度6度7度8度9度房屋总层数≤12>12≤12>12≤12>12≤12>12长细比λ120120120801206010060Q235钢，其它应乘以03二月2023框架柱板件的宽厚比限值：

抗震设防烈度板件部位6度7度8度9度H形柱翼缘悬伸部分

1313111210119

腹板43524348434443

箱形柱壁板38403736

353633Q235钢，其它应乘以角标(1)适用于强柱弱梁不能得到保证的柱03二月20235.4中心支撑杆件支撑杆承载力验算（按小震压杆设计，保证弹性承载力）式中：N－设计内力。交叉支撑和单斜支撑乘以增大系数1.3；人字形和V形支撑乘以1.5。

循环荷载下的强度降低系数。正则化长细比。03二月2023长细比λ限值（我国）房屋总层数受力状态非抗震设防6度、7度8度9度≤12层按压杆设计150150120120按拉杆设计300200150150>12层压杆或拉杆150或3001209060Q235钢，其它应乘以03二月2023支撑板件宽厚比限值板件名称非抗震设防不超过12层超过12层7度8度9度6度7度8度9度翼缘外伸部分(b1/tf)10+0.1λ131199887工字形(含H形)截面腹板(h0/tw)25+0.5λ33302725232321箱形截面的翼缘和腹板(b1/tf或h0/tw)4031282523212119圆管外径与壁厚比值(D/t)100———42404038适用于Q235钢，其它钢号应乘以(工形、箱形)或(圆管)杆件两个方向长细比均应满足此表03二月20235.5偏心支撑杆件1)支撑杆的承载力验算式中：N－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C；η－内力增大系数，见下表。03二月20232)偏心支撑的构造要求长细比板件宽厚比03二月20233)偏心支撑框架梁的构造要求在消能梁段上要配置中间加劲肋；在梁上与支撑翼缘对应的位置上应设置支承加劲肋；03二月