高层建筑钢结构第五章构件的设计

5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5.1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；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。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。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/s24)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。5.2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2)梁的整体体稳定抗震验算算要考虑虑抗震调调整系数数。当梁端仅仅以腹板板与柱(主梁)连接时，，整体稳稳定系数数上应乘乘以0.85的降低系系数。当为组合合楼盖，，或现浇浇钢筋混混凝土板板与钢梁梁翼缘有有可靠连连接时，，可不验验算钢梁梁的整体体稳定性性。抗震区侧侧向支撑撑的设置置目的——保证梁上上塑性铰铰能充分分塑性转转动而不不发生整整体失稳稳。位置——两端可能能出现塑塑性铰处处；梁的上下下翼缘均均应设置置；相邻侧向向支撑点点间的侧侧向长细细比应符符合《钢规》塑性设计的有有关规定定，且满满足下表表。钢梁的容容许侧向向长细比比侧向支承点间的构件长细比

应力比值3)梁板件的的宽厚比比限值一般钢梁梁板件的宽宽厚比限限值钢梁的截面形式bfbftfhotftwb1twtwtfhotfb1bo框架梁的的板件宽宽厚比限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3636323036323030兼作支撑撑横杆的的梁和塑塑性设计计时梁板件的宽宽厚比限限值翼缘腹板钢梁轴力5.3钢柱的设设计特点点(columns)（梁，柱，中心支支撑，偏偏心支撑撑，剪力力墙板））轴压柱框框架架柱

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，节点域两个工字字钢组成成的十字字形截面面也有大大量应用用圆管截面面多用于于钢管混混凝土柱柱1)轴压柱截面形式式强度验算算稳定验算算刚度验算算局部稳定定使用净截截面面积积1)轴压柱截面形式式强度验算算稳定验算算刚度验算算局部稳定定使用毛截截面面积积计算稳定定系数时时，厚板板多为c、d类1)轴压柱截面形式式强度验算算稳定验算算刚度验算算局部稳定定1)轴压柱截面形式式强度验算算稳定验算算刚度验算算由长细比比控制长细比不不宜大于于120，一般40-60局部稳定定工字形截面箱形截面2)框架柱（（压弯柱柱beam-columns）承载力验验算强度验算算稳定验算算抗震验算时除γRE弯矩作用平面内：弯矩作用平面外：

计算长度支撑框架架无无侧移无支撑框框架有有侧移弱支撑框框架框架的分分类：框架柱计计算长度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计算长度度的确定定方法：：基本假定定稳定方程程进行简化化表格公式式确定模型型计算长度度的确定定方法：：基本假定定稳定方程程进行简化化表格公式式确定模型a）材料弹性b）只在节点承受受竖向荷载c）所有柱子同时时失稳d）柱子失稳时，，相交于同一一节点的横梁梁对柱提供约约束弯矩，按按柱线刚度之之比分配给柱柱，只考虑与与该柱相连的的横梁e）无侧移失稳，，横梁两端转转角大小相等等方向相反；；有侧移失稳稳，横梁两端端转角大小相相等方向相同同计算长度的确确定方法：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程组确定稳定承载载力Pcr与欧拉临界力力公式相对比比：这里的μ即为计算长度系数；l0即为计算长度最后发现μ与柱上下端的的梁柱线刚度度比K1和K2有关，是关于于它们的超越越方程。1212计算长度的确确定方法：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刚度比K1和K2计算长度的确确定方法：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

计算长度的确确定方法：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。计算长度的确确定方法：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计算长度的确确定方法：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长度系数的方方法小结：

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

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

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

有侧移双层框框架图中数字为横横梁或柱子的的线刚度分析各柱在框框架平面内计计算长度系数数HHLLC1C2C3C5C6C4662424841010线刚度例1

柱C1,C3:

柱C2：

柱C4,C6：

柱C5：

HHLLC1C2C3C5C6C4662424841010无支撑纯框架架>1.0柱脚刚接1.0-2.0柱脚铰接>2.0有支撑框架柱柱<1.0图示铰接柱脚脚的双跨等截截面柱框架确定边柱和中中柱在框架平平面内的计算算长度L=12mL=12mH=8m16*35010*80010*36012*30010*46016*300例2查有侧移框架架计算长度系系数的规范表表格：横梁线刚度与与边柱线刚度度比值横梁边柱中柱用近似公式计计算两个横梁线刚刚度之和与中中柱线刚度比比值：两种方法计算算结果一致近似公式基础铰接的双双跨框架已知：一阶分分析的轴压力力，弯矩，水水平力，框架平面外有有足够支撑不不发生弯扭屈屈曲，钢材为Q235确定柱的承载载力例3P2PPP2PP0.2P0.384PKN.M0.048P0.104P0.048P0.416PKN.M0.416PKN.M0.348PKN.M0.348PKN.M0.832PKN.M0.384PKN.M解:(1)先计算边柱的的承载力边柱的截面特特性：弯矩作用平面面内的稳定承承载力:长细比按b类截面查按稳定确定边边柱承载力对于有侧移框框架，等效弯弯矩系数按强度确定边边柱的承载力力（2）再计算中柱柱的承载能力力中柱的截面特特征：按弯矩作用平平面内的稳定定来承载能力力长细比仍按b类截面查表按强度确定边边柱的承载能能力由由经比较可知，，P之最小值为381.8KN，边柱和中柱的的承载能力分分别为381.8KN和763.6KN，是由中柱的稳稳定承载力决决定的。式中：Wpc、Wpb分别为节点处处柱和梁的截截面塑性模量量；N为柱轴向压力力设计值；Ac为柱截面面积积；η为超强系数，，6层以上钢框架架，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当柱所在楼层层的受剪承载载力比上一层层的受剪承载载力高出25％或柱轴向力设设计值与柱全全截面面积和和钢材抗压强强度设计值乘乘积的比值不不超过0.4；或作为轴心受受压构件在2倍地震力下稳稳定性得到保保证时3)抗震时，纯框框架的强柱弱弱梁要求可不按上式验验算4)柱的构造要求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，其它应乘以框架柱板件的的宽厚比限值值：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5.4中心支撑杆件件支撑杆承载力力验算（按小小震压杆设计计，保证弹性性承载力）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。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，其它应乘以支撑板件宽厚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1)支撑杆的承载力力验算式中：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。2)偏心支撑的构造造要求长细比板件宽厚比3)偏心支撑框架梁梁的构造要求