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1、多、高层建筑钢结构 节点设计,(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,1、不考虑抗震要求时,结构的主要荷载,包括两种情况,抗震,非抗震,结构一般处于弹性状态,2、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,满足构件内力要求,特殊设计要求,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 Mp,Vu 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,Ru 1.2 An fy,Ru 支撑
2、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,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,L0 两相邻支撑点之间的间距,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）,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,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）
3、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,二层或三层楼高一根（一、四层也可）,每跨梁一根,密柱深梁的框筒,三根柱+三根梁,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,
4、以便于安装,5、梁若需要现场接头，其位置应根据内力、运输、支撑综合确定,一般距离柱轴线约0.5-1.5m,6、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,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,梁 柱,柱 柱,梁 梁,柱 基础,支撑 梁柱,钢梁 钢砼剪力墙,1、梁柱节点,半刚性连接,刚性连接,铰接,A、刚性连接,全焊连接,全栓连接,栓焊连接,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
5、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、柱柱节点,宽翼缘工字型,矩型管截面,A、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、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
6、角处焊缝,hf 1/3 t;hf 14 mm,箱形柱角部组合焊缝,（a）部分熔透焊缝；（b）全熔透焊缝,C、柱接头做法,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,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处，以方便施工,部分焊透焊缝,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,柱的变截面连接
7、,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、梁梁节点,A、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、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,次梁与主梁的刚性连接,C、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,4、墙梁节点,A、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 钢梁与混凝土墙的简支连接,B、钢梁与
8、砼梁的连接,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,高层建筑钢结构 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,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,做法不同,现浇钢砼楼板,预制钢
9、砼楼板,压型钢板砼楼板,四类,钢砼叠合楼板,1、现浇钢砼楼板,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、预制钢砼楼板,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
10、楼板,3、钢砼叠合楼板,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、压型钢板砼板,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
11、钢梁,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/m2,A、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
12、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,北京，82.75m,地上26层，于1986年竣工,京城大厦,北京，地上25层，地下2层,94m，1987年建成,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,中国，北京,153.55m，地下2层,地上39层,中国国际贸易中心,深圳,151m，地上40层，地下1层,深圳发展中心大厦,上海，地下1层，地上43层，143.62m,上海静安希尔顿酒店,上海，129.55m，地下2层,地上35层,上海国际贸易中心,四、压型钢板砼楼板的分类,做法、受力不同,非组合板,
13、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,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）,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,max f,剪应力计算
14、,max fv,折算应力计算,腹板局部承载力计算,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
15、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）,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
16、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。,斜面抗剪强度,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
17、；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,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,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,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=19mm,D、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,
