多、高层建筑钢结构多、高层建筑钢结构 节点设计节点设计 (华中科技大学土木与力学学院华中科技大学土木与力学学院)内容节点的设计原则 (总)节点设计时的构造要求各类节点的做法及特点节点分类一、节点的设计原则一、节点的设计原则1 1、不、不考虑抗震要求时考虑抗震要求时结构的主要荷载包括两种情况抗震非抗震风荷载结构一般处于弹性状态作用时与地震荷载相比不大满足构件内力要求即可节点设计原则2 2、当考虑抗震要求时当考虑抗震要求时结构的主要荷载地震荷载结构可能进入塑性状态作用时塑性区附近的节点塑性区内的杆件特殊的设计要求节点设计原则满足构件内力要求特殊设计要求针对构件塑性时的局部稳定节点极限承载力梁塑性时的侧向稳定A、节点极限承载力Mu 1.2 MpVu 1.3 (2Mp/l)Mu、Vu 节点的极限受弯、受剪承载力Mp 梁的全塑性弯矩承载力l 梁的净跨度梁柱节点极限承载力Ru 1.2 An fyRu 支撑连接的极限承载力An 支撑杆净截面面积fy 支撑杆材料的屈服强度支撑节点极限承载力B、构件进入塑性状态时， 板件的局部稳定应有保证框架梁板件7度及以上6度和非抗震设防工字形梁和箱形梁翼缘悬伸部分b/t911工字形梁和箱形梁腹版h0/tw72-100N/Af85-120N/Af箱形梁翼缘在两腹板之间的部分b0/t3036框架梁板件宽厚比限值注：1、表中，N为梁的轴向力，A为梁的截面面积，f为梁的钢材强度设计值； 2、表列值适用于 = Q235钢，当钢材为其它牌号时应乘以C、受弯构件塑性区应设置侧向支撑点避免梁发生侧向的弯扭失稳目的L0 两相邻支撑点之间的间距设置方法L0 / b0 ? (根据钢结构规范）b0 受压翼缘的宽度二、节点设计的构造要求（总）二、节点设计的构造要求（总）1、设计时，应使节点构造简单，施工方便，便于就位和调整2、应防止厚钢板层状撕裂ZYX如图，通过轧制而成的钢板，三个方向的机械性能均不相同，其中Z向（厚度方向）最差，特别是塑性和韧性 钢板受撕裂情况 B、对于容易发生撕裂的部位，应要求严格检查A、尽量避免焊缝收缩方向垂直钢板板面方向C、在满足承载力要求的前提下，尽量减少焊缝尺寸构造措施3、在确定框架吊装单元时，应根据构件重量、运输和起吊设备综合确定柱二层或三层楼高一根（一、四层也可）梁每跨梁一根密柱深梁的框筒三根柱 + 三根梁树状柱吊装单元三根柱 + 二根梁世界贸易中心美国，纽约 411m，地上110层，地下6层 ，1973年竣工 阿莫科大厦（Amoco Building) 芝加哥标准石油大楼 美国，芝加哥 342m地上82层，地下5层 1973年4、柱的工地接头一般设置在主梁顶面1.0 1.3 m 高处,以便于安装5、梁若需要现场接头，其位置应根据内力、运输、支撑内力、运输、支撑综合确定一般距离柱轴线约0.5 - 1.5m6、焊条应与钢材的型号匹配，尽量选择强度低的，使节点有好的延性7、为了焊透和满焊，应设置引弧板和垫板，且焊件应加工成坡口8、对于主要承重构件的螺栓连接，应采用高强度螺栓位移小、强度高、延性好9、若节点为栓焊混合连接，应先安装螺栓，再施焊三、高层建筑钢结构节点的类型三、高层建筑钢结构节点的类型梁 柱梁柱节点柱 柱柱柱节点梁 梁梁梁节点柱 基础柱脚节点支撑 梁柱支撑节点钢梁 钢砼剪力墙墙梁节点1 1、梁、梁柱柱节点节点半刚性连接刚性连接铰接梁柱之间的转动刚度A、刚性连接全焊连接全栓连接栓焊连接工厂中采用，现场不宜采用适合现场安装现场采用，材料耗费多梁-柱全焊接刚性节点梁-柱栓焊混合连接刚性节点T型铸钢件角钢T型铸钢件和角钢可以在工厂力先焊在柱上，以减少现场工作量，但运输应注意全栓连接梁-柱T形件连接B、半刚性连接介于刚性和铰接之间，有较大的延性和吸能性能用于低烈度地震区，层数不多的钢框架梁-柱端板连接C、铰接连接梁可绕节点转动，节点不能传递弯矩M连接方法简单，施工方便当不考虑钢框架抵抗水平力时，可以考虑铰接梁-柱的柔性连接2 2、柱柱节点、柱柱节点宽翼缘工字型矩型管截面A A、柱截面柱截面热轧宽翼缘工字型截面焊接的工字型截面四块钢板通过焊接而成B B、柱腹板、翼缘之间的焊接构造柱腹板、翼缘之间的焊接构造 焊接的工字型截面角焊缝，承受腹板、翼缘之间的竖向剪力 焊接的矩形管截面a、当不考虑抗震要求时部分熔透的 “ V ” 型熔透的“ U ” 型转角处焊缝hf 1/3 t; hf 14 mm箱形柱角部组合焊缝箱形柱角部组合焊缝（a）部分熔透焊缝； （b）全熔透焊缝C C、柱、柱接头做法接头做法 不考虑抗震要求a、柱上下两段应设置耳板， 厚度大于10mm宽翼缘工字型矩型管截面设于柱翼缘两相对的翼缘上b、柱接头处采用部分焊透的单边 “ V ” “ J ” 型坡口 c、柱接头位置一般在梁上1.0-1.3m处，以方便施工部分焊透焊缝部分焊透焊缝工形柱工地拼接工形柱工地拼接 考虑抗震要求a、柱上下两段应设置耳板，方法同上b、柱接头位于塑性区范围以外 1/10 L 和 2h (取大值）c、对于工字型截面， 翼缘熔透坡口焊，承受弯矩M 腹板高强度螺栓，承受剪力Q 轴力由两者共同承担d、矩形管截面，采用焊透的坡口焊箱形柱工地焊接箱形柱工地焊接 柱的变截面连接a、 尽量不改变截面高度而改变翼缘厚度b、若改变截面高度，则做法如图c、变截面位置一般位于接头部位柱的变截面连接（1）柱的变截面连接（2）3 3、梁梁节点、梁梁节点A A、主梁的拼接主梁的拼接拼接位置应在框架节点塑性区以外主梁的拼接形式B B、主次梁的相互连接主次梁的相互连接为防止受扭，宜采用铰接方法次梁与主梁的简支连接次梁高度较小时与主梁的连接次梁高度较小时与主梁的连接次梁与主梁的刚性连接次梁与主梁的刚性连接C C、主梁的侧向隅撑主梁的侧向隅撑为防止主梁塑性区侧向失稳，设置隅撑距离柱轴线1/81/10梁跨处设置设置在梁的下翼缘设置方法梁的侧向隅撑梁的侧向隅撑4 4、墙梁节点、墙梁节点A A、钢梁与砼墙的连接钢梁与砼墙的连接采用铰接，承受拉力和剪力钢梁与混凝土墙连接钢梁与混凝土墙连接 钢梁与混凝土墙的简支连接钢梁与混凝土墙的简支连接B B、钢梁与砼梁的连接钢梁与砼梁的连接钢梁与混凝土梁的连接钢梁与混凝土梁的连接1、大跨度钢结构2、组合结构3、钢结构住宅在我国的应用和前景4、我国钢结构建筑的历史和未来现代钢结构进展现代钢结构进展 高层建筑钢结构高层建筑钢结构 楼板设计楼板设计内容楼板设计的基本要求楼板的类型作法 每类楼板相关的内容特点 设计方法构造要求建筑使用受力一、楼板设计的基本要求一、楼板设计的基本要求A、承受和传递荷载(水平和竖向荷载)B、隔音的要求具体满足两个方面的要求刚度强度保证住宅私密性C、防火要求采取防火措施, 保护钢梁和楼板D、防水要求楼面和屋面, 均应进行防水处理E、管线敷设要求管线竖向水平一般敷设在楼板内二、楼板的分类二、楼板的分类做法不同现浇钢砼楼板预制钢砼楼板压型钢板砼楼板四类钢砼叠合楼板1 1、现、现浇钢砼浇钢砼楼板楼板做法由钢筋与砼现场浇注而成，两者共同受力特点B、由支模、拆模、扎筋、浇灌、养护等工序构成， 施工复杂、繁琐，且影响钢构件的吊装A、可以浇住成任意平面形状，整体刚度好应用一般很少用于高层建筑钢结构C、楼板与钢梁表面之间应加抗剪连接件（栓钉）2 2、预制钢、预制钢砼砼楼板楼板做法直接由工厂或现场预制，置于钢梁上，用细实混凝土浇灌槽口和板缝特点B、省去了支模、拆模、扎筋、浇灌、养护等复杂工 序，但需吊装，且影响钢构件的吊装A、楼板整体刚度差，不能与钢梁一起共同工作应用在高层建筑钢结构中应用不多分类预制预应力钢砼楼板预制钢砼楼板3 3、钢、钢砼砼叠合楼板叠合楼板做法把钢砼楼板分两层特点B、省去了支模、拆模、扎筋、浇灌、养护等复杂工 序，但需吊装，且影响钢构件的吊装A、楼板整体刚度好，但不能与钢梁一起共同工作应用在高层建筑钢结构中应用不多上层：在下层预制板上完成现浇作业下层：较薄的预制板，吊装到钢梁上，起模板作用4 4、压型钢板砼板、压型钢板砼板三、压型钢板砼楼板的做法、特点三、压型钢板砼楼板的做法、特点做法把压型钢板首先铺在钢梁上，并与梁翼缘焊接，然后在压型钢板上现浇砼或钢砼。砼与压型钢板之间、压型钢板与钢梁之间均有抗剪构造连接件纵向水平剪切粘结破坏 国产压型钢板板型 国外板型组合板的组合方式压型钢板组合梁(a)肋平行于主钢梁 (b)肋垂直于主钢梁压型钢板砼楼板特点压型钢板砼楼板特点施工设计从设计角度B、极限承载力大，达到30 - 50 kN/m2A、组合后刚度大、延性好、抗震性能好C、楼板的刚度大，能有效地传递水平荷载D、楼板可作为钢梁的一部分，提高了钢 梁的抗弯刚度和承载力（20-30%）， 增加了梁的侧向稳定E、合理利用材料，充分发挥其各自优势钢梁外露的组合梁从施工角度B、压型钢板一旦铺设，可作为工作平台A、压型钢板很轻，安装时方便、速度快C、浇灌砼可单独进行，与其它安装工序不打搅D、压型钢板的沟槽可以用来敷设管线E、不需要支模，大大方便了施工应用在高层建筑钢结构中应用非常普遍瑞金大厦，107m, 地上29层，地下1层，上海，于1986年竣工10层以上采用压型钢板砼板，梁上抗剪栓钉：116230216230瑞金大厦瑞金大厦北京，82.75m, 地上26层，于1986年竣工京城大厦京城大厦北京，地上25层，地下2层, 94m，1987年建成 长富宫中心长富宫中心北京，地上52层，地下3层,196m高，1990年建成京广中心京广中心中国，北京, 153.55m，地下2层, 地上39层中中国国国国际际贸贸易中心易中心深圳, 151m，地上40层，地下1层深深圳圳发发展展中中心大厦心大厦上海，地下1层，地上43层，143.62m上上海海静静安安希希尔顿酒店尔顿酒店上海，129.55m，地下2层, 地上35层上上海海国国际际贸贸易中心易中心四、压型钢板砼楼板的分类四、压型钢板砼楼板的分类做法、受力不同做法、受力不同非组合板组合板组合板组合板B、压型钢板为使用阶段的受力钢板A、压型钢板为施工阶段的模板C、砼中不配钢筋B、组合板（压型钢板+素砼）在使用阶段的计算A、压型钢板在施工阶段的验算做法计算内容计算方法同普通钢砼非组合板非组合板做法A、压型钢板仅为施工阶段的模板B、使用阶段受力的部分为钢砼板B、钢砼板在使用阶段的计算A、压型钢板在施工阶段的验算计算内容应用最为普遍C、砼中配钢筋五、压型钢板计算（施工阶段）五、压型钢板计算（施工阶段）所受荷载施工荷载，包括人、设备和材料，大于1.5kN/m2湿的砼、压型钢板自重正应力剪应力腹板局部承载力折算应力计算内容刚度强度正应力计算正应力计算max f剪应力计算剪应力计算max fv折算应力计算折算应力计算（/）2 + （ /）2 1.0A AB BA AB B腹板腹板局部承载力计算局部承载力计算原因原因压型钢板较薄腹板可能受较大集中力或支座反力 腹板压跛(Web Crippling) 为避免压跛现象出现，根据欧洲所做的大量试验，以及我国现行国家标准冷弯薄壁型钢结构技术规范建议采用如下公式进行验算 式中 支座反力； 一块腹板的局部受压承载力设计值； 钢材抗压强度设计值； 系数，中间支座取0.12，端部支座取0.06； 腹板厚度（mm）； 支座处的支承长度100 mm 200 mm,端部支座可取 100 mm； 腹板倾角（45 90）。 压压型钢板刚度验算型钢板刚度验算 （5）挠度验算 压型钢板在施工阶段应进行挠度计算。当均布荷载作 用时 简支板 双跨连续板 式中 板的挠度； 单位宽度均布短期荷载值，取荷载标准值； 压型钢板弹性模量； 单位宽度均布压型钢板的惯性矩； 板的容许挠度。 根据我国近十年来的工程实验经验，对于应用于楼板中 的压型钢板，其最大挠度 不应超过跨度的1/200和20mm的 较小值。六、组合板计算（使用阶段）六、组合板计算（使用阶段）所受荷载使用荷载砼、压型钢板自重横截面抗弯强度叠合面抗剪强度集中力作用下的抗冲切计算斜截面抗剪强度计算内容复杂，不介绍刚度强度横截面抗弯强度砼只考虑受压,不考虑受拉压型钢板考虑受拉、压拉、压材料同时达到设计值计算原则两种情形组合板正截面抗弯能力计算图情形1：中性轴位于压型钢板以外 (1)当 时 塑性中和轴在压型钢板上翼缘以上混凝土内（如上图），组合板的抗弯刚度 按下式计算 式中 组合板受压区高度，当时 ，取 ； 组合板的有效高度； 压型钢板截面应力合力至混凝土受压区截面应力的合力的距离， 取 ； 压型钢板的波距； 压型钢板波距内的截面面积； 压型钢板的抗拉强度设计值。情形2：中性轴位于压型钢板以内 (2)当时 塑性中和轴在压型钢板内（如上图），组合板的抗弯刚度 按下式计算 式中 塑性中和轴以上的压型钢板面积； 压型钢板受拉区截面拉应力的合力分别至受 压区混凝土板截面和压型钢板截面压应力的 合力的距离。斜面斜面抗剪抗剪强度强度斜截面承载力计算 组合板的斜截面受剪承载力应按下式计算 式中 截面高度系数， ； 当 mm时，取 mm； 当 mm时，取 mm； 组合板斜截面上的最大剪力设计值； 混凝土轴心抗拉强度设计值； 组合板平均肋宽。集中力作用下的抗冲切计算集中力作用下的抗冲切计算 抗冲切强度计算 组合板在集中荷载作用下的抗冲切强度按下式计算 式中 临界周边长度，如下图所示； 混凝土最小浇注厚度； 混凝土轴心抗拉强度设计值。临界周边长度临界周边长度刚度的计算刚度的计算fmax f 两个简化组合板的等效惯性矩为开裂和不开裂的平均值将钢板根据弹模之比简化成砼七、抗剪栓钉的构造要求七、抗剪栓钉的构造要求B、栓钉应设置在压型钢板的凹肋处 穿透钢板，与压型钢板一起焊在 钢梁上A、组合楼板的端部均应设置栓钉C、栓钉直径一般小于19 mm板跨小于 3m d = 13mm or d = 16mm板跨3-6 m d = 16mm or d = 19mm板跨大于6 m d = 19mmD、栓钉间距 应在每个凹肋处设置一个，栓 钉间距 S 梁轴线方向： S 5 d 垂直于梁轴线方向： S 4 d 距离钢梁翼缘边： S 35mmE、栓钉顶面的砼保护层 15mm 栓钉总高度大于压型钢板 30mm