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

截面形式的优缺点 :

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 1.2 N 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

框架柱的设计

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 )

f 1/ 2y≤ 120 235/（ ） 1/ 2100 235 / yf （ ）

f 1/ 2y≤ 120 235/（ ） f 1/ 2

y≤ 80 235/（ ） f 1/ 2y≤ 60 235/（ ）

设计要求 --强柱弱梁 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：

pc yc c pb yb( /W f N A W f )≥

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 1.0 8 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 GB 50017 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 ）

计算长度的确定

K K K K

K K K K

1 2 1 2

1 2 1 2

1. 6+4( )

+7. 5 ＝

+有

7. 5:侧移时

3 2(

K K K K

K K K K

1 2 1 2

1 2 1 2

3+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

近似公式

4.3.2 梁与柱的连接

刚性连接

柔性连接

半刚性连接

梁与柱的连接形式

梁与柱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

连接角钢、端板、支托连接角钢、端板、支托

完全焊接、完全栓接、栓焊混合完全焊接、完全栓接、栓焊混合

完全焊接

全熔透坡口焊缝

设置衬板

且 加 劲 肋 厚 度

不 应 小 于 梁 翼 缘 厚 度

柱在梁翼缘对应位

置设置横向加劲肋

为便于施焊，梁腹板要切去

两角

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

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

wt

f f f( )

Mf

b t h t

≤＝ w

fw e2

Vf

l h ≤＝

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

wt

f f f( )

Mf

b t h t

≤＝

VN Nn

b bv v= ≤ 0. 9

考虑焊接热影响对高强度螺栓预拉力损失

完全栓接

设计注意事项：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

螺栓都采用高强摩擦型螺栓

混合连接

注 :连接钢板足够厚，作为刚接

支托传递剪力

半刚接混合连接

产生裂缝的原因缺陷：

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 Moment Connection)

塑性铰所在截面

Dogbone梁翼缘局部削弱，形成骨形连接；

削弱使塑性铰自梁端外移

改进的节点构造 -2( 梁端部加腋 )

塑性铰所在截面

加强迫使塑性铰自梁端外移

（ a） （ c）（ b）

连接角钢或端板偏上放置：

上翼缘处变形小。

柔性连接

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。

焊接

承托 牛腿

柔性连接

半刚性连接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 , 介于刚性连接与柔性连接之间。

R

M

传递弯矩

传递弯矩

传递剪力

端板 - 高强螺栓连接

RM

RM

上边伸出下边不伸出上边伸出

下边不伸出可设柱加劲肋

剪力

拉力 受拉翼缘的四个螺栓对称布置

压力区螺栓和拉力区的螺栓

压力 端板或柱翼缘

传递

承压传递

传递

4.3.3 水平支撑布置

横向水平支撑

纵向水平支撑

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

水平支撑

水平支撑布置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

一、中心支撑

所有型式的支撑体系都可以跨层跨柱设置。

(b) 单斜杆

(a) 十字交叉斜杆

(c) 人字形斜杆

(d) K形斜杆

(e) 跨层跨柱设置

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

二、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，长细比限值规定如下：

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 150 120 120

按拉杆 200 150 150

高层（ > 12 层） 120 90 60

① 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。

② 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；

③ 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；

④ 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；

三、中心支撑的设计要点

⑤ 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；

⑥ 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；

⑦ 高层钢结构在水平荷载作用下变形较大，须考虑 P-△效应；

⑧ 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；

⑨ 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。

四、中心支撑节点的构造形式

②重型支撑①轻型支撑双节点板

中心支撑节点的构造形式（续）

③ 地震区的工字形截面中心支撑宜采用轧制宽翼缘 H 型钢

④ 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

⑤ 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

设计目的：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。

4.3.4.2 偏心支撑

(a) 门架式 (b) 单斜杆式 (d) V形(c) 人字形

构造措施 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，保证得到良好的滞回性能。

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。

耗能梁段与柱的连接要求a) 耗能梁段与柱连接时，其长度不得大于 1.6Mlp／ Vl ；

b) 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；

c) 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；

d) 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。