4_3多层及高层房屋结构-柱和支撑的设计

4.3柱和支撑的设计4.3.1框架柱设计概要4.3.2梁与柱的连接4.3.3水平支撑布置4.3.4竖向支撑设计4.3.1框架柱设计概要常用的柱截面形式：箱形、焊接工字形、H型钢、圆管等；H型钢柱：应用较广；（截面经济合理、规格尺寸多、加工量少以及便于连接）焊接工字形截面：可灵活地调整截面特性；焊接箱形截面：可使关于两个主轴的刚度相等，但加工量大；钢管混凝土的组合柱：提高管状柱的承载力、防火性能；轧制型钢：较经济，但采用厚度更大的焊接工字形截面，可显著改善结构效比能。压(拉)弯构件截面初估：参考同类已建工程；（如在初设计中，已粗略得到柱的设计轴力值N，则可以承受1.2N的轴心受压构件来初拟柱截面尺寸）大致可按每3～4层作一次变截面；尽量使用较薄的钢板；（其厚度不宜超过100mm；柱板件宽厚比不应大于表4.6的规定）框架柱长细比的规定（下表）框架柱的设计方法6～8度设防多层(≤12层)9度设防9度设防8度设防6，7度设防高层(12层)f1/2y≤120（235/）1/2100235/yf（）f1/2y≤120（235/）f1/2y≤80（235/）f1/2y≤60（235/）满足强柱弱梁的设计要求使塑性铰出现在梁端而不是在柱端，抗震设防的柱在任一节点处，宜满足下列要求：pcyccpbyb(/WfNAWf)≥Wpc，Wpb：计算平面内交汇于节点的柱和梁的截面塑性抵抗矩；fyc，fyb：柱和梁钢材的屈服强度；N：按多遇地震作用组合得出的柱轴力；AC：柱的截面面积；η：强柱系数（超过6层的钢框架，6度Ⅳ类场地和7度时可取1.08度时可取1.05，9度时可取1.15；在重力荷载作用下：对于纯框架柱应按有侧移情形确定。（上册附表18-2）满足规范GB50017规定的强支撑(或剪力墙)框架：应按无侧移情形确定。（上册附表18-1）亦可分别按下列近似公式确定：计算长度的确定KKKKKKKK121212121.6+4()+7.5＝+有7.5侧移时:32(KKKKKKKK121212123+1.4()+0.64＝)+1.28无侧移时：K1，K2：交于柱上下端的横梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值4.3.2梁与柱的连接梁与柱的连接形式刚性连接柔性连接半刚性连接本节内容梁与柱的连接形式通常采用的是柱贯通的连接形式；按连接转动刚度的不同可分为：柔性连接1半刚性连接2刚性连接3梁腹板传递竖向剪力梁腹板与翼缘传递剪力和部分弯矩梁上下翼缘传递弯矩，腹板传递剪力4连接角钢、端板、支托完全焊接、完全栓接、栓焊混合完全焊接梁翼缘与柱翼缘间:全熔透坡口焊缝；按规定设置衬板；当框架梁端垂直于工字形柱腹板时，柱在梁翼缘对应位置设置横向加劲肋；且加劲肋厚度不应小于梁翼缘厚度。为便于施焊，梁腹板要切去两角；构造简单，但焊缝质量要求高。完全焊接连接的计算方法常用计算法精确计算法梁翼缘梁端全部弯矩梁腹板梁端全部剪力尚应以Anwfv/2作为焊缝所承担的剪力来验算梁翼缘梁腹板承担Mf同时承担Mw和梁端全部剪力V梁端的弯矩M以梁翼缘和腹板各自的截面惯性矩分担作用完全焊接时的常用计算法追加Anwfv/2作为焊缝所承担的剪力验算!梁翼缘与柱翼缘对接焊缝的抗拉强度：梁腹板角焊缝的抗剪强度：wtfff()Mfbtht＝≤wfwe2Vflh＝≤栓焊混合连接时的常用计算法追加Anwfv/2作为螺栓所承担的剪力验算!梁翼缘与柱翼缘对接焊缝的抗拉强度：梁腹板高强螺栓的抗剪承载力：wtfff()Mfbtht＝≤VNNnbbvv=≤0.90.9：考虑焊接热影响对高强度螺栓预拉力损失。完全栓接所有的螺栓都采用高强摩擦型螺栓连接；当梁翼缘提供的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70％时，梁腹板与柱的连接螺栓不得少于两列；当计算只需一列时，仍应布置两列，且此时螺栓总数不得小于计算值的1.5倍。适用于单侧有梁相连的柱栓焊混合连接可认为是半刚接；连接钢板足够厚时，作为刚接；支托传递剪力。产生裂缝的原因未焊透、气泡、凹坑、焊脚尺寸的突变；焊接处材料韧性低下。改进意见最好在焊后将衬板除去并补焊翼缘坡口焊的焊根；如果焊后不除去衬板，则下翼缘焊缝的衬板应有足够的角焊缝消除间隙；同时，腹板端部扇形切角的尺寸不宜过小；为了防止焊缝金属韧性过低，对它的最低冲击功作出了规定。改进的节点构造-1(骨形连接)DogboneMomentConnection梁翼缘局部削弱，形成骨形连接；塑性铰自梁端外移。塑性铰所在截面改进的节点构造-2(梁端部加腋)其它方法：把梁的短段在工厂和柱焊接，以保证焊接质量，短段和梁的主段在工地拼接，可以全部用高强度螺栓连接，或焊、栓并用。塑性铰外移；用于结构加固。塑性铰所在截面实例梁与柱的刚接连接高强螺栓钢衬板对接焊缝梁上下翼缘传递弯矩，腹板传递剪力柔性连接多层框架中可由部分梁和柱刚性连接组成抗侧力结构，而另一部分梁铰接于柱，这些柱只承受竖向荷载；设有足够支撑的非地震区多层框架原则上可全部采用柔性连接。柔性连接（a）（c）（b）连接角钢或端板偏上放置：上翼缘处变形小。图(d):当梁用承托连于柱腹板时，宜用厚板作为承托构件以免柱腹板承受较大弯矩；图(e):在需要用小牛腿时，则应做成工字形截面，并把它的两块翼缘都焊于柱翼缘，使偏心力矩M=Re以力偶的形式传给柱翼缘。承托牛腿柔性连接实例梁与柱铰接连接梁腹板传递竖向剪力半刚性连接竖向荷载下可看作梁简支于柱；水平荷载下起刚性节点作用；适于层数不多或水平力不大的建筑；半刚性连接必须有抵抗弯矩的能力，但无需像刚性连接那么大。用连于翼缘的上、下角钢和高强螺栓来连接，由上下角钢一起传递弯矩，腹板上的角钢则传递剪力。RM端板-高强螺栓连接端板在大多数情况下伸出在梁高度范围之外(或是上边伸出，下边不伸出)梁端弯矩化作力偶，其拉力经上翼缘传出；受拉的螺栓布置在关于受拉翼缘对称的位置，共四个；压力可以通过端板或柱翼缘承压传力，压力区螺栓可少量设置，和拉力区的螺栓一起传递剪力；虚线表示必要时可设柱加劲肋。RMRM实例梁与柱的半刚接连接梁腹板与翼缘传递剪力和部分弯矩4.3.3水平支撑布置横向水平支撑纵向水平支撑水平支撑（设置于同一水平面内的支撑）（通常意义下）临时水平支撑：为了建造和安装的安全而设置；永久水平支撑：通常在水平构件不能构成水平刚度大的隔板时设置。分类水平支撑布置节点板表面高出梁上翼缘有构造处理上的不便楼盖水平刚度不足时布置水平支撑4.3.4竖向支撑设计中心支撑:斜腹杆都连接于梁柱节点偏心支撑:斜腹杆不都连接于梁柱节点两根柱构件间设置一系列斜腹杆竖向支撑竖直支撑的布置可在建筑物纵向的一部分柱间布置，也可在横向或纵横两向布置；在平面上可沿外墙布置，也可沿内墙布置。4.3.4.1中心支撑抗震设防的结构不得采用K形斜杆体系；所有型式的支撑体系都可以跨层跨柱设置。(c)人字形斜杆(b)单斜杆(a)十字交叉斜杆(d)K形斜杆(e)跨层跨柱设置斜杆体系只能受拉的单斜杆体系，应同时设置不同倾斜方向的两组单斜杆；且每层中不同方向单斜杆的截面面积在水平方向的投影面积之差不得大于10％。对支撑杆件长细比的要求抗震设防的结构：长细比限值规定（反复拉压作用下，长细比大于40(235／fy)1/2的支撑承载力将显著降低。）非抗震设防结构中的中心支撑：（1）按只能受拉的杆件设计时，其长细比不应大于300(235／fy)1/2；（2）按既能受拉又能受压的杆件设计时，其长细比不应大于150(235／fy)1/2。类型6，7度8度9度≤12层按压杆150120120按拉杆200150150高层（12层）1209060支撑斜杆截面支撑斜杆宜采用双轴对称截面；当采用单轴对称截面时，应采取防止绕对称轴屈曲的构造措施；结构抗震设防烈度不小于7度时，不宜用双角钢组合T形截面。7度及以上抗震设防的结构，当支撑为填板连接的双肢组合构件时，肢件在填板间的长细比不应大于构件最大长细比的1/2，且不应大于40；与支撑一起组成支撑系统的横梁、柱及其连接，应具有承受支撑斜杆传来内力的能力；与人字支撑、V形支撑相交的横梁，在柱间的支撑连接处应保持连续；中心支撑的设计要点（一）中心支撑的设计要点（二）计算人字形支撑体系中的横梁截面时，尚应满足在不考虑支撑的支点作用情况下按简支梁跨中承受竖向集中荷载时的承载力；按8度及以上抗震设防的结构，可以采用带有消能装置的中心支撑体系；高层钢结构在水平荷载作用下变形较大，须考虑P-△效应；中心支撑的设计要点（三）人字形和V形支撑尚应考虑支撑跨梁传来的楼面垂直荷载；对于十字交叉支撑、人字形支撑和V形支撑的斜杆，尚应计入柱在重力下的弹性压缩变形在斜杆中引起的附加压应力。中心支撑节点的构造形式（一）重型支撑轻型支撑（双节点板）中心支撑节点的构造形式（二）地震区的工字形截面中心支撑宜采用轧制宽翼缘H型钢；如果采用焊接工字形截面，则其腹板和翼缘的连接焊缝应设计成焊透的对接焊缝；与支撑相连接的柱通常加工成带悬臂梁段的形式，以避免梁柱节点处的工地焊缝。几何特征：支撑斜杆不交于梁柱节点；力学特征：位于支撑斜杆与梁柱节点(或支撑斜杆)之间的耗能梁段，一般比支撑斜杆的承载力低，同时具有在重复荷载作用下良好的塑性变形能力；4.3.4.2偏心支撑(a)门架式(b)单斜杆式(d)V形(c)人字形在正常的荷载状态下，偏心支撑框架具有足够的水平刚度；在遭遇强烈地震作用时，耗能梁段首先屈服吸收能量。（支撑不屈曲）设计意图构造措施(使耗能梁段在反复荷载下具有良好的滞回性能)支撑斜杆轴力的水平分量较大时，除降低此梁段的受剪承载力外，还需减少该梁段的长度；耗能梁段的腹板不得贴焊补强板，也不得开洞；耗能梁段与支撑连接处，在其腹板两侧配置加劲肋；耗能梁段腹板的中间加劲肋，需按梁段的长度区别对待。偏心支撑构造耗能梁段与柱的连接要求耗能梁段与柱连接时，其长度不得大于1.6Mlp／Vl；耗能梁段翼缘与柱翼缘之间应采用坡口全熔透对接焊缝连接，耗能梁段腹板与柱之间应采用角焊缝连接；耗能梁段与柱腹板连接时，耗能梁段翼缘与连接板间应采用坡口全熔透焊缝，耗能梁段腹板与柱间应采用角焊缝；耗能梁段要承受平面外扭转，与耗能梁段处于同一跨内的框架梁，同样承受轴力和弯矩，为保持其稳定，耗能梁段两端上下翼缘应设置侧向支撑。