全国结构工程师考试教程

2023-08-28 理论教育版权反馈

【摘要】：表6.12-10 钢结构抗震设计的连接系数注：1.屈服强度高于Q345的钢材，按Q345的规定采用。3）工字形截面柱（绕强轴）和箱形截面柱与梁刚接时，应符合下列要求。

1.设计原则

（1）设计原则高层建筑钢结构的节点连接，当非抗震设防时，应按结构处于弹性受力阶段设计；当抗震设防时，应按结构进入弹塑性阶段设计，节点连接的承载力应高于构件截面的承载力。

要求抗震设防的结构，当风荷载起控制作用时，仍应满足抗震设防的构造要求。

（2）验算内容抗震设防的高层建筑钢结构框架，从梁端或柱端算起的1/10跨长或两倍截面高度范围内，节点设计应验算下列各项：

1）节点连接的最大承载力。

2）构件塑性区的板件宽厚比。

3）受弯构件塑性区侧向支承点间的距离。

（3）节点连接的最大承载力抗震设防的高层建筑钢框架，其节点连接的最大承载力应符合下列要求：

1）梁与柱连接节点的极限受弯、受剪承载力

梁与柱的连接应满足下列公式要求：

M^j_u≥η_jM_p （6.12-23a）

V^j_u≥1.2（2M_p/l_n）+V_Gb （6.12-23b）

式中 M^j_u——连接的极限受弯承载力；

V^j_u——连接的极限受剪承载力；

M_p——梁的全塑性受弯承载力；

l_n——梁的净跨；

V_Gb——梁在重力荷载代表值（9度时高层建筑尚应包括竖向地震作用标准值）作用下按简支梁分析的梁端截面剪力设计值；

η_j——连接系数，可按表6.12-10采用。

表6.12-10 钢结构抗震设计的连接系数

注：1.屈服强度高于Q345的钢材，按Q345的规定采用。

2.屈服强度高于Q345GJ的GJ钢材，按Q345GJ的规定采用。

3.翼缘焊接腹板栓接时，连接系数分别按表中连接形式取用。

2）支撑与框架的连接及支撑拼接的极限承载力

支撑与框架的连接及支撑拼接的极限承载力应符合下式要求：

N^j_ubr≥η_jA_brf_y （6.12-24）

式中 N^j_ubr——支撑连接的极限承载力；

A_br——支撑的净截面面积；

f_y——支撑钢材的屈服强度。

3）梁、柱构件拼接的极限承载力

梁的拼接 M^j_ub，sp≥η_jM_p （6.12-25a）

柱的拼接 M^j_uc，sp≥η_jM_pc （6.12-25b）

式中 M^j_ub，sp、M^j_uc，sp——梁、柱拼接的极限受弯承载力；

M_pc——构件有轴向力时的全截面受弯承载力，按式（6.10-28）或式（6.12-29）计算。

4）柱脚与基础的连接极限承载力，按下式计算：

M^j_u，base≥η_jM_pc （6.12-25c）

式中 M^j_u，base——柱脚的极限受弯承载力。

拼接采用螺栓连接时，尚应符合下列要求：

翼缘 nN^b_cu≥1.2A_ff_y （6.12-26a）

且 nN^b_vu≥1.2A_ff_y （6.12-26b）

腹板

且

式中 N^b_vu、N^b_cu——一个螺栓的极限受剪承载力和对应的板件极限承压力；

A_f——翼缘的有效截面面积；

N^b_M——腹板拼接中弯矩引起的一个螺栓的最大剪力；

n——翼缘拼接或腹板拼接一侧的螺栓数。

梁、柱构件有轴力作用时的全截面受弯承载力按下列公式计算：

工字形截面（绕强轴）和箱形截面

当N/N_y≤0.13时 M_pc=M_p （6.12-28a）

当N/N_y＞0.13时 M_pc=1.15（1-N/N_y）M_p （6.12-28b）

工字形截面（绕弱轴）

当N/N_y≤A_wn/A_n时 M_pc=M_p （6.12-29a）

当N/N_y＞A_wn/A_n时

式中 N_y——构件轴向屈服承载力，N_y=A_nf_y；

A_n——构件净截面面积；

A_wn——构件腹板净截面面积。

（4）安装单元的划分钢框架安装单元的划分，在采用柱贯通型连接时，宜为三层一根，视具体情况也可为一层、两层或四层一根，框架柱接头距框架梁上方的距离，可取1.3m和柱净高一半两者的较小值。梁的安装单元为每跨一根。

采用带悬臂梁段的柱单元时，悬臂梁段的长度一般距柱轴线不超过1.6m。框筒结构采用带悬臂梁段的柱安装单元时，梁的接头可设置在跨中。

2.连接

（1）连接形式高层建筑钢结构的节点连接，可采用焊接、高强度螺栓连接或栓焊混合连接。

节点的焊接连接，根据受力＇情况可采用全熔透或部分熔透焊缝，遇下列情况之一时应采用全熔透焊缝：

1）要求与母材等强的焊接连接。

2）框架节点塑性区段的焊接连接。

（2）焊接材料强度焊缝熔敷金属应与母材强度相匹配。不同强度的钢材焊接时，焊接材料强度应按强度较低的钢材选用。

（3）螺栓选用高层建筑钢结构承重构件的螺栓连接，应采用摩擦型高强度螺栓。

（4）高强度螺栓的极限受剪承载力高强度螺栓受剪的极限承载力，取下列二式计算的较小者：

N^b_vu=0.58n_fA^b_ef^b_u （6.12-30a）

N^b_cu=d∑tf^b_cu （6.12-30b）

式中 N^b_vu、N^b_cu——一个高强度螺栓的极限受剪承载力和对应的板件极限承压力；

n_f——螺栓连接的剪切面数量；

A^b_e——螺栓螺纹处的有效截面面积；

f_u^b——螺栓钢材的抗拉强度最小值；

d——螺栓杆直径；

∑t——同一受力方向的钢板厚度之和；

f^b_cu——螺栓连接板件的极限承压强度，取1.5f_u；

f_u——构件母材的抗拉强度最小值。

（5）焊缝的极限承载力焊缝的极限承载力按下式计算：

对接焊缝受拉N_u=A^w_ff_u （6.12-31）

角焊缝受剪V_u=0.58A^w_ff_u （6.12-32）

式中 A^w_f——焊缝的有效受力面积。

3.梁与柱的连接

（1）梁与柱的连接构造

1）梁与柱的连接宜采用柱贯通型。

2）柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时，宜采用箱形截面。当仅在一个方向刚接时，宜采用工字形截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内。

3）工字形截面柱（绕强轴）和箱形截面柱与梁刚接时，应符合下列要求（图6.12-4）。

①梁翼缘与柱翼缘间应采用全熔透坡口焊缝；一、二级时，应检验焊缝V形切口的冲击韧性，其夏比冲击韧性在-20°C时不低于27J。

②柱在梁翼缘对应位置应设置横向加劲肋（隔板），且加劲肋（隔板）厚度不应小于梁翼缘厚度，强度与梁翼缘相同。

③梁腹板宜采用摩擦型高强度螺栓通过连接板与柱连接；腹板角部应设置焊接孔，孔形应使其端部与梁翼缘和柱翼缘的全熔透坡口焊缝完全隔开。

④当梁翼缘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；当计算仅需一列时，仍应布置两列，且此时螺栓总数不得少于计算值的1.5倍。

⑤抗震等级为一级和二级时，宜采用能将塑性铰自梁端外移的端部扩大形连接、梁端加盖板或骨形连接。

4）框架梁采用悬臂梁段与柱刚性连接时（图6.12-5），悬臂梁段与柱应采用全焊接连接，此时上下翼缘焊接孔的形式宜相同；梁的现场拼接可采用翼缘焊接腹板螺栓连接（图6.12-5a）或全部螺栓连接（图6.12-5b）。

图6.12-4 框架梁与柱的现场连接

图6.12-5 框架梁与柱通过梁悬臂段的连接

（2）梁与柱连接节点域承载力计算

1）节点域处柱腹板的厚度。节点域处柱腹板的厚度应满足式（6.12-14）的要求。

2）节点域的屈服承载力。节点域的屈服承载力应符合下式要求：

式中 M_pb1、M_pb2——节点域两侧钢梁端部截面全塑性受弯承载力；

f_yv——钢材的屈服抗剪强度，取钢材屈服强度的0.58倍；

α——折减系数；抗震等级为三、四级时可取0.6，一、二级时可取0.7；

V_p——节点域体积，工字形截面柱：V_p=h_bh_ct_w

箱形截面柱：V_p=1.8h_bh_ct_w

圆管截面柱：V_p=（π/2）h_bh_ct_w

h_b——梁翼缘厚度中点间的距离；

h_c——柱翼缘（或钢管直径线上管壁）厚度中点间的距离；

t_w——柱在节点域的腹板厚度。

3）节点域抗剪强度。工字形截面柱和箱形截面柱节点域腹板抗剪强度按下式计算：

式中 M_b1、M_b2——节点域两侧钢梁弯矩设计值；

f_v——钢材的抗剪强度设计值；

γ_RE——节点域的承载力抗震调整系数，取0.75。

（3）梁与柱铰接连接梁与柱铰接时（图6.12-6），与梁腹板相连的高强度螺栓，除应承受梁端剪力外，尚应承受偏心弯矩的作用。偏心弯矩M按下式计算：

M=Ve （6.12-35）

式中 e——支承点到螺栓合力作用线的距离。

图6.12-6 梁与柱铰接

a）与柱强轴连接 b）与柱弱轴连接

4.柱与柱的连接

（1）柱的截面形式钢框架宜采用工字形柱或箱形柱，钢骨混凝土框架部分宜采用工字形柱或十字形柱。

箱形柱宜为焊接柱，其角部的组装焊缝应为部分熔透的V形或U形焊缝，焊缝厚度不应小于板厚的1/3，并不应小于14mm，抗震设防时不应小于板厚的1/2（图6.12-7a）。当梁与柱刚性连接时，在框架梁的上、下各500mm范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的焊缝应采用全熔透坡口焊缝（图6.12-7b）。

十字形柱应由钢板或两个型钢焊接而成（图6.12-8）；组装的焊缝均应采用部分熔透的K形坡口焊缝，每边焊接深度不应小于1/3板厚。

（2）柱的承压接头非抗震设防的高层建筑钢结构，当柱的弯矩较小且不产生拉力时，可通过上下柱接触面直接传递25%的压力和25%的弯矩，此时柱的上下端应磨平顶紧，并应与柱轴线垂直。坡口焊缝的有效深度t_e不宜小于厚度的1/2（图6.12-9）。

（3）柱与柱工地接头处耳板的设置在柱的工地接头处应设置安装耳板，耳板厚度应根据阵风和其他的施工荷载确定，并不得小于10mm。耳板宜仅设置在柱的一个方向的两侧，或柱接头受弯应力最大处。

图6.12-7 箱形组合柱的角部组装焊缝

图6.12-8 十字形组合柱的组装焊缝

（4）工字形截面柱的工地接头工字形截面柱在工地的接头，弯矩应由翼缘和腹板承受，剪力应由腹板承受，轴力应由翼缘和腹板分担。翼缘接头宜采用坡口全熔透焊缝，腹板可采用高强度螺栓连接。当采用全焊接接头时，上柱翼缘应开V形坡口；腹板应开K形坡口。

（5）箱形截面柱的工地接头箱形柱在工地的接头应全部采用焊接，其坡口应采用（图6.12-10）所示的形式。非抗震设防时可按（2）的规定执行。

图6.12-9 柱接头的部分熔透焊缝

图6.12-10 箱形截面柱的工地焊接

下节箱形柱的上端应设置隔板，并应与柱口齐平，厚度不宜小于16mm。其边缘应与柱口截面一起刨平。在上节箱形柱安装单元的下部附近，尚应设置上柱隔板，其厚度不宜小于10mm。柱在工地的接头上下侧各100mm范围内，截面组装焊缝应采用坡口全熔透焊缝。

5.梁与梁的连接

（1）梁的工地接头形式梁在工地的接头主要用于柱带悬臂梁段与梁的连接，可采用下列接头形式：

1）翼缘采用全熔透焊缝连接，腹板用摩擦型高强度螺栓连接。

2）翼缘和腹板采用摩擦型高强度螺栓连接。

3）翼缘和腹板采用全熔透焊缝连接。

（2）梁的工地接头设计原则

1）当用于抗震设防时，梁的接头应按本节第1条第（3）款的要求设计。

图6.12-11 梁的侧向隅撑

2）当用于非抗震设防时，梁的接头应按内力设计，此时，腹板连接按受全部剪力和所分配的弯矩共同作用计算，翼缘连接按所分配的弯矩设计。当接头处的内力较小时，接头承载力不应小于梁截面承载力的50%。

（3）主梁的侧向隅撑抗震设防时，框架横梁下翼缘在距柱轴线1/8～1/10梁跨处，应设置侧向支承构件（图6.12-11）。侧向隅撑长细比不得大于。隅撑的设计轴压力应按下式计算：

式中 A_f——梁受压翼缘的截面面积；

f——梁翼缘钢材强度设计值；

α——隅撑与梁轴线的夹角，当梁互相垂直时可取45°。

6.中心支撑连接

（1）支撑的重心线应通过梁与柱轴线的交点，当受条件限制有不大于支撑杆件宽度的偏心时，节点设计应计入偏心造成的附加弯矩的影响。

（2）柱和梁在与支撑翼缘的连接处应设置加劲肋。加劲肋应按承受支撑轴心力对柱或梁的水平或竖向分力计算。支撑翼缘与箱形柱连接时，在柱壁板的相应位置应设置隔板（图6.12-12）。

（3）若支撑与框架采用节点板连接，节点板在连接杆件每侧有不小于30°夹角。一、二级时，支撑端部至节点板最近嵌固点在沿支撑杆件轴线方向的距离（节点板与框架构件连接焊缝的端部）不应小于节点板厚度的2倍。

（4）当支撑翼缘朝向框架平面外，且采用支托式连接时（图6.12-12a、b），其平面外计算长度可取轴线长度的0.7倍；当支撑腹板位于框架平面内时（图6.12-12c、d），其平面外计算长度可取轴线长度的0.9倍。

（5）梁在其与V形支撑或人字支撑相交处，应设置侧向支承；该支承点与梁端支承点间的侧向长细比（λ_y）以及支承力，应符合3.7.3节关于塑性设计的规定。

图6.12-12 支撑与框架的连接节点

7.偏心支撑连接

（1）偏心支撑与框架梁的连接偏心支撑与消能梁段相交时，支撑轴线与梁轴线的交点不得位于消能梁段外（图6.12-13和图6.12-14）。

图6.12-13 消能梁段与柱翼缘的连接

（2）消能梁段与框架柱的连接消能梁段与柱连接时，其长度不得大于1.6M_lp/V_l。

消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，消能梁段腹板与柱之间应采用角焊缝连接（图6.12-13）。角焊缝的承载力不得小于消能梁段腹板的轴力、剪力和弯矩同时作用时的承载力。

消能梁段与柱腹板连接时，消能梁段翼缘与横向加劲肋间应采用坡口全熔透焊缝，其腹板与柱连接板间应采用角焊缝（气体保护焊）连接。角焊缝的承载力不得小于消能梁段腹板的轴力、剪力和弯矩同时作用时的承载力。

图6.12-14 支撑与消能梁段轴线交点的位置

（3）消能梁段的构造要求

1）消能梁段的腹板不得贴焊补强板，也不得开洞。

2）消能梁段与支撑连接处，应在其腹板两侧配置加劲肋，加劲肋的高度应为梁腹板高度，一侧的加劲肋宽度不应小于（b_f/2-t_w），厚度不应小于0.75t_w和10mm的较大值。b_f为梁段翼缘宽度，t_w为梁段腹板厚度。

3）消能梁段应按下列要求在其腹板上设置中间加劲肋：

①当梁段长度a≤1.6M_lp/V_l时，加劲肋间距不大于（30t_w-h/5），h为梁腹板高度；

②当梁段长度为2.6M_lp/V_l＜a≤5M_lp/V_l时，应在距消能梁段端部1.5b_f处配置中间加劲肋，且中间加劲肋间距不应大于（52t_w-h/5）；

③当梁段长度为1.6M_lp/V_l＜a≤2.6M_lp/V_l时，中间加劲肋间距宜在上述二者之间线性插入；

④当a＞5M_lp/V_l时，可不配置中间加劲肋；

⑤中间加劲肋应与消能梁段的腹板等高，当消能梁段截面高度不大于640mm时，可配置单侧加劲肋；消能梁段截面高度大于640mm时，应在两侧配置加劲肋。一侧加劲肋的宽度不应小于（b_f/2-t_w），厚度不应小于t_w和10mm的较大值。

（4）消能梁段和非消能梁段的侧向支撑

1）消能梁段两端上下翼缘应设置侧向支撑，支撑的轴力设计值不得小于消能梁段翼缘轴向承载力设计值（翼缘宽度、厚度和钢材受压承载力设计值三者的乘积）的6%，即0.06b_ft_ff。

2）偏心支撑框架梁的非消能梁段上下翼缘，应设置侧向支撑。支撑的轴力设计值不得小于梁翼缘轴向承载力设计值的2%，即0.02b_ft_ff，侧向支承点间的间距不应大于。

【例6.12-1】某52m高钢框架结构，箱形方柱截面如图6.12-15所示；抗震设防烈度为8度；回转半径i_x=i_y=173mm，钢材采用Q345（f=300N/mm²，f_y=325N/mm²）。试问，满足规程要求的最大层高h（mm），应最接近于下列何项数值？

提示：柱子的计算长度取层高h。

图 6.12-15

（A）7800 （B）8200

（C）11700 （D）9200

答案：（C）

解答：根据6.12.2节表6.12-3、6.12.3节表6.12-6知，

8度设防时框架抗震等级为二级，框架柱的长细比限值为，即

【例6.12-2】某14层高层钢结构，抗震等级为二级。结构设中心支撑，支撑斜杆钢材采用Q345（f_y=325N/mm²），构件横断面如图6.12-16所示。试验算并指出满足腹板宽厚比要求的腹板厚度t（mm），应与下列何项数值最为接近？

（A）20 （B）26 （C）30 （D）32

答案：（B）

解答：根据6.12.3节表6.12-8知，抗震等级为二级时，工字形截面中心支撑腹板的高厚比限值为。

图6.12-16 【例6.12-2】图

【例6.12-3】试问，当用手工焊接时，下列哪项提法是不妥的？

（A）当焊接结构钢材采用Q235B时，应采用E43型焊条焊接

（B）当焊接结构钢材采用Q345B时，应采用E50型焊条焊接

（C）在焊接结构中，当将钢材Q235B与Q345B焊接时，可采用E43型焊条

（D）在焊接结构中，当将钢材Q235B与Q345B焊接时，可采用E50型焊条

答案：（D）

图 6.12-17

解答：由6.12.4节第2条：不同强度的钢材焊接时，焊接材料强度应按强度较低的钢材选用。所以（D）叙述不妥。

【例6.12-4】假定钢框架结构的梁和柱均为焊接工字形截面，钢材采用Q345，f_y=345N/mm²，图6.12-17所示为框架结构的某一节点。结构为7度设防。试问，对节点域仅按稳定性的要求计算时，在节点域柱腹板的最小计算厚度t_w（mm）与下列何项数值最为接近？

（A）12 （B）13

（C）15 （D）17

答案：（A）

解答：根据式（6.12-14），按7度及以上抗震设防的结构，工字形截面柱腹板在节点域范围的稳定性，应符合下列要求：

，所以选（A）。

【例6.12-5】某高层建筑采用钢框架—支撑结构，有填充墙，平面为正方形。建筑迎风面为矩形，宽度和高度分别为35m和175m。建筑物总质量m_tot=94413.6t。按《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99—1998）指定的规范确定基本风压为w₀=0.55kN/m²。已知脉动增大系数ξ=2.52，脉动影响系数υ=0.49，风荷载整体（即考虑建筑物的前后两面）体型系数μ_s=1.4，试问，在不计算地震作用的效应组合中，该结构顺风向顶点最大加速度a_w（m/s²），与下列何项数值最为接近？

（A）0.051 （B）0.062 （C）0.078 （D）0.10

答案：（A）

解答：由6.12.2节可知，结构顺风向顶点最大加速度按式（6.12-6）计算，重现期调整系数取μ_r=0.83。

顺风向顶点最大加速度为：

【例6.12-6】～【例6.12-8】图6.12-18所示为15层钢框架—支撑结构体系的消能梁段与柱的连接节点。抗震设防烈度为7度。柱为箱形截面（图6.12-18b），框架梁为工字形截面（图6.12-18c），支撑为工字形截面（图6.12-18d）。梁、柱及支撑材料均为Q345B，f_y=325N/mm²，f=265N/mm²，f_v=155N/mm²。

【例6.12-6】偏心支撑杆件截面的回转半径i_x=185.7mm，i_y=52.6mm。则支撑杆件的最大计算长度（mm）与下列哪项数值最为接近？

（A）5365.2 （B）18941.4 （C）6312.0 （D）22284.0

答案：（A）

解答：抗震设防时，偏心支撑杆件的长细比限值为

最大计算长度为5365.2mm

图 6.12-18

【例6.12-7】如果消能梁段满足N＞0.16Af且ρ（A_w/A）＜0.3，则消能梁段最大长度a（mm）与下列哪项数值最为接近？

（A）1350 （B）1400 （C）1500 （D）1910

答案：（D）

解答：消能梁段的塑性截面模量

W_pb=[2×220×25×（25/2+450/2）+2×10×225×225/2]mm³=3118750mm³

M_lp按式（6.12-21）计算，V_l按式（6.12-19a）计算。

根据式（6.12-22a），

【例6.12-8】如果消能梁段长度满足a≤1.6M_lp/V_l，则消能梁段中间加劲肋的最大间距s（mm）与下列哪项数值最为接近？

（A）210 （B）320 （C）430 （D）450

答案：（A）

解答：由6.12.4节第7条中“（3）消能梁段的构造要求”可知，当梁段长度a≤1.6M_lp/V_l时，加劲肋间距不大于（30t_w-h/5），即

s≤30t_w-h/5=（30×10-450/5）mm=210mm

【例6.12-9】～【例6.12-10】图6.12-19所示为某钢框架主梁的侧向隅撑，框架梁截面如图6.12-19b所示。主梁钢材为Q345，f_y=345N/mm²，f=295N/mm²。

【例6.12-9】图6.12-20给出了抗震设防时主梁侧向隅撑设置位置的几种可能情况。问下列哪种设置方法是正确的？

图6.12-19 【例6.12-9】和【例6.12-10】用图

图6.12-20 【例6.12-9】图

（A）设置在梁上翼缘（图6.12-20a）（B）设置在梁的形心轴上（图6.12-20b）

（C）设置在梁下翼缘（图6.12-20c）（D）（A）、（B）、（C）三种方式均可

答案：（C）

解答：第6.12.4节第5条：抗震设防时，框架横梁下翼缘在距柱轴线1/8～1/10梁跨处，应设置侧向支承构件。

【例6.12-10】梁互相垂直，则侧向隅撑的设计轴压力N（kN）与下列何项数值最为接近？

（A）47.5 （B）29.7 （C）30.2 （D）37.4

答案：（B）

解答：根据第6.12.4节第5条，隅撑的设计轴压力应按式（6.12-36）计算，即

图6.12-21 结构平面布置

【例6.12-11】～【例6.12-15】某商贸综合楼结构平面布置图和立面布置图分别如图6.12-21和图6.12-22所示。结构一、二层为商场，一层层高4.6m，二层层高5.1m，三～五层为商务写字楼，层高3.9m。结构一层柱高为6.21m。8度设防，Ⅱ类场地土，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.2g，抗震等级为三级。梁柱钢材均为Q235B。梁、柱截面为焊接工字形截面，截面形式如图6.12-23所示，截面尺寸及参数列于表6.12-11内。