高层建筑钢结构-第五章构件的设计
钢结构设计规范
钢结构设计规范第一章总结第二章材料第三章基本设计规定第四章受弯构件的计算第五章轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算第六章疲劳计算第七章连接计算第八章构造要求第九章塑性设计第十章钢管结构章第十一章圆钢、小角钢的轻型钢结构第十二章钢与混凝土组合梁附录一梁的整体稳定系数附录二梁腹板局部稳定的计算附录三轴心受压构件的稳定系数附录四柱的计算长度系数附录五疲劳计算的构件和连接分类附录六螺栓的有效面积附录七非法定计量单位与法定计量单位的换算关系第一章总则第1.0.1条为在钢结构设计中贯彻执行国家的技术经济政策，做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，特制定本规范。
第1.0.2条本规范适用于工业与民用房屋和一般构筑物的钢结构设计。
第1.0.3条本规范的设计原则是根据《建筑结构设计统一标准》(CBJ68-84)）制订的。
第1.0.4条设计钢结构时，应从工程实际情况出发，合理选用材料、结构方案和构造措施，满足结构在运输、安装和使用过程中的强度、稳定性和刚度要求，宜优先采用定型的和标准化的结构和构件，减少制作、安装工作量，符合防火要求，注意结构的抗腐蚀性能。
第1.0.5条在钢结构设计图纸和钢材订货文件中，应注明所采用的钢号（对普通碳素钢尚应包括钢类、炉种、脱氧程度等）、连接材料的型号（或钢号）和对钢材所要求的机械性能和化学成分的附加保证项目。
此外，在钢结构设计图纸中还应注明所要求的焊缝质量级别（焊缝质量级别的检验标准应符合国家现行《钢结构工程施工及验收规范》）。
第1.0.6条对有特殊设计要求和在特殊情况下的钢结构设计，尚应符合国家现行有关规范的要求。
第二章材料第2.0.1条承重结构的钢材，应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作温度等不同情况选择其钢号和材质。
承重结构的钢材宜采用平炉或氧气转炉3号钢（沸腾钢或镇静钢）、16Mn 钢、16Mnq钢、15MnV钢或15MnVq钢，其质量应分别符合现行标准《普通碳素结构钢技术条件》、《低合金结构钢技术条件》和《桥梁用碳素钢及普通低合金钢钢板技术条件》的规定。
钢多高层结构设计手册
钢多高层结构设计手册钢结构是目前建筑行业中常用的一种结构形式，它具有抗震、抗风、耐久等优点，在高层建筑中得到广泛应用。
本手册将围绕钢多层结构的设计原则、结构构件、施工工艺和安全管理等方面展开说明，以期为相关从业者提供指导和参考。
一、设计原则1.1 结构设计的主要任务在设计钢多层结构时，首先要明确其承载力、变形、稳定性和振动等方面的设计要求，确保结构的安全、经济和合理。
1.2 结构设计的基本原则（1）遵循国家相关规范标准，确保结构的安全性和合法性；（2）根据建筑功能需求和使用性能要求，合理设计结构形式和布局；（3）满足建筑设计的外观和空间布局要求；（4）考虑施工和装饰方便性，减少施工难度。
1.3 结构设计的安全原则设计师应充分考虑建筑的使用环境、自然条件、工作强度等因素，确保结构稳定、安全。
二、结构构件2.1 主要构件（1）柱：作为承受垂直荷载的主要构件，要具备足够的承载力和稳定性。
（2）梁：承受楼板和荷载的主要构件，要求刚度大、变形小。
（3）框架：形成整体的框架结构，承受建筑整体受力，并保证整体稳定性。
2.2 钢结构材料选择在设计中应选择合适的钢材，常用的有碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢等。
选择时要考虑其机械性能、耐腐蚀性、可焊性等因素。
2.3 连接方式钢结构的连接方式主要有焊接、螺栓连接和铆接等，设计时应根据实际情况选择合适的连接方式，确保连接的牢固可靠。
三、施工工艺3.1 工艺准备施工前应做好工艺准备工作，包括加工和制作构件、预制各类节点连接件等，确保施工的顺利进行。
3.2 焊接工艺焊接是钢结构施工中最常用的连接方式，施工中应严格按照规范进行焊接作业，采取必要的防护措施，确保焊接质量。
3.3 混凝土浇筑在多层钢结构中，混凝土浇筑工艺是不可或缺的一环，在施工中应注意浇筑质量和混凝土与钢结构的连接工艺。
四、安全管理4.1 安全意识在施工过程中，施工人员应始终保持严谨的安全意识，严格遵守相关安全规定，确保施工现场的安全。
钢结构设计原理第五章.ppt
抗弯强度的计算
抗弯强度的计算
根据局部稳定要求，当梁受压翼缘的自由外伸宽度与
其厚度之比大于
但不超过
时，塑性
发展对翼缘局部稳定会有不利影响，应取 x ＝1.0。
对于需要计算疲劳的梁，因为有塑性区深入的截面，
塑性区钢材易发生硬化，促使疲劳断裂提前发生，宜取 x= y =1.0。
控制梁的刚度通过对标准荷载下的最大挠度加以限制实现。根据公
式：
w≤[w]
（5-13）
w——标准荷载下梁的最大挠度；
[w]——受弯构件的挠度限值，按表5-3规定采用。
梁的最大挠度可用材料力学、结构力学方法计算。
均布荷载下等 截面简支梁 集中荷载下等 截面简支梁
w 5qL4 5 MxL2 38E4xI 48ExI
w PL3 MxL2 4梁8整E体Ix稳定的1概2E念 Ix
式中， IMx—x———跨跨中中毛截截面面弯惯矩性矩
梁整体稳定的概念
梁整体稳定的概念
梁整体稳定的概念
梁可以看做是受拉构件和受压构件的组合体。 1 Y 1
受压翼缘其弱轴为1 -1轴，但由于有腹板作连 X X
续支承，（下翼缘和腹板下部均受拉，可以提
变形等）； 按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。
受弯构件设计内容
受弯构件设计内容
强度
整体稳定 受
（承载能力极限状态）
弯
局部稳定
构
件
刚度 （正常使用极限状态）
应用
应用
梁在钢结构中是应用较广泛的一种基本构件。例如房屋建 筑中的楼盖梁、墙梁、檩条、吊车梁和工作平台梁，水工 钢闸门中的梁和采油平台梁等。
钢结构在高层建筑中的应用
钢结构在高层建筑中的应用钢结构是一种包括钢材制作而成的结构系统，它广泛应用于高层建筑中。
在过去的几十年里，钢结构已经成为现代建筑领域的一个重要组成部分。
本文将探讨钢结构在高层建筑中的应用，从材料特性、结构设计到优势与挑战等方面进行分析。
一、钢材特性与选择钢材具有许多优异的特性，使其成为高层建筑中的首选材料。
首先，钢材具有高强度和刚性，可以承受大的荷载，在高层建筑的设计中具备了足够的强度保障。
其次，钢材具有良好的可塑性和可焊性，便于加工和施工。
此外，钢材还具有耐腐蚀、防火、抗震等特性，能够提供高层建筑所需的安全性和可靠性。
在选择钢材时，需根据高层建筑的具体需求和设计要求来确定合适的材料。
根据荷载大小和应力分布等因素，可以选择相应的钢材等级和截面形状。
此外，还需要注意考虑钢材的防火涂层、防腐蚀措施等，以提高高层建筑的整体安全性。
二、钢结构设计与构件连接钢结构的设计与构件连接是高层建筑中的重要环节。
在钢结构设计中，需要考虑建筑的荷载、风荷载、地震荷载等因素，确保结构的稳定性和安全性。
此外，还需进行结构的模型分析和计算，以确保结构的合理性和可靠性。
在构件连接方面，采用适当的连接方式可以增加整体结构的稳定性和承载能力。
目前常用的构件连接方式包括焊接、螺栓连接和预应力连接等。
每种连接方式都有其适用的场景和优势，需根据具体要求进行选择和设计。
三、钢结构在高层建筑中的优势钢结构在高层建筑中具有许多优势。
首先，钢材质轻，可以减轻整体建筑重量，减少地基荷载，降低建筑成本。
其次，钢结构施工速度快，可以缩短工期，减少对周边环境的影响。
此外，钢结构具有灵活性，易于改变和扩展，适应未来可能的功能需求变化。
钢结构还能够提供大跨度和开放的内部空间，为建筑提供了更多设计可能性。
同时，钢材能够回收利用，具有较低的环境影响，符合可持续发展的要求。
四、钢结构在高层建筑中的挑战尽管钢结构在高层建筑中具有许多优势，但也面临一些挑战。
首先，钢结构的制作和施工需要高度的技术要求和专业人员，增加了建筑成本和施工难度。
安徽理工大学钢结构第五章 题库
第五章 受弯构件设计一、选择题1．对于跨度较大的工字钢梁，其最小高度一般是由下列哪项指标决定的？（ B ）A ．建筑高度B ．刚度要求C ．强度要求D ．经济条件（即用料最省原则）2．设计焊接组合截面梁时，通常要事先估计梁的高度取值范围，一般来说梁的最大高度是 由建筑高度所决定的，而梁的最小高度一般是由下列哪项决定的?（ D ）A ．梁的整体稳定要求B ．梁的局部稳定要求C ．梁的强度要求D ．梁的刚度要求3．经济梁高e h 指的是（ A ）A ．用钢量最小时梁的截面高度B ．挠度等于规范限值时梁的截面高度C ．强度与稳定承载力相等时梁的截面高度D ．腹板与翼缘用钢量相同时梁的截面高度 4．一简支梁受均布荷载作用，其中永久荷载标准值为15kN/m ，仅一个可变荷载，其标准值为20kN/m ，则强度计算时的设计荷载为（ A ）。
A ．q=1．2×15+1．4×20B ．q=15+20C ．q=1．2×15+0．85×1．4×20D ．q=1．2×15+0．6×1．4×20 5．按规范GBJ17－88中的公式σγ=M W f x x nx≤计算直接承受动力荷载的工字形截面梁抗弯强度时，γx 取值为（ A ）A ．γx =10. B ．γx =105. C ．γx =115. D ．γx =12. 6．梁的支承加劲肋应设置在（ C ）A ．弯曲应力大的区段；B ．剪应力大的区段；C ．上翼缘或下翼缘有固定作用力的部位；D ．有吊车轮压的部位7．简支梁符合下列哪种条件时，可不必验算梁的整体稳定性？（ A ） A ．有钢筋混凝土板密铺在梁的受压翼缘上，并与其牢固连接，能阻止受压翼缘的侧向位移时B ．有钢筋混凝土板密铺在梁的受拉翼缘上，并与其牢固连接，能阻止受拉翼缘的侧向位移时C ．除了梁端设置侧向支承点外，且在跨中有一个侧向支承点时D ．除了梁端设置侧向支承点外，且在跨间有两个以上侧向支承点时8．为了提高梁的整体稳定性，（ B ）是最经济有效的办法。
多高层建筑钢结构设计
多高层建筑钢结构设计在当今的建筑领域，多高层建筑钢结构设计因其独特的优势而备受关注。
钢结构以其高强度、高韧性、施工速度快等特点，成为了现代建筑设计中的重要选择。
钢结构在多高层建筑中的应用具有诸多显著优点。
首先，钢结构的强度高，能够承受较大的荷载，为建筑提供了稳固的支撑。
其次，其重量相对较轻，这在高层建筑中尤为重要，因为减轻建筑自重可以降低基础造价，并提高建筑的抗震性能。
再者，钢结构的工业化程度高，预制构件可以在工厂中进行标准化生产，然后运输到现场进行组装，大大缩短了施工周期。
在进行多高层建筑钢结构设计时，需要充分考虑结构体系的选择。
常见的结构体系包括框架结构、框架支撑结构、筒体结构等。
框架结构简单明了，适用于层数相对较低的建筑；框架支撑结构通过设置支撑增加了结构的侧向刚度，适用于较高的建筑；筒体结构则具有很强的抗侧能力，适用于超高层建筑。
设计过程中，荷载的计算是至关重要的一环。
不仅要考虑恒载（如结构自重、建筑装饰等）和活载（如人员、家具、设备等），还要充分考虑风荷载和地震作用。
风荷载的计算需要根据建筑所在地区的气象资料和建筑的外形特征来确定。
地震作用则需要根据建筑所在地区的抗震设防烈度、场地类别等因素进行计算。
钢结构构件的设计是多高层建筑钢结构设计的核心内容之一。
钢梁和钢柱通常是主要的受力构件。
钢梁的设计需要考虑其抗弯、抗剪能力，以及整体稳定性。
钢柱则需要考虑其受压稳定性和承载能力。
为了保证构件的强度和稳定性，需要合理选择钢材的型号和规格。
节点设计在钢结构中也占有举足轻重的地位。
节点的连接方式直接影响到结构的整体性和可靠性。
常见的节点连接方式有焊接、螺栓连接等。
焊接连接强度高，但施工难度较大，质量控制要求严格；螺栓连接施工方便，但连接强度相对较低。
在设计节点时，需要根据具体情况选择合适的连接方式，并进行详细的节点受力分析。
钢结构的防火和防腐设计也是不容忽视的方面。
由于钢材在高温下强度会急剧下降，因此需要采取有效的防火措施，如涂抹防火涂料、设置防火隔板等。
钢结构第五章受弯构件
适用于可拆卸的结构和临时性连接，具有施工方便、质量易于保证等优 点；但用钢量较大，且需要定期紧固。
03
铆钉连接
适用于承受动力荷载的结构，具有传力可靠、韧性和塑性好等优点；但
铆接工艺复杂、劳动强度高、用钢量也较大。
节点类型及其适用范围
刚接节点
能传递弯矩和剪力，适用 于固定支座和连续梁等需 要传递弯矩的结构。
03
受弯构件截面设计与优化
截面形状选择原则
01
02
03
符合受力要求
根据受弯构件所受荷载类 型、大小及分布情况，选 择能够有效承受弯矩和剪 力的截面形状。
便于加工制作
考虑现有加工设备和技术 水平，选择易于加工成型 的截面形状。
经济性
在满足受力要求和加工制 作的前提下，尽量选择材 料用量少、成本低的截面 形状。
连接固定
采用合适的连接方式将构件与基础或相邻构 件连接固定，确保稳定性和安全性。
验收标准和方法
验收标准
构件的尺寸偏差、形位公差、表面质量等应符合相关标准和 设计要求。
验收方法
采用测量工具对构件的尺寸、形位等进行测量，目视检查表 面质量，查阅相关质量证明文件等。对于不合格的构件，应 及时进行整改或返工处理，直至符合要求为止。
节点法
对于超静定结构，通过选取节点建立平衡方程，进 而求解内力的方法。
力矩分配法
适用于连续梁和无侧移刚架等结构，通过力矩分配 系数求解内力的方法。
剪力、弯矩图绘制
80%
剪力图的绘制
根据截面法或节点法求得的剪力 值，在构件上按比例绘制剪力图 。
100%
弯矩图的绘制
根据截面法或节点法求得的弯矩 值，在构件上按比例绘制弯矩图 。
中南大学《钢结构原理》课件第五章 轴心受力构件
y (x ) 5.07b / t
☆长细较大时，弯曲失稳起控制作用，作弯曲失稳验算。
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
5.5 轴心受压构件局部稳定性
1、局部稳定的概念
轴心受压柱局部屈曲变形
轴心受压构件翼缘的凸曲现象
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
1916年因施工问题又发生一次倒塌事故。
前苏联在1951～1977年间共发生59起重大钢结构事故，有17起 属稳定问题。
（设计、制作、安装或使用不当都可能引发稳定事故）
例如：
1957年前苏联古比雪夫列宁冶金厂锻压车间，7榀1200m2屋盖塌落。 起因是一对尺寸相同的拉压杆装配颠倒。 1974年，苏联一个俱乐部观众厅24×39m钢屋盖倒塌。起因是受力 较大的钢屋架端斜杆失稳。
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
•荷载初始偏心降低稳定承载力
vm e0 (sec
2
N 1) NE
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
•残余应力降低稳定承载力
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
（1）使部分截面提前进入塑性状态，截面的弹性区域减少， 干扰后只有弹性区产生抗力增量，故降低了稳定承载力。
N 1 fy A Ry
N 1 fu An Ru
偏安全简化处理
N 1 fy f An Ry
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
2、刚度计算
•刚度计算的目的：保证在安装、使用过程中正常使用要求
•实例1：九江桥主拱吊杆涡振现象
中南大学桥梁工程系
第五章 轴心受力构件
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非抗震： N f
A
抗震：
N
A
f/γRE
使用毛截面面积 计算稳定系数时，厚板多为c、d类
SGk、SQ1k、SQ2k、Swk－分别为由永久荷载、楼 面活荷载、屋面雪荷载和风荷载等的标准值引 起的构件内的荷载效应；
式中：SGE－由重力荷载代表值引起的效应，有吊车时， 应包括悬吊物重力标准值的效应。重力荷载代 表值按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001) 的5.1.3条取用；
SEhk、SEvk－分别为水平或竖向地震作用标准值 引起的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整 系数；
钢梁的容许侧向长细比 y
应力比值 侧向支承点间的构件长细比 y
-1.0
M1 Wpxf
0.5
0.5
M1 Wpxf
1.0
y
60
40
M1 Wpx f
235 fy
y
45
10
M1 Wpx f
235 fy
3) 梁板件的宽厚比限值
❖ 一般钢梁板件的宽厚比限值
bf
bf
b1
b1 bo
tf
tf
tw
ho
tw
tw ho
➢当为组合楼盖，或现浇钢筋 混凝土板与钢梁翼缘有可靠 连接时，可不验算钢梁的整 体稳定性。
❖ 抗震区侧向支撑的设置
➢目的——保证梁上塑性铰能充分塑性转动而不发生整体失稳。 ➢位置——两端可能出现塑性铰处；
梁的上下翼缘均应设置； 相邻侧向支撑点间的侧向长细比应符合《钢规》塑性
设计的有关规定，且满足下表。
结构平面端部构件最大侧移不得超过质心侧移的1.2倍。
❖ 第一阶段抗震验算的最大层间质心侧移限值≤hi/300， 结构平面端部构件最大侧移，不得超过质心侧移的 1.3倍。
其它“钢－混凝土”混合结构的限值见GB50011-2001的5.5.1 条。
❖ 舒适度（风振加速度）限值 建筑物顶部最大加速度a限值为 公寓建筑a≤0.20m/s2 公共建筑a≤0.28m/s2
γG－重力荷载分项系数，一般情况采用1.2，当重 力荷载效应对构件承载能力有利时，不应大于 1.0；
γQ1、γQ2、γw、－分别为楼面活荷载、雪荷载和风 荷载等荷载分项系数，一般取1.4；
γEh、γEv－分别为水平、竖向地震作用分项系数， 当仅计及单向地震作用时，取1.3，当同时计算 水平和竖向地震作用时，γEh＝1.3，γEv＝0.5；
5.1 荷载效应组合及设计要求
1) 荷载效应组合
❖ 无地震作用时的组合
S G SGk S Q1 Q1k Q2SQ2k w wSwk
❖ 有地震作用时的组合
S GSGE EhSEhk S Ev Evk w wSwk
式中：S－结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯 矩、轴力和剪力设计值；
80-110Nb Af 72-100Nb Af
72-100
Nb Af
12层
36
36
32
30
>12层
36
32
30
30
❖ 兼作支撑横杆的梁和塑性设计时梁板件的宽厚比限值
翼缘Biblioteka b1 9 235 b0 30 235
tf
fy
tf
fy
钢梁轴力
腹板
Nb 0.37 Af
Nb 0.37 Af
h0 (72 100Nb ) 235
截面形式 强度验算 稳定验算 刚度验算 局部稳定
两个工字钢组成 的十字形截面也 有大量应用
圆管截面多用于 钢管混凝土柱
1) 轴压柱
截面形式 强度验算 稳定验算 刚度验算 局部稳定
非抗震： N f An
抗震：
N An
f
/ RE
使用净截面面积
1) 轴压柱
截面形式 强度验算 稳定验算 刚度验算 局部稳定
ψw－风荷载组合系数，无地震作用的组合中取 1.0；有地震作用的组合中取0.2。
❖ 当验算结构的变形时，所有荷载分项系数均取1.0。
2) 承载力极限状态验算
❖ 非抗震验算时
S R/0
式中：γ0－结构重要性系数，使用年限100年及以上1.1， 50年1.0；
S－结构构件内力组合设计值；
R－结构构件承载力设计值；
tf
tf
钢梁的截面形式
梁截面 形状 工字形 箱形
箱形
框架梁的板件宽厚比限值
板件所在部位
翼缘悬伸部分
b1 tf
腹板
h0 tw
两腹板之间的 翼缘
b0
tf
房屋 非抗震，
7度
总层数
6度
8度
9度
12层
11
11
10
9
>12层
11
10
9
9
12层1
85-120Nb Af
85-120Nb Af
>12层
80-110Nb Af
❖ 抗震验算时
S R / RE
式中：γRE－构件的承载力抗震调整系数，梁柱为0.75， 支撑0.80，节点板件、连接螺栓0.85，连接焊缝 0.90，当计算竖向地震作用时取1.0。
3) 正常使用极限状态验算
❖ 重力荷载作用下梁的挠度限值 主梁≤l/400, 次梁≤l/250
❖ 风荷载下的位移限值 顶点质心侧移≤H/500； 层间质心侧移≤hi/400；
5.2 钢梁的设计特点(beams)
1) 梁的强度
塑性发展系数
非抗震验算：抗弯强度
Mx f xWnx
抗剪强度
V S Ix tw
fv
梁端尚应验算
V Awn
fv
抗震验算：上公式的设计强度应该除以抗震调
整系数γRE 。
2) 梁的整体稳定
➢抗震验算要考虑抗震调整系 数。
➢当梁端仅以腹板与柱(主梁) 连接时，整体稳定系数上应 乘以0.85的降低系数。
4) 第二阶段抗震验算
层间侧移hi/50 混合结构的限值见GB50011-2001的5.5.5条； 层间侧移延性比不应超过
结构形式
Δ/Δy
钢框架
3.5
偏心支撑框架
3.0
中心支撑框架
2.5
带混凝土剪力墙的钢框架
2.0
层间侧移延性比是指结构在罕遇地震下的最大层间侧 移与该楼层进入弹塑性状态时层间侧移的比值。
5 构件设计
5.1荷载效应组合及设计要求 5.2 钢梁的设计特点 5.3 钢柱的设计特点 5.4 中心支撑杆件
5.5 偏心支撑杆件 5.6 其它抗侧力构件
弹性阶段 弹塑性阶段
整体分析，计算构件内力 验算构件承载力和稳定性 验算层间变形和顶层变形 节点的计算与设计 舒适度的验算
结构极限变形的验算 层间侧移延性比的验算
tw
Af
fy
h0 35 235
tw
fy
bf
bf
b1
b1 bo
tf
tf
tw
ho
tw
tw ho
tf
tf
钢梁的截面形式
5.3 钢柱的设计特点(columns)
（梁，柱，中心支撑，偏心支撑，剪力墙板）
轴压柱 框架柱
截面形式 强度、整体稳定计算 局部稳定计算 刚度计算，长细比 强柱弱梁要求，节点域
1) 轴压柱