钢结构设计-8讲-4章-4.4-结构分析-节点抗震设计(2017)
钢结构抗震分析及设计
—钢结构抗震分析及设计北京市海淀区中关村南大街乙56号方圆大厦1402室Phone : 010-8802-6170 Fax : 010-8802-6171 E-mail : Beijing@M odeling, I ntegrated D esign & A nalysis S oftware目录简要 (2)设定操作环境及定义材料和截面 (3)建立轴网 (4)建立框架柱及钢支撑 (8)楼层复制及生成层数据文件 (10)定义边界条件 (11)输入楼面及梁单元荷载 (11)输入风荷载 (15)输入反映谱分析数据 (15)定义结构类型 (17)定义质量 (17)运行分析 (18)荷载组合 (18)查看反力及内力 (18)梁单元细部分析 (19)振型形状及各振型所对应的周期 (20)稳定验算 (20)周期 (21)层位移 (22)层剪重比 (22)层刚度比 (23)一般设计参数 (23)钢构件设计参数 (26)钢构件截面验算 (27)钢结构优化设计 (29)静力弹塑性（PUSHOVER）分析 (32)简要本例题介绍使用Midas/Gen 的反映谱分析功能来进行抗震设计的方法。
例题模型为六层钢框架结构。
基本数据如下：轴网尺寸：见平面图柱: HW400x400x13/21主梁： HN400x150x8/13次梁： HN300x150x6.5/9支撑： TN175x175x7/11钢材： Grdae3层高：一层：4.5m 二~六层：3.0m设防烈度：7º（0.10g）场地：Ⅱ类设定操作环境及定义材料和截面1：主菜单选择文件>新项目文件>保存:输入文件名并保存2：主菜单选择工具>单位体系: 长度 m, 力 kN定义单位体系3 : 主菜单选择模型>材料和截面特性>材料：添加材料号：1 名称：Grade3 规范：GB(S)数据库：Grade3 材料类型：各向同性定义材料4 : 主菜单选择模型>材料和截面特性>截面：添加：定义梁、柱、支撑截面尺寸定义梁、柱截面建立轴网1 : 主菜单选择模型>栅格>定义轴线：添加：定义X、Y轴网间距定义轴网12 : 主菜单选择模型>单元>建立: 建立梁单元，同时关闭栅格、轴网轴网13 : 主菜单选择模型>用户坐标系>X-Y平面: 激活UCS平面保存当前UCS，定义当前用户坐标系名称为“1”定义用户坐标系14 : 主菜单选择模型>用户坐标系>X-Y平面: 定义插入点(即原点)旋转角度30º，准备插入另一个轴网。
钢结构节点设计
钢结构节点设计钢结构作为一种广泛应用于建筑和工程领域的结构形式，其节点设计至关重要。
节点是钢结构中连接各个构件的关键部位，它们的性能直接影响着整个结构的稳定性、安全性和可靠性。
钢结构节点的类型多种多样，常见的有梁柱节点、梁梁节点、柱柱节点等。
每种节点都有其特定的受力特点和设计要求。
在梁柱节点设计中，要考虑梁和柱之间的弯矩、剪力和轴力的传递。
通常采用的连接方式有焊接、高强螺栓连接和栓焊混合连接。
焊接连接具有良好的整体性和刚度，但施工难度较大，对焊接质量要求高。
高强螺栓连接施工方便，可拆卸，但节点刚度相对较弱。
栓焊混合连接则结合了两者的优点，在实际工程中应用较为广泛。
梁梁节点的设计重点在于保证梁之间的荷载传递顺畅。
例如，在简支梁的连接中，要确保节点能够承受剪力和局部压力；而在连续梁的节点处，除了剪力和压力外，还需要考虑弯矩的传递。
柱柱节点的设计需要考虑柱子的受压和受弯性能。
对于多层框架结构，柱柱节点的连接形式会影响结构的整体稳定性和抗震性能。
在进行钢结构节点设计时，需要遵循一系列的原则和规范。
首先，节点的承载力应不低于所连接构件的承载力，以保证结构的安全性。
节点的变形能力也要与构件相适应，避免在正常使用条件下出现过大的变形。
其次，节点的构造应尽量简单，便于施工和质量控制。
复杂的节点构造不仅增加施工难度，还容易出现质量问题。
此外，节点还应具有良好的抗震性能，能够在地震作用下保持结构的整体性和稳定性。
为了实现上述设计要求，设计师需要对节点的受力情况进行详细的分析。
这通常包括使用力学模型和有限元分析软件来模拟节点在各种荷载作用下的应力分布和变形情况。
通过分析结果，可以优化节点的几何形状、连接方式和构件尺寸，以提高节点的性能。
在材料选择方面，节点所使用的钢材应与构件的钢材具有相同或相近的强度和性能。
同时，高强螺栓、焊缝等连接材料也应符合相关标准和规范的要求。
施工过程中的质量控制对于节点的性能也有着重要影响。
钢结构课程设计(2017)
钢结构课程设计
普通钢架设计
土木与交通工程学院
School of Civil and Transportation Engineering
普通钢屋架设计 Design of Normal Steel Roof
目标
通过课程设计，使学生进一步了解 钢结构的结构型式、结构布置和受 力特点，掌握钢结构的计算简图、 荷载组合和内力分析，掌握钢结构 的构造要求。在参考课本及有关资 料后，能综合应用钢结构的材料、 连接和基本构件的基本理论、基本 知识，进行整体钢结构设计计算， 并绘制钢结构施工图。
土木与交通工程学院
School of Civil and Transportation Engineering
普通钢屋架设计 Design of Normal Steel Roof
设计指导
02 第二部分 屋架设计
1:1画轴线
施工图绘制要点
设置轴线（点划线） 的线性比例为图纸比 例*0.5左右
土木与交通工程学院
School of Civil and Transportation Engineering
设计指导
02 第二部分 屋架设计
施工图绘制要点
尺寸标注：尺寸界线应用细实线绘制，一般应与被注长度垂 直，其一端应离开图样轮廓线不应小于2mm，另一端宜超出尺 寸线2mm～3mm。平行排列的尺寸线的间距，宜为7mm～10mm， 并应保持一致。 尺寸起止符号一般用中粗斜短线 绘制，其倾斜方向应与尺寸界线 成顺时针45°角，长度宜为2mm ～3mm。
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目录 正文 参考文献 致谢 按规定要求折叠的工程图纸
钢结构设计全套教学课件
附图1：拉伸试件
20
2
附 图 ： 冲 击 韧 性 试 验
21
3
附 图 ： 冷 弯 试 验
22
第二章 钢结构的材料
2.4 各种因素对钢材主要性能的影响
影响钢材性能的两大方面：生产过程
使用过程
一、生产过程
1：化学成分 普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1% 普通低合金钢中有＜5%的合金元素
2.按炉种分
平炉
成本高，质量好（6小时100t左右）
氧气顶吹转炉 成本低，质量也可（15分钟150t）
3. 按脱氧程度分
沸腾钢（F） 脱氧较差 镇静钢（Z） 脱氧充分 半镇静钢（b） 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 特殊镇静钢（TZ）
32 2.5 钢的种类和钢材规格
第二章 钢结构的材料
4. 按质量等级分 A级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量 B、C、D级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击
梅氏U型缺口试件: k J / cm2
冲击试验的标准试件型式：
夏比V型缺口试件: CV J
我国采用夏比V型缺口试件
➢ 冲击韧性受温度的影响
17 2.3 钢材的主要性能
第二章 钢结构的材料
四、冷弯性能 ➢ 冷弯性能是检验钢材适应冷加工（常温下加工）
的能力和显示钢材内部缺陷状况的一项指标 ➢ 冷弯性能是考察钢材在复杂应力状态下发展塑性
变形能力的指标 ➢ 冷弯性能由冷弯试验确定
18 2.3 钢材的主要性能
第二章 钢结构的材料
➢ 钢材物理性能指标
弹性模量 E 206 103 N mm 2
泊松比 0.3
剪变模量
G
E
21
79
钢结构节点的抗震性能研究与分析
钢结构节点的抗震性能研究与分析摘要：钢结构是一种具有较高抗震性能的建筑结构体系，然而，在地震灾害发生时，结构节点往往成为整个结构的薄弱环节。
为了确保钢结构的安全性，在设计和施工过程中需要重点研究和分析钢结构节点的抗震性能。
本文通过综述相关研究成果，探讨了钢结构节点在抗震性能方面的关键问题，并提出了一些改进和优化措施，以提高钢结构节点的抗震性能。
1. 引言随着城市化进程的加快，建筑安全问题日益受到重视。
地震是造成建筑倒塌和人员伤亡的主要原因之一，因此，提高建筑结构的抗震性能成为一项重要的任务。
钢结构作为一种重要的建筑结构体系，具有较高的强度和刚度，因而被广泛应用于地震活跃地区。
然而，受制于结构节点的设计和施工等因素，钢结构节点往往成为整个结构的薄弱环节，容易造成节点的破坏，导致整个结构的倒塌。
因此，钢结构节点的抗震性能研究和分析对于确保钢结构的安全非常重要。
2. 钢结构节点的抗震性能关键问题钢结构节点在地震作用下承受巨大的力学反应，其抗震性能不仅与材料的性能有关，还与节点的连接方式、构造形式、接触面压力、几何参数等因素密切相关。
钢结构节点的抗震性能关键问题包括以下几个方面：2.1. 节点连接方式节点的连接方式是影响结构整体性能的重要因素之一。
常见的节点连接方式包括焊接、螺栓连接等。
焊接连接具有强度高、刚度大、承载力大等优点，但焊接过程中易产生应力集中、热裂纹等问题；螺栓连接具有构造换位、拆装方便等优点，但在地震作用下容易产生松动和失效。
因此，在设计和施工过程中需要合理选择节点的连接方式，并采取相应的措施以提高其抗震性能。
2.2. 节点构造形式节点的构造形式直接影响其受力性能和整体刚度。
常见的节点构造形式包括刚性节点、半刚性节点和滞回节点。
刚性节点具有承受地震作用下的弹性反应能力，但刚性过大容易导致节点的破坏；半刚性节点具有一定的可变形能力，在地震作用下能吸收一部分能量，但变形后容易产生超限位变形；滞回节点具有较大的可变形能力，并能有效消耗地震能量，但需要特殊的设计和施工技术。
钢结构节点抗震设计问题
浅析钢结构节点抗震设计的问题【摘要】本文针对高层及多层钢结构节点设计中容易忽略的一些问题进行分析。
【关键词】钢结构；节点设计；抗震1.节点抗震设计的原则在钢结构设计工作中,连接节点的设计是一个重要环节。
为使连接节点具有足够的强度和刚度,设计时应合理地确定连接节点的形式和方法。
目前,节点有非抗震和抗震设计之分,非抗震设计可以按照组合内力来设计节点,抗震设计则不宜这么做,抗震规范上对节点抗震设计有一系列的要求,显然按照组合内力来设计节点是不能满足这些要求的。
以刚性连接的梁拼接节点为例,如将梁翼缘的连接按实际内力进行设计,则有损于梁的连续性,可能使建筑物的实际情况与内力分析模型不相协调,并降低结构延性。
因此,对于要求有抗震设计的结构,其连接节点应按构件截面面积的等强度条件进行设计。
进行设计时,首先应判定所设计的节点有无抗震要求。
对于抗震结构,为了保证其安全,节点的承载力应大于构件的承载力(《钢结构连接节点设计手册》1-3)，“强节点、弱构件”的设计理念应是工程师遵循的基本原则。
《建筑抗震设计规范》表5.4.2中规定结构构件的截面抗震验算应满足下式:s≤r/yre。
其中,s为结构构件内力组合的设计值；r为构件承载力设计值；yre为承载力抗震调整系数。
强节点、强连接的重要性由此可见。
钢框架体系梁柱连接节点的基本设计原则是:节点必须能够完全传递被连接板件的内力,在强震作用下节点能够发挥材料的塑性,保证结构在梁内而不是在柱内产生塑性铰,以消耗地震输入的能量。
基于制作简便及经济性等因素,国内钢框架体系的梁柱节点主要采用全焊式或栓焊式连接,其最大承载力应符合下列要求:mu≥1.2mp(《建筑抗震设计规范》8.2.8-1),vu≥1.3(2mp/l)且vu≥0.58hwtwfay(《建筑抗震设计规范》8.2.8-2)。
公式中mu，mp，vu的计算见图1。
mp=[bftf(h-tf)+twh2/4]fy,mu=bftf(h-tf)fu。
浅析钢结构抗震设计
浅析钢结构抗震设计一、介绍钢结构作为一种常用的建筑结构形式，在抗震设计中起着重要的作用。
本文将从钢结构抗震设计的概念、意义和主要内容等方面进行分析和阐述。
二、概念说明钢结构抗震设计是指在设计钢结构建筑时，考虑地震作用对建筑结构的影响，采取相应的措施，使建筑结构在地震发生时具有一定的抗震性能，避免或减轻地震灾害对建筑结构的破坏。
三、意义1.保障人员生命安全：抗震设计能够有效减少地震对建筑结构的影响，提高建筑的整体稳定性，从而保障人员的生命安全。
2.保护财产安全：抗震设计可以减少地震对建筑结构和内部设施的破坏，减少财产损失。
3.提高建筑品质：合理的抗震设计可以提高建筑结构的耐久性和使用寿命，提高建筑的品质和保值性。
四、主要内容1. 设计准则•根据地震烈度、场地类别等因素确定设计地震作用的参数。
•根据设计地震作用的参数计算建筑结构的抗震需求。
2. 结构形式选择•根据建筑功能、使用要求等因素选择合适的结构形式，如框架结构、桁架结构等。
•结构形式应具有较好的变形能力和耗能能力，以提高抗震性能。
3. 抗震设计措施•采用合理的抗震连接件，如剪力墙、撑件等。
•合理设置剪力墙、加筋柱等构件，以提高结构的刚度和抗震性能。
4. 抗震性能评定•通过抗震性能评定，对设计的结构进行抗震性能等级评定，确保结构具有较好的抗震性能。
五、结论钢结构抗震设计是一项重要的工作，对于提高建筑结构的抗震性能具有重要意义。
设计人员在设计钢结构建筑时，应该充分考虑地震作用的影响，采取合适的抗震设计措施，确保建筑结构在地震发生时具有良好的抗震性能，从而保障人员的生命安全和财产安全。
钢结构的抗震设计
钢结构的抗震设计§1.1 问题的引出在大震作用下如果结构要保持弹性工作状态则地震设计荷载太大，经济上无法承受。
因此目前国内外的结构抗震设计中都允许结构出现塑性变形，相应的结构抗震设计规范则采用对结构的弹性反应谱进行折减的方法来确定结构的底部剪力，但折减的思路却很不同。
例如欧洲规范（Eurocode 8）允许结构在地震作用下进入非线性状态[1]，即设计地震作用力通常小于相应的弹性反应值。
为了避免在设计过程中进行复杂的非线性分析，欧洲规范采用在弹性反应谱的基础上除以反映不同延性等级的性能系数q 得到弹塑性反应谱。
性能系数q 其值与结构的体系能量耗散能力有关。
其中q 为：0/1.5D R W q q k k k = (1.1)式中：0q 为性能系数基本值，对于钢筋混凝土框架结构体系及连肢剪力墙结构体系，0 5.0q =，对于非连肢剪力墙结构体系，0 4.0q =；D k 为反映结构延性等级的系数，对高、中、低三种延性等级，D k 分别取1.0、0.75、0.5。
R k 为反映结构规则性的系数，对于规则结构和不规则结构，R k 分别为1.0和0.8；W k 为含墙结构体系的主导破坏模式系数，对于框架和等效框架双重体系，取1.0。
可见在欧洲规范中，延性差的结构其基底剪力比延性好的结构的基底剪力大2倍。
日本建筑标准法规（BSL ）明确规定了两个水准的设计地震[1,2]，第一水准为中等强度地震（EQ1）和第二水准的强烈地震（EQ2）。
在中等强度地震作用下，要求结构几乎没有损坏；在第二水准地震作用下，结构的极限抗剪能力必须大于极限地震剪力：un s es i i V D F C W = （1.2）式中：i C 为楼层剪力系数；i W 为结构的总重量；s D 为结构影响系数（考虑结构延性对地震弹性反应谱进行折减的作用），对于延性良好的结构，0.30.4s D ≤≤；对于延性较差的结构，s D 取较大值，但最大值不超过0.55；es F 为结构布置系数以考虑结构刚度在平面和竖向分布的不规则影响。
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2910 103 6 一层柱： W pc ( f yc N / Ac ) 2356000 (345 ) 10 22400 (325) 507 kN m (460)
Wpb f yb 1588820 235 373kN m
2742 103 二层柱： W pc ( f yc N / Ac ) 2356000 (345 ) 10 6 22400 (325) 524kN m (477)
tw (hb hc ) / 90
稳定 强度
( M b1 M b 2 ) / Vp (4 / 3) f v / RE
式中： hb1、hc1 分别为梁翼缘厚度中点间的距离和柱翼缘
(或钢管直径线上管壁)厚度中点间的距离； tw 柱在节点域的腹板厚度， 当为箱型截面时为单块腹板厚度；
21
( M b1 M b 2 ) Vp
6 307.27 2 10
4 fv 126.19MPa 4869720 3 RE
4 (180 ) 320 MPa 0.75 3
（满足）
方案2：节点处梁截面H350x250x10x16，柱截面由□300x20
M pb1 WP f y 1588820 235 106 373.37 KN m
Vp --节点域的体积；
箱形截面柱: 圆管截面柱:
Vp 1.8hb1hc1t w Vp ( / 2)hb1hc1t w
折减系数；三、四级取0.6，一、二级取0.7；
f yv -- 钢材的屈服抗剪强度，取钢材屈服强度的0.58倍；
9
8.2.5 钢框架节点处的抗震承载力验算，应符合下列规定： 3 工字形截面柱和箱形截面柱节点域应按下列公式验算：
tw 30mm 7.2mm
M b1 Wx f 1429142 215 106 307.27 KN m
M b 2 Wx f 1429142 215 106 307.27 KN m VP 1.8 (350 16) (300 30) 30 4869720mm3
M pb 2 WP f y 1588820 235 106 373.37 KN m
VP 1.8 (350 16) (300 20) 20 3366720mm3
f yv 0.58 f y 0.58 345 200MPa
( M pb1 M pb 2 )
90
90
tw 20mm 7.2mm
M b1 Wx f 1429142 215 106 307.27 KN m M b 2 Wx f 1429142 215 106 307.27 KN m
( M b1 M b 2 ) Vp
6 307.27 2 10
4869720
107.34MPa 4 f yv 4 200.1 266.8MPa 3 3
（满足）
方案1：节点处梁截面H350x250x10x16，柱截面由□300x30
稳定
tw (hb hc ) / 90
(hb hc ) 90 (300 350) 90 7.2mm
1）“强柱弱梁”验算：
等截面梁： W pc ( f yc N Ac ) W pb f yc 端部翼缘变截面梁：
(8.2.5 1)
W
式中：
pc
( f yc N Ac ) (W pb1 f yb V pb S )
(8.2.5 2)
W pc ,W pb
---计算平面内汇交于节点的柱、梁的塑性截面模量
W pb1 ---梁塑性铰所在截面的梁塑性截面模量 N ---按多遇地震组合作用计算出的柱轴向压力设计值 ---强柱系数（一级1.15，二级1.10，三级1.05） V pb ---梁塑性铰剪力 S ---塑性铰至柱面距离，塑性铰可取梁端部变截面翼缘最小处
算例：强柱弱梁验算
W
pc
( f yc N / Ac ) W pb f yb
步骤8：节点设计和抗震验算（4.3.2 梁-柱连接节点）
(1)抗震框架节点承载力验算 “强柱弱梁” “节点更强” (2)连接焊缝和螺栓的承载力验算
(3)梁-柱节点域承载力验算
(1)抗震框架节点承载力验算
1）“强柱弱梁”验算： 当符合以下条件之一，可不进行“强柱弱梁”验算： a) 柱所在层的受剪承载力比相邻上一层的受剪承载力高出 25%； b) 柱轴压比不超过0.4或2倍地震力作用下的稳定性仍能得到 保证； c) 与支撑斜杆相连的节点 。
梁（Q235）： H 350 250 10 16 柱（Q345）：□300x20 最大组合柱轴向压力：
N 2742kN （二层）
抗震等级：二级
N 2910kN （一层）
W pb 1588820mm3 Wpc 2356000mm3
Ac 22400mm2
N 2910 103 0.44 0.4 轴压比： Ac f 22400 295
pb
调整后，虽然不满足上式要求，但是轴压比小于0.4，可以 不必满足上式要求，即可满足强柱弱梁要求
7
（3）梁-柱节点域承载力验算
为保证大震作用下，使梁柱 连接的节点域不致失稳，以 利于耗能，应在柱与梁连接 处的柱中设置与梁上下翼位 置对应的加劲肋。 由上下加劲肋和柱翼缘所包 围的柱腹板称为节点域。
Wpb f yb 1185960 235 288kN m
1185 103 二层柱：W pc ( f yc N / Ac ) 1262000 (345 ) 10 6 11600 306kN m
W ( f W
pc
yc
N / Ac ) 290 306 596kN m f yb 1.1 288 2 613kN m
4 fv 182.53MPa 3366720 3 RE
4 (180 ) 320 MPa 0.75 3
（满足）
15
16
17
18
19
20
作业： 1、验算强柱弱梁、节点域抗剪强度。
某钢框架梁柱节点， 梁截面为HN500x200x10x16， 柱 截 面 HW350x350x20x30 ， 梁Q235B钢，柱Q345B钢， 框架抗震等级为三级。 柱子按多遇地震作用组合得 出最大轴向压力： 下柱 5000kN ，上柱 4500kN 。
W pb 1185960mm3
W pc 1262000mm3
Ac 11600mm2
最大组合柱轴向压力：
N 1185kN （二层）
N 1333kN （一层）
3 N 1333 10 轴压比： 0.371 0.4 Ac f 11600 310
6
一层柱：
1333 103 6 W pc ( f yc N / Ac ) 1262000 (345 ) 10 11600 290kN m
节点域的屈服承载力应符合下列要求： (建筑抗震设计规范GB50011-2010条文）
（8.2.5）
( M pb1 M pb 2 ) / Vp (4 / 3) f yv
强度Leabharlann M pb1、M pb 2 --分别为节点域两侧梁的全塑性受弯承载力；
工字形截面柱: Vp hb1hc1t w
M b1、M b2 分别为节点域两侧梁的弯矩设计值；
RE 节点域承载力抗震调整系数，取0.75。
算例：节点域验算
( M pb1 M pb 2 ) / Vp (4 / 3) f yv
方案1：节点处梁截面H350x250x10x16，柱截面由□300x30，二级 强度
M pb1 WP f y 1588820 235 106 373.37 KN m M pb 2 WP f y 1588820 235 106 373.37 KN m
箱形截面柱: Vp 1.8hb1hc1t w
VP 1.8 (350 16) (300 30) 30 4869720mm3
f yv 0.58 f y 0.58 345 200MPa
( M pb1 M pb 2 )
Vp
6 0.7 (373.37 373.37) 10
Vp
6 0.7 (373.37 373.37) 10
3366720
155.26MPa 4 f yv 4 200.1 266.8MPa 3 3
（满足）
方案2：节点处梁截面H350x250x10x16，柱截面由□300x20
(hb hc ) (300 350) 7.2mm
W ( f W
pc
yc
N / Ac ) 507 524 1031kN m (937) f yb 1.1 373 2 820.6kN m
增大柱截面
5
pb
（满足）
若不满足？
梁截面由H350x250x10x16调整为H300x250x10x14 柱截面由□300x20调整为□300x10